Для всех и обо всем. «Роль зелёных растений в обеспечении энергией живых организмов на нашей планете Живые организмы не способны усваивать механическую энергию
Корлисс предположил, что гидротермальные источники могли создавать коктейли химических веществ. Каждый источник, говорил он, был своего рода распылителем первичного бульона.
По мере того, как горячая вода текла через скалы, тепло и давление приводили к тому, что простые органические соединения сливались в более сложные, такие как аминокислоты, нуклеотиды и сахара. Ближе к границе с океаном, где вода была не такой горячей, они начинали связываться в цепочки - формировать углеводы, белки и нуклеотиды вроде ДНК. Затем, когда вода подходила к океану и остывала еще больше, эти молекулы собирались в простые клетки.
Это было интересно, теория привлекла внимание людей. Но Стэнли Миллер, эксперимент которого мы обсуждали в первой части, не поверил. В 1988 году он писал, что глубоководные жерла были слишком горячими.
Хотя сильное тепло может привести к образованию химических веществ вроде аминокислот, эксперименты Миллера показали, что оно также может и уничтожить их. Основные соединения вроде сахаров «смогли бы выжить пару секунд, не больше». Более того, эти простые молекулы вряд ли связались бы в цепи, поскольку окружающая вода мгновенно их разорвала бы.
На этом этапе к битве подключился геолог Майк Расселл. Он посчитал, что теория гидротермальных источников может быть вполне верной. Более того, ему показалось, что эти источники будут идеальным домом для прекурсоров организма Вахтершаузера. Это вдохновение привело его к созданию одной из самых широко признанных теорий происхождений жизни.
Геолог Майкл Расселл
В карьере Расселла было много интересных вещей - он делал аспирин, разыскивая ценные минералы - и в одном замечательном происшествии 1960-х годов координировал реагирование на возможное извержения вулкана, несмотря на отсутствие подготовки. Но его больше интересовало, как менялась поверхности Земли на протяжении эпох. Эта геологическая перспектива и позволила сформироваться его идеям о происхождении жизни.
В 1980-х годах он обнаружил ископаемые свидетельства менее бурного типа гидротермального источника, в котором температуры не превышали 150 градусов по Цельсию. Эти мягкие температуры, по его словам, могли позволить молекулам жизни жить дольше, чем полагал Миллер.
Более того, ископаемые остатки этих «прохладных» жерл содержали нечто странное: минерал пирит, состоящий из железа и серы, сформировался в трубочках диаметром 1 мм. Работая в лаборатории, Расселл обнаружил, что пирит также может формировать сферические капли. И предположил, что первые сложные органические молекулы могли образоваться внутри этих простых пиритовых структур.
Железный пирит
Примерно в это же время Вахтершаузер начал публиковать свои идеи, в основе которых был поток горячей химически обогащенной воды, протекающей через минералы. Он даже предположил, что в этом процессе участвовал пирит.
Расселл сложил два плюс два. Он предположил, что гидротермальные источники на глубине моря, достаточно холодные, чтобы позволить образоваться пиритовым структурам, приютили прекурсоры организмов Вахтершаузера. Если Расселл был прав, жизнь началась на дне моря - и сначала появился метаболизм.
Расселл собрал это все в статье, опубликованной в 1993 году, 40 лет спустя после классического эксперимента Миллера. Она не вызвала такого же ажиотажа в СМИ, но была, возможно, более важной. Расселл объединил две, казалось бы, отдельные идеи - метаболические циклы Вахтершаузера и гидротермальные источники Корлисса - в нечто по-настоящему убедительное.
Расселл даже предложил объяснение того, как первые организмы получали свою энергию. То есть он понял, как мог бы работать их метаболизм. Его идея опиралась на работу одного из забытых гениев современной науки.
Питер Митчелл, нобелевский лауреат
В 1960-х годах биохимик Питер Митчелл заболел и был вынужден уйти в отставку из Университета Эдинбурга. Вместо этого он создал частную лабораторию в отдаленном поместье в Корнуолле. Изолированный от научного общества, он финансировал свою работу за счет стада молочных коров. Многие биохимики, в том числе и Лесли Оргел, чью работу по РНК мы обсудили во второй части, считали идеи Митчелла совершенно нелепыми.
Спустя несколько десятков лет Митчелла ждала абсолютная победа: по химии 1978 года. Он не стал знаменитым, но его идеи сегодня в каждом учебнике по биологии. Свою карьеру Митчелл провел, выясняя, что организмы делают с энергией, которую получают из пищи. По сути, он задавался вопросом, как всем нам удается оставаться в живых каждую секунду.
Он знал, что все клетки хранят свою энергию в одной молекуле: аденозинтрифосфате (АТФ). К аденозину крепится цепочка из трех фосфатов. Добавление третьего фосфата требует много энергии, которая затем запирается в АТФ.
