Содержание
Почему жизнь зародилась на суше, а не в океане
Земля обладает двумя особенностями, которые стали главными предпосылками возникновения жизни. Жидкая вода служит растворителем для биохимических реакций, а тектоническая энергия может эти реакции запустить. О том, как выглядела планета, когда этот процесс только начинался, в своей книге «От атомов к древу. Введение в современную науку о жизни» рассказывает биолог Сергей Ястребов. T&P и премия «Просветитель» публикуют отрывок из главы с актуальными гипотезами ученых об истоках эволюции.
Есть несколько гипотез, более-менее детально расписывающих вероятные первые химические шаги на пути к жизни. Они отличаются в деталях, но едины в главном. Все эти гипотезы предполагают, что местами зарождения жизни были не открытые водоемы, а микрополости в грунте или минеральных осадках, куда подводилась энергия от горячих источников или от вулканов. Надо сказать, что это не такая уж новость. Например, известный швейцарский биолог Карл фон Нэгели еще в XIX веке писал по поводу зарождения жизни: «Вероятно, это случилось не в открытой воде, а во влажном слое тонкого пористого материала (песка, глины), где совместно действовали молекулярные силы твердых, жидких и газообразных тел».
Вот это мнение сейчас и стало научным мейнстримом. Где возникновение жизни наименее вероятно — так это в водной толще спокойного океана, освещенного солнцем. Там просто нет таких потоков энергии и вещества, которые зарождающаяся жизнь могла бы «оседлать» и перенаправить себе на пользу.
«От атомов к древу. Введение в современную науку о жизни»
Итак, где-то в воде, пропитывавшей окрестности древних вулканов или горячих источников, начались автокаталитические (то есть самоускоряющиеся) химические реакции, цепочки которых вскоре стали пересекаться за счет общих промежуточных продуктов и замыкаться в циклы. Главные участники этих реакций, скорее всего, были небольшими органическими молекулами, поначалу даже одноуглеродными. Но реакции-то были не простыми. Особенность любой автокаталитической реакции по определению состоит в том, что ее продукт одновременно является катализатором, то есть веществом, ускоряющим ход самой реакции. При условии достаточной сложности реакционной системы (а оно в данном случае наверняка соблюдалось: и реагентов, и продуктов было множество) автокаталитические реакции приобретают свойство саморазвития, потому что в них появляется обратная связь: небольшое изменение механизма реакции влияет на состав ее продуктов, изменение которого, в свою очередь, влияет на механизм — и так шаг за шагом.
Спустя какое-то время в системе автокаталитических реакций начали синтезироваться аминокислоты, простейшие углеводы, а там дело дошло и до полимеров — сперва простых, потом посложнее. Наконец, некоторые из этих полимеров «научились» катализировать сначала синтез друг друга (это совсем легко), а потом и воспроизводство самих себя. Иными словами, они стали репликаторами. А с появлением репликаторов автоматически включается дарвиновский механизм естественного отбора, необходимые и достаточные условия для которого — самовоспроизводство, наследственность, изменчивость и конкуренция за субстрат. Все, с этого момента биологическая эволюция запущена.
Можно не сомневаться, что на этих первых этапах жизнь была еще практически незаметной для постороннего наблюдателя (если бы, конечно, он мог тогда существовать). Это легко понять, если вообразить себя инопланетным путешественником, прибывшим пусть даже к самой колыбели земной жизни. Что он увидит? Теплый вулканический грунт, башни пористых осадков на морском дне… И все.
Ничего примечательного. Без химического анализа такой путешественник и не понял бы, с чем столкнулся.