Когда клетка нуждается в энергии - например, когда сокращается мышца - она разбивает третий фосфат в АТФ. Это превращает АТФ в аденозидифосфат (АДФ) и высвобождает накопленную энергию. Митчелл хотел узнать, как клетка вообще создает АТФ. Как она накапливает достаточно энергии в АДФ, чтобы прикрепить третий фосфат?
Митчелл знал, что фермент, образующий АТФ, находится в мембране. Поэтому предположил, что клетка закачивает заряженные частицы (протоны) через мембрану, поэтому много протонов находится по одну сторону, а по другую - нет.
Затем протоны пытаются просочиться обратно через мембрану, чтобы уравновесить число протонов по каждую сторону - но единственное место, через которое они могут пройти, это фермент. Поток текущих протонов, таким образом, обеспечивал фермент энергией, необходимой для создания АТФ.
Впервые Митчелл изложил свою идею в 1961 году. Следующие 15 лет он провел, защищая ее со всех сторон, пока доказательства не стали неопровержимыми. Теперь мы знаем, что процесс Митчелла используется каждым живым существом на Земле. Прямо сейчас он протекает в ваших клетках. Как и ДНК, он лежит в основе известной нам жизни.
Расселл позаимствовал у Митчелла идею протонного градиента: наличие большого количества протонов на одной стороне мембраны и немногого - на другой. Все клетки нуждаются в протонном градиенте, чтобы хранить энергию.
Современные клетки создают градиенты, откачивая протоны через мембраны, но для этого нужен сложный молекулярный механизм, который просто не мог появиться сам по себе. Поэтому Расселл сделал еще один логический шаг: жизнь должна была сформироваться где-то с естественным протонным градиентом.
Например, где-то у гидротермальных источников. Но это должен быть особенный тип источника. Когда Земля была молодой, моря были кислыми, а в кислой воде много протонов. Чтобы создать протонный градиент, вода из источника должна быть с низким содержанием протонов: она должна быть щелочной.
Источники Корлисса не подходили. Они не только были слишком горячими, но еще и кислыми. Но в 2000 году Дебора Келли из Вашингтонского университета обнаружила первые щелочные источники.
Келли пришлось тяжело трудиться, чтобы стать ученым. Ее отец умер, когда она заканчивала среднюю школу, и она была вынуждена работать, чтобы остаться в колледже. Но справилась и выбрала предметом своего интереса подводные вулканы и обжигающие горячие гидротермальные источники. Эта пара и привела ее в центр Атлантического океана. В этом месте земная кора треснула и с морского дна поднялся хребет гор.
На этом хребте Келли обнаружила поле гидротермальных источников, которое назвала «Потерянным городом». Они не были похожи на обнаруженные Корлиссом. Вода вытекала из них при температуре 40-75 градусов по Цельсию и была слегка подщелоченной. Карбонатные минералы из этой воды слипались в крутые белые «столбы дыма», которые поднимались с морского дна подобно трубам органа. На вид они жуткие и призрачные, но это не так: в них обитает множество микроорганизмов.
Эти щелочные жерла идеально вписывались в идеи Расселла. Он твердо поверил в то, что жизнь появилась в таких «потерянных городах». Но была одна проблема. Будучи геологом, он знал не так много о биологических клетках, чтобы убедительно представить свою теорию.
Столб дыма «черной курилки»
Поэтому Расселл объединился с биологом Уильямом Мартином. В 2003 году они представили улучшенный вариант прежних идей Расселла. И это, наверное, самая лучшая теория появления жизни на данный момент.
Благодаря Келли, теперь они знали, что породы щелочных источников были пористыми: они были усеяны крошечными отверстиями, наполненными водой. Эти крошечные кармашки, предположили они, действовали в качестве «клеток». В каждом кармашке находились основные химические вещества, в том числе и пирит. В сочетании с естественным протонным градиентом от источников, они были идеальным местом для начала метаболизма.
После того, как жизнь научилась использовать энергию вод источников, говорят Расселл и Мартин, она начала создавать молекулы вроде РНК. В конце концов, она создала себе мембрану и стала настоящей клеткой, сбежав из пористой породы в открытую воду.
Такой сюжет в настоящее время рассматривается в качестве одной из ведущих гипотез о происхождении жизни.
Клетки бегут из гидротермального источника
В июле 2016 года он получил поддержку, когда Мартин опубликовал исследование, реконструирующее некоторые детали « » (LUCA). Это организм, который жил миллиарды лет назад и от которого произошла вся существующая жизнь.
Едва ли мы когда-нибудь найдем прямые окаменевшие доказательства существования этого организма, но тем не менее вполне можем делать обоснованные предположения о том, как он выглядел и чем занимался, изучая микроорганизмы наших дней. Это и проделал Мартин.
Он исследовал ДНК 1930 современных микроорганизмов и идентифицировал 355 генов, которые были почти у всех. Это убедительно говорит о передаче этих 355 генов, через поколения и поколения, от общего предка - примерно того времени, когда жил последний универсальный общий предок.
Эти 355 генов включают некоторые для использования протонного градиента, но для генерации оного - нет, как и предсказывали теории Расселла и Мартина. Более того, LUCA, похоже, был адаптирован к присутствуют химических веществ вроде метана, что наводит на мысли, что он населял вулканически активную среду - по типу жерла.
Сторонники гипотезы «мира РНК» указывают на две проблемы в этой теории. Одну можно поправить; другая может быть фатальной.
Гидротермальные источники
Первая проблема в том, что экспериментальных доказательств описанных Расселлом и Мартином процессов нет. У них есть пошаговая история, но ни один из этих шагов не наблюдался в лаборатории.
«Люди, которые верят в то, что все началось с воспроизводства, постоянно находят новые экспериментальные данные», говорит Армен Мулкиджанян. «Люди, которые стоят за метаболизм, этого не делают».
Но это может измениться, благодаря коллеге Мартина Нику Лейну из Университетского колледжа Лондона. Он построил «реактор происхождения жизни», который имитирует условия внутри щелочного источника. Он надеется увидеть метаболические циклы, а может даже и молекулы вроде РНК. Но пока еще рано.
Вторая проблема заключается в расположении источников в глубоком море. Как отмечал Миллер в 1988 году, длинноцепочечные молекулы вроде РНК и белков не могут формироваться в воде без вспомогательных ферментов.
Для многих ученых это фатальный аргумент. «Если вы хорошо разбираетесь в химии, вас не подкупить идеей глубоководных источников, потому что вы знаете, что химия всех этих молекул несовместима с водой», говорит Мулкиджанян.
И все же Расселл и его союзники остаются оптимистами.
И только в последнее десятилетие на первый план вышел третий подход, подкрепленный серией необычных экспериментов. Он обещает нечто, чего не удалось добиться ни «миру РНК», ни гидротермальным источникам: способ создать целую клетку с нуля. Об этом в следующей части.
Преобразование энергии солнечного света и организмы использующие её
Сегодня мы поговорим об организмах, которые используют в своей жизнедеятельности солнечную энергию. Для этого нужно затронуть такую науку, как биоэнергетика. Она изучает способы преобразования энергии живыми организмами и использование её в процессе жизнедеятельности. В основе биоэнергетики лежит термодинамика. Эта наука описывает механизмы преобразования различных видов энергии друг в друга. В том числе, использование и преобразование различными организмами солнечной энергии. С помощью термодинамики можно полностью описать энергетический механизм процессов, происходящих вокруг нас. Но с помощью термодинамики нельзя понять природу того или иного процесса. В этой статье мы попробуем объяснить механизм использования солнечной энергии живыми организмами.
Для описания преобразования энергии в живых организмах или прочих объектах нашей планеты следует рассмотреть их с точки зрения термодинамики. То есть, системы, обменивающейся энергией с окружающей средой и объектами. Их можно подразделить на следующие системы:
- Закрытые;
- Изолированные;
- Открытые.
Через некоторое время эти вещества разрушаются и обеспечивают организм энергией. Их продукты распада удаляются из организма. Их место в организме заполняют другие молекулы. При этом целостность структуры организма не нарушается. Такое усвоение и переработка энергии в организме обеспечивает обновление организма. Энергетический обмен необходим для существования всех живых организмов. При остановке процессов преобразования энергии в организме он умирает.
Солнечный свет является источником биологической энергии на Земле. Ядерная энергия Солнца обеспечивает выработку лучистой энергии. Атомы водорода в нашей звезде в результате реакции переходят в атомы He. Энергия, освобождающаяся во время реакции, выделяется в виде гамма-излучения. Сама реакция выглядит следующим образом:
4Н ⇒ Не4 + 2е + hv, где
v ─ длина волны гамма-лучей;
h ─ постоянная Планка.
В дальнейшем, после взаимодействия гамма-излучения и электронов, энергия выделяется в виде фотонов. Эту световую энергию излучает небесное светило.
Солнечная энергия при достижении поверхности нашей планеты улавливается и преобразуется растениями. В них энергия солнца превращается в химическую, которая запасается в виде химических связей. Это связи, которые в молекулах соединяют атомы. Примером может служить синтез глюкозы в растениях. Первая стадия этого преобразования энергии ─ фотосинтез. Растения обеспечивают его с помощью хлорофилла. Этот пигмент обеспечивает превращение лучистой энергии в химическую. Происходит синтез углеводов из H 2 O и CO 2 . Это обеспечивает рост растений и передачу энергии на следующую ступень.
Следующий этап передачи энергии происходит от растений животным или бактериям. На этом этапе энергия углеводов в растениях преобразуется в биологическую. Это происходит в процессе окисления молекул растений. Величина полученной энергии соответствует тому количеству, которое было затрачено на синтез. Частично эта энергия преобразуется в тепло. В результате энергия запасается в макроэргических связях аденозинтрифосфата. Так солнечная энергия, проходя ряд превращений, оказывается в живых организмах уже в другой форме.
Здесь стоит дать ответ на часто задаваемый вопрос: «Какой органоид использует энергию солнечного света?». Это хлоропласты, участвующие в процесс фотосинтеза. Они используют её для синтеза из неорганических веществ органических.
В непрерывном потоке энергии заключается суть всего живого. Он постоянно движется между клетками и организмами. На клеточном уровне для преобразования энергии существуют эффективные механизмы. Можно выделить 2 основные структуры, где происходит превращение энергии:
- Хлоропласты;
- Митохондрии.
Человек, как и другие живые организмы на планете, пополняет энергетический запас из продуктов. Причём, часть потребляемых продуктов растительного происхождения (яблоки, картофель, огурцы, помидоры), а часть животного (мясо, рыба и другие морепродукты). Животные, которые мы употребляем в пищу, энергию также получают из растений. Поэтому вся получаемая нашим организмом энергия преобразуется из растений. А у них она появляется в результате преобразования солнечной энергии.
По типу получения энергии все организмы можно разделить на две группы:
- Фототрофы. Черпают энергию из солнечного света;
- Хемотрофы. Получают энергию во время окислительно-восстановительной реакции.
То есть, солнечная энергия используется растениями, а животные получают энергию, которая находится в органических молекулах во время поедания растений.
Как преобразуется энергия в живых организмах?
Существует 3 основных разновидности энергии, преобразуемой организмами:
- Преобразование лучистой энергии. Этот вид энергии несёт солнечный свет. В растениях лучистая энергия улавливается пигментом хлорофиллом. В результате фотосинтеза она превращается в химическую энергию. Та, в свою очередь, используется в процессе синтеза кислорода и других реакциях. Солнечный свет несёт в себе кинетическую энергию, а в растениях она превращается в потенциальную. Полученный энергетический запас сохраняется в питательных веществах. К примеру, в углеводах;
- Преобразование химической энергии. Из углеводов и прочих молекул она превращается в энергию макроэргических фосфатных связей. Эти преобразования проходят в митохондриях.
- Преобразование энергии макроэргических фосфатных связей. Она расходуется клетками живого организма для совершения разных видов работ (механическая, электрическая, осмотическая и т. д.).
Во время этих трансформаций часть энергетического запаса теряется и рассеивается в виде тепла.
Использование организмами накопленной энергии
В процессе метаболизма организм получает энергетический запас, расходуемый на совершение биологической работы. Это может быть световая, механическая, электрическая, химическая работа. И очень большая часть энергии организм расходует в виде тепла.
Ниже кратко описаны основные типы энергии в организме:
- Механическая. Характеризует движение макротел, а также механическую работу по их перемещению. Её можно разделить на кинетическую и потенциальную. Первая определяется скоростью передвижения макротел, а вторая ─ их местоположением по отношению друг к другу;
- Химическая. Определяется взаимодействием атомов в молекуле. Она является энергией электронов, которые двигаются по орбитам молекул и атомов;
- Электрическая. Это взаимодействие заряженных частиц, которое вызывает их движение в электрическом поле;
- Осмотическая. Расходуется при передвижении против градиента концентраций молекул вещества;
- Регуляторная энергия.
- Тепловая. Определяется хаотическим движением атомов и молекул. Основной характеристикой этого движения является температура. Этот вид энергии является самым обесцененных из всех, перечисленных выше.
Е h = 3/2rT, где
r ─ постоянная Больцмана (1,380*10 -16 эрг/град).
Протерозойский эон - это самая длинная эпоха в истории Земли. Он начался 2,5 миллиарда лет до н. э. и закончился 541 миллион лет до н.э. За это время Земля превратилась из бескислородной планеты микробов, прокариот в кислородную планету многоклеточных организмов.
1. Великое кислородное событие
Биолог Александр Марков о кислородном кризисе, парниковых газах и появлении эукариот
В раннем протерозое в течение нескольких сотен миллионов лет происходило достаточно быстрое нарастание количества свободного кислорода в атмосфере и гидросфере. Предпосылки к этому сложились еще в конце архейской эры. Примерно 2,45 миллиарда лет назад началось так называемое великое кислородное событие, когда уровень кислорода вырос почти с 0% до примерно 1% от нынешнего содержания кислорода.
Почему геологи считают, что в этот период выросло содержание кислорода? На это указывает целый ряд признаков, например соотношение изотопов серы в осадочных породах. По-видимому, вулканические газы, попадающие в атмосферу, в том случае, если в этой атмосфере нет кислорода, участвуют в определенных фотохимических реакциях, во время которых происходит фракционирование изотопов серы и получается измененный изотопный состав. Но когда в атмосфере появляется кислород, эти процессы прекращаются. И в начале протерозоя эти процессы как раз прекратились.
А. Марков. 2010. Рождение сложности. Эволюционная биология сегодня: неожиданные открытия и новые вопросы. М.: Астрель: CORPUS.
2. Кризис в микробных сообществах
Также существует ряд минералов в осадочных породах, которые могут образовываться только в бескислородных условиях - в присутствии кислорода они окисляются. И такие неокисленные минералы тоже встречаются в породах до начала протерозоя, а потом они больше не образуются.
В те времена все микробы были приспособлены к жизни в бескислородных условиях, а кислород - это сильный окислитель, это фактически сильный яд, от которого нужно защищаться каким-то специальным образом. Рост содержания кислорода в атмосфере должен был вызвать некий кризис в микробных сообществах, которые тогда составляли фактически единственную форму жизни на Земле.
Е. Кунин. 2014. Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции. М.: Центрполиграф.
3. Причины Гуронского оледенения
В это же время происходит первое крупное оледенение на Земле - его называют Гуронским.
Причины наступления теплых или холодных эпох в истории Земли, по-видимому, были достаточно разнообразны. Но одна из важных причин их наступления - это количество таких парниковых газов в атмосфере, как CO2, метан, водяной пар. Однако развитие жизни влияет именно на содержание углекислого газа, а затем метана.
7 фактов об этапах абиогенеза и проблеме происхождения жизни на Земле
Почему оледенение происходит в тот момент, когда растет содержание кислорода? Во-первых, чтобы росло содержание кислорода, нужно, чтобы углерод выводился из круговорота. Во время биогенного цикла углерода фотосинтезирующие организмы изымают из атмосферы углекислый газ, делают из него органику. Потом гетеротрофные организмы, которые питаются готовой органикой, окисляют эту органику при помощи кислорода, выделяющегося фотосинтетиками, и превращают ее снова в CO2. Таким образом, фотосинтетики выделяют кислород и забирают углерод из атмосферы, а гетеротрофные организмы, наоборот, забирают кислород и выделяют углерод.
Если активность фотосинтетиков не уравновешивается полностью активностью гетеротрофов, то есть потребление органики отстает от производства органики, то эта лишняя органика будет захораниваться в земной коре. Это приводит к тому, что углерод постепенно выводится из атмосферы, содержание CO2 в атмосфере падает, парниковый эффект слабеет, и становится холоднее.
В момент быстрого роста содержания кислорода происходило оледенение. Кроме того, выделяющийся кислород мог окислять метан, который, по-видимому, тогда еще в значительном количестве присутствовал в атмосфере. А метан - это тоже очень сильный парниковый газ.
К. Еськов. 2000. История Земли и жизни на ней. М.: МИРОС – МАИК «Наука-Интерпериодика».
4. Появление первой эукариотической клетки
К окончанию первого оледенения и к окончанию периода быстрого роста кислорода происходит важнейшее событие в эволюции земной жизни - появляется первая эукариотическая клетка.
До сих пор на Земле жили только прокариоты - это бактерии, которые не имеют клеточного ядра и других мембранных структур, органелл. В клетке у них нет митохондрий, пластид и всяких других сложностей. Еще на заре клеточной жизни прокариоты разделились на две большие группы: бактерии и археи (раньше их называли архебактериями).
Эукариоты - это третья большая группа живых организмов, которая появляется впервые в раннем протерозое, скорее всего, в связи с ростом кислорода. Эукариоты - это организмы, у которых есть ядро в клетке, митохондрии, и приспособлены они изначально именно к кислородной среде. Митохондрии - это органеллы эукариотической клетки, которые как раз нужны для кислородного дыхания, поскольку они используют кислород для окисления органики и получения энергии. Именно эукариотическая клетка стала основой развития всех сложных форм многоклеточной жизни на нашей планете: животных, растений, грибов.
Прокариоты несколько раз пытались и продолжают пытаться иногда перейти к многоклеточности, но эти попытки не заходят далеко по ряду технических причин. Например, в многоклеточном организме разные клетки выполняют разные функции, соответственно, в разных тканях у них работают разные гены. Геном эукариотического организма содержит все гены, необходимые для формирования всех тканей многоклеточного организма, но в каждой ткани работает только часть из них - та, которая нужна. Для того чтобы это работало, нужна очень сложная эффективная система регуляция работы генов. А для этого как раз очень важно иметь клеточное ядро, в котором гены изолированы от бурных биохимических процессов, происходящих в цитоплазме. Там можно развить эффективные системы регуляции работы генов, чего у прокариот нет, поскольку они имеют более простые регуляторные системы.
5. Строение эукариотической клетки
Некоторые исследователи считают, что именно появление эукариотической клетки - самое ключевое событие в эволюции жизни на Земле. И может быть, оно произошло только один раз, поскольку все современные эукариоты, очевидно, происходят от одного предка. Возможно, были какие-то другие попытки таких эволюционных опытов, но они не дожили до наших дней.
7 фактов о самой элементарной системе организма
Эукариотическая клетка имеет химерную природу. Она появилась как закономерный итог эволюции докембрийских микробных сообществ, которые составляли основную форму жизни в архейской эре и продолжали доминировать в протерозое. Если посмотреть, из каких белков сделана эукариотическая клетка, то получается очень интересная вещь. Центральная система эукариотической клетки, связанная с репликацией ДНК, работой с генетической информацией, синтезом белка, обслуживается белками, похожими на белки архей. А вот на периферии - обмен веществ, рецепторы, взаимодействие с внешней средой, передача сигналов - доминируют белки, похожие на белки бактерий. То есть эукариотическая клетка имеет архейную сердцевину и бактериальную периферию. Другими словами, в процессе эволюции произошло некое слияние, комбинирование геномов представителей двух великих ветвей прокариот.
Н. Лейн. 2014. Лестница жизни. Десять величайших изобретений эволюции. М.: АСТ: CORPUS.
6. Приспособление древних микробов к кислороду
В ходе кислородного кризиса, когда древним микробам приходилось приспосабливаться к новому появившемуся яду - к свободному кислороду, какие-то археи, по-видимому, активно заимствовали чужие гены, в том числе бактериальные, и в результате приобрели ряд бактериальных свойств. Получился некий химерный одноклеточный организм, способный, например, к заглатыванию других прокариот. Возможно, они перешли к хищничеству, возможно, они сливались с другими клетками с целью обмена генетическим материалом. Скорее всего, на этом этапе формировалось половое размножение. Еще одной ключевой особенностью эукариот является настоящее половое размножение, связанное со слиянием половых клеток и с редукционным делением (мейозом).
Этот химерный организм в какой-то момент проглотил бактерии, представителей группы альфа-протеобактерий, которые стали предками митохондрий - органелл для кислородного дыхания. Тем самым этот организм, приобретя такого симбионта, защитился от токсического действия кислорода. После этого кислород утилизировался уже этими симбиотическими митохондриями. Свободноживущие предки митохондрий научились бороться с кислородом и изобрели систему кислородного дыхания. Вероятно, сначала они просто сжигали органику, чтобы обезвредить кислород, а потом научились извлекать из этого еще и пользу в виде энергии.
7. Развитие фауны одноклеточных эукариот в океане
Биолог Евгений Кунин о взгляде на гены с точки зрения статистической физики, смене эволюционной парадигмы и связи космологии с происхождением жизни
В ходе приспособления древних организмов к кислороду микробы превратились в прото-эукариотическую клетку с митохондриями. В какой-то момент в клетке появилось ядро. Существует теория о том, что ядро появилось в результате симбиоза с вирусами. Учеными были открыты очень большие вирусы, которые по ряду свойств напоминают клеточное ядро, из чего можно сделать вывод, что, возможно, ядро клетки тоже было приобретено в ходе эволюции путем симбиоза.
В начале протерозоя, два миллиарда лет назад, появляется эукариотическая клетка. Первые эукариоты были одноклеточными, гетеротрофами, то есть они потребляли готовую органику. Несколько позже какие-то эукариоты вступили в симбиоз с цианобактериями, проглотили их. Таким образом, эти цианобактерии дали начало пластидам, что привело к возникновению растений.
В течение среднего протерозоя мы уже видим в ископаемой летописи остатки одноклеточных эукариот. Постепенно из уже эукариотических одноклеточных водорослей развивался фитопланктон. И в это же время, по-видимому, начинают появляться первые многоклеточные водоросли.
Некоторые организмы обладают особым преимуществом, которое позволяет им выдерживать самые экстремальные условия, где другие просто не справятся. Среди таких способностей можно отметить устойчивость к огромному давлению, экстремальным температурам и другие. Эти десять существ из нашего списка дадут фору любому, кто осмелится претендовать на звание самого выносливого организма.
10. Гималайский прыгающий паук
Азиатский дикий гусь славится полетами на высоте более 6,5 километров, в то время как самое высокое поселение, населенное людьми, находится на высоте в 5100 метров, в перуанских Андах. Тем не менее, высокогорный рекорд принадлежит вовсе не гусям, а гималайскому прыгающему пауку (Euophrys omnisuperstes). Обитая на высоте свыше 6700 метров, этот паук питается преимущественно мелкими насекомыми, занесенными туда порывами ветра. Ключевой особенностью этого насекомого является способность выжить в условиях почти полного отсутствия кислорода.
9. Гигантский кенгуровый прыгун
Обычно, когда мы размышляем о животных, которые способны дольше всех прожить без воды, на ум сразу приходит верблюд. Но верблюды способны продержаться без воды в пустыне всего лишь 15 дней. Между тем, вы удивитесь, когда узнаете, что в мире существует животное, способное прожить всю жизнь, так и не выпив ни капли воды. Гигантский кенгуровый прыгун - близкий родственник бобров. Средняя продолжительность их жизни обычно составляет от 3 до 5 лет. Влагу они обычно получают из пищи, поедая различные семена. Кроме того, эти грызуны не потеют, тем самым избегая дополнительных потерь воды. Обычно эти зверьки обитают в Долине Смерти, и в данный момент находятся под угрозой исчезновения.
Поскольку тепло в воде более эффективно передается организмам, то температура воды в 50 градусов по Цельсию будет куда опаснее, чем такая же температура воздуха. По этой причине в горячих подводных источниках процветают преимущественно бактерии, чего не скажешь о многоклеточных формах жизни. Тем не менее, существует особый вид червей, называемый paralvinella sulfincola, который с радостью обустраивается в местах, где вода достигает температур в 45-55 градусов. Учеными был проведен эксперимент, где подогревалась одна из стенок аквариума, в результате выяснилось, что черви предпочли оставаться именно в этом месте, игнорируя более прохладные места. Считается, что такая особенность выработалась у червей для того, чтобы те могли лакомиться бактериями, в изобилии водящимися в горячих источниках. Поскольку у них до этого не было естественных врагов, бактерии были сравнительно легкой добычей.
7. Гренландская полярная акула
Гренландская полярная акула - одна из самых крупных и наименее изученных акул планеты. Несмотря на то, что плавают они достаточно медленно (их может обогнать любой пловец-любитель), встречают их крайне редко. Это связано с тем, что этот вид акул, как правило, обитает на глубине в 1200 метров. Кроме того, эта акула одна из самых устойчивых к холоду. Обычно она предпочитает оставаться в воде, температура которой колеблется в промежутке между 1 и 12 градусами Цельсия. Поскольку эти акулы обитают в холодных водах, им приходится передвигаться крайне медленно, чтобы по минимуму тратить свою энергию. В пище они неразборчивы и едят все, что попадается на пути. Ходят слухи, что их срок жизни составляет порядка 200 лет, но никто до сих пор не смог подтвердить или опровергнуть его.
6. Дьявольский червь
На протяжении многих десятилетий ученые считали, что только одноклеточные организмы способны выживать на больших глубинах. По их мнению, высокое давление, недостаток кислорода и экстремальные температуры стояли на пути у многоклеточных существ. Но затем были обнаружены микроскопические черви на глубине в несколько километров. Названные halicephalobus mephisto, в честь демона из немецкого фольклора, она были обнаружены в пробах воды, на глубине в 2,2 километра от поверхности земле, залегавших в одной из пещер в Южной Африке. Им удалось пережить экстремальные условия окружающей среды, что дало возможность предположить, что на Марсе и на других планетах в нашей галактике возможна жизнь.
5. Лягушки
Некоторые виды лягушек широко известны благодаря своей способности буквально замораживаться на весь зимний период и оживать с приходом весны. В Северной Америке было найдено пять видов таких лягушек, самым распространенным среди которых является обычная древесная лягушка. Поскольку древесные лягушки не очень сильны в закапывании, то прячутся просто под опавшей листвой. В их жилах находится вещество наподобие антифриза, и хотя их сердца в конце концов останавливаются, это временное явление. Основой их техники выживания является огромная концентрация глюкозы, поступающая в кровь из печени лягушки. Что еще более удивительно, так это тот факт, что лягушки способны демонстрировать свое умение замораживаться не только в природной среде, но и в лабораторных условиях, позволяя ученым раскрыть свои секреты.
{banner_ads_inline}
4. Глубоководные микробы
Все мы знаем, что самая глубокая точка в мире - это Марианская впадина. Ее глубина достигает почти 11 километров, а давление там превышает атмосферное в 1100 раз. Несколько лет назад ученым удалось обнаружить там гигантских амеб, которых удалось заснять при помощи камеры с высоким разрешением и защищенной стеклянной сферой от того огромного давления, что царит на дне. Более того, недавняя экспедиция, отправленная самим Джеймсом Кэмероном, показала, что в глубинах Марианской впадины могут существовать и другие формы жизни. Были добыты образцы донных отложений, которые доказали, что впадина буквально кишит микробами. Этот факт поразил ученых, ведь экстремальные условия царящие там, а также огромное давление - далеко не райский уголок.
3. Bdelloidea
Коловратки вида Bdelloidea - невероятно крохотные беспозвоночные женского пола, обычно они встречаются в пресной воде. С момента их открытия, не было найдено ни одного самца этого вида, а сами коловратки размножаются бесполым путем, что, в свою очередь, разрушает их собственный ДНК. Восстанавливают они свой родной ДНК поедая другие виды микроорганизмов. Благодаря этой способности, коловратки могут выдерживать экстремальное обезвоживание, более того, они способны выдержать такие уровни радиации, которые убили бы большинство живых организмов нашей планеты. Ученые считают, что их способность восстанавливать свое ДНК появилась в результате необходимости выживания в крайне засушливой среде.
2. Таракан
Существует миф, что тараканы будут единственными живыми организмами, которые переживут ядерную войну. В самом деле, эти насекомые способны прожить без воды и пищи несколько недель, и более того, они могут неделями жить без головы. Тараканы существуют вот уже 300 миллионов лет, пережив даже динозавров. Каналом Discovery был проведен ряд экспериментов, которые должны были показать, выживут или нет тараканы при мощном ядерном излучении. В результате оказалось, что почти половина всех насекомых смогла пережить излучение в 1000 рад (такое излучение способно убить взрослого здорового человека всего за 10 минут воздействия), более того, 10% тараканов выжило при воздействии излучения в 10000 рад, что равно излучению при ядерном взрыве в Хиросиме. К сожалению, ни одно из этих маленьких насекомых не выжило после дозы излучения в 100000 рад.
1. Тихоходки
Крошечные водные организмы, называемые тихоходками, оказались самыми выносливыми организмами нашей планеты. Эти, на первый взгляд, милые животные способны пережить практически любые экстремальные условия, будь то жара или холод, огромное давление или высокая радиация. Они способны выжить некоторое время даже в космосе. В экстремальных условиях и в состоянии крайнего обезвоживания эти существа способны оставаться живыми на протяжении нескольких десятилетий. Они оживают, стоит их только поместить в водоем.
Живые организмы не составляют исключения в том смысле, что обмен энергии у них подчиняется всем обычным физическим законам. Процессы роста и поддержания жизни требуют затрат энергии, которые должны быть каким-то образом возмещены. Живые организмы поглощают из окружающей среды энергию в такой форме, чтобы ее можно было использовать в конкретных условиях их существования при данных значениях температуры и давления. Затем они возвращают в среду эквивалентное количество энергии, но уже в другой, менее доступной для них форме. Полезная форма энергии, которая требуется живой клетке, называется свободной энергией; ее можно определить просто как энергию, способную совершать работу при постоянных температуре и давлении.
Рис. 1-3. Живые организмы совершают различные виды работы за счет поглощаемой ими свободной энергии окружающей среды. Они возвращают в среду эквивалентное количество энергии в виде тепла и других форм непригодной для них энергии хаотического движения. Степень такого «обесценивания» (рассеяния) энергии можно охарактеризовать энтропией.
Менее полезный вид энергии, возвращаемый клеткой в окружающую среду, выделяется главным образом в форме тепла, которое рассеивается в среде и превращается в энергию беспорядочного движения. Таким образом, мы можем сформулировать еще один принцип молекулярной логики живого:
Живые организмы создают и поддерживают сложные, упорядоченные и целенаправленные элементы своей структуры за счет свободной энергии окружающей среды; эту энергию они затем возвращают в среду в менее пригодной для них форме.
Хотя живые организмы способны преобразовывать энергию, они кардинальным образом отличаются от обычных машин, созданных человеком. Системы преобразования энергии в живых клетках целиком построены из сравнительно хрупких и неустойчивых органических молекул, не способных выдерживать высокие температуры, сильный электрический ток, действие сильных кислот и оснований. Все части живой клетки имеют примерно одну и ту же температуру, нет в клетках и сколько-нибудь значительных перепадов давления. Отсюда можно заключить, что клетки не могут использовать тепло как источник энергии, поскольку тепло может совершать работу лишь тогда, когда оно переходит от более нагретого тела к более холодному. Клетки совсем не похожи на тепловые и электрические двигатели - наиболее знакомые нам типы двигателей.
Живые клетки представляют собой химические машины, работающие при постоянной температуре.
Это еще один принцип молекулярной логики живого состояния. Клетки используют химическую энергию для выполнения химической работы в процессе их роста и биосинтеза клеточных компонентов, а также осмотической работы, необходимой для переноса питательных веществ в клетку, и механической работы сократительного и двигательного аппаратов.
Рис. 1-4. Солнечный свет служит исходным источником всех форм биологической энергии.
Для всех живых организмов вбиосфере источником энергии служит в конечном счете солнечное излучение, которое возникает в результате реакции ядерного синтеза - слияния ядер водорода с образованием ядер гелия, протекающего на Солнце при необычайно высокой температуре. Фотосинтезирующие клетки растений улавливают энергию солнечного излучения и расходуют ее на превращение углекислого газа и воды в разнообразные богатые энергией растительные продукты, например крахмал и целлюлозу. При этом они выделяют в атмосферу молекулярный кислород. Другие организмы, не способные к фотосинтезу, получают необходимую им энергию путем окисления богатых энергией растительных продуктов атмосферным кислородом. Образующийся в результате углекислый газ и другие продукты окисления возвращаются в окружающую среду и снова вовлекаются растениями в круговорот веществ. Это дает нам основание сформулировать еще два принципа молекулярной логики живого состояния.
Энергетические потребности всех живых организмов прямо или косвенно удовлетворяются за счет солнечной энергии.
Весь растительный и животный мир (вообще все живые организмы) зависят друг от друга, поскольку между ними через внешнюю среду постоянно происходит обмен энергией и материей.