Первыми в истории Земли полноценными репликаторами, скорее всего, были молекулы РНК. Дело в том, что из всех биологически активных молекул только РНК может выполнять сразу все жизненно важные функции: и хранение наследственной информации, и ее копирование, и катализ реакций обмена веществ. Белки и их предшественники, более простые пептиды, никогда таких возможностей не имели. Тем не менее первые пептиды наверняка появились примерно в те же времена, что и первые РНК. Это следует из чисто химических соображений. Дело в том, что синтез РНК довольно сложен, а вот аминокислоты — причем именно альфа-аминокислоты, из которых пептиды обычно состоят, — достаточно легко синтезируются из самых простых молекул, например из угарного газа (CO) и циановодорода (HC≡N), в условиях, примерно соответствующих вероятным условиям в окрестностях древних вулканов. Поэтому существование эволюционного этапа, когда автокаталитические системы состояли бы исключительно из РНК, маловероятно.
Скорее всего, эволюция пептидов и РНК была сопряженной всегда, еще со времен их гораздо более простых общих предшественников. Возможно, что дополнительной (в придачу к самокопированию) задачей первых репликаторов как раз и был катализ синтеза пептидов, влиявших на химическую среду таким образом, чтобы эти репликаторы с большей вероятностью могли выжить.
Начало эволюции жизни на Земле (до расхождения клеточных организмов на архей и бактерий). Разумеется, это гипотетический сценарий, но достаточно правдоподобный. Момент приобретения клетками (или их предшественниками) собственного механизма репликации ДНК тут намеренно не уточняется, этот вопрос все еще открыт.
С другой стороны, из современного опыта мы знаем, что белки — более мощные катализаторы, чем РНК, и их возможности в этом плане несравненно разнообразнее. Поэтому не удивительно, что те РНК, которые «научились» катализировать синтез каких-нибудь особых пептидов, получили преимущество в выживании. В результате пептиды (или уже белки?) стали использоваться репликаторами в качестве своего рода молекулярных инструментов, которыми можно было действовать на среду, повышая свои шансы уцелеть и размножиться.
Конкурируя друг с другом, РНКовые репликаторы постепенно совершенствовали способность программировать синтез белков, делая это все более и более точно. И в конце концов они «изобрели» механизм трансляции на рибосоме. Этот механизм позволяет запрограммировать всю структуру белка с абсолютной точностью — до каждой аминокислоты. И вот с этого момента возможности живой природы по созданию белков стали буквально безграничными. Заодно появились и первые вирусы — «оппортунистические» репликаторы, которые не стали заводить собственную систему синтеза белка, зато научились паразитировать на чужой.
Следующим важным эволюционным событием был перенос генетической информации с РНК на ДНК. Дело в том, что молекула РНК всем хороша, но вот химическая устойчивость у нее низкая и разрушается она довольно легко. Поэтому длительно хранить на ней генетическую информацию — дело ненадежное. Для этого предпочтителен какой-нибудь другой полимер. Им-то и стала ДНК. Если первые РНК вполне могли синтезироваться спонтанно в неживой природе, то синтез ДНК уже со всей определенностью является «изобретением» живых организмов, и эта молекула с самого начала получила единственную функцию: хранить информацию.
Ничего другого она делать не умеет. Одно-единственное преимущество, которое имеет ДНК перед РНК, — ее высокая химическая устойчивость, позволяющая долго и надежно храниться. Для того, кто владеет уникальным «ноу-хау» синтеза каких-нибудь полезных белков, это по-настоящему ценно.
Таким образом, началась эпоха великой перезаписи геномов с РНК на ДНК.
В начале этой эпохи на Земле жили РНК-содержащие организмы, которые наверняка уже освоили к тому моменту технологию точного синтеза белка. Иными словами, ДНК появилась эволюционно позже, чем трансляция. Вполне возможно, что генетическая стратегия первых ДНК-содержащих организмов была похожа на генетическую стратегию ретровирусов. В жизненном цикле вирусов этого типа есть обязательная стадия ретротранскрипции, то есть обратной транскрипции — переноса генетической информации с РНК на ДНК. А вот собственного механизма репликации ДНК у ретровирусов нет. И у клеточных организмов его тоже, скорее всего, вначале не было.
Надежные ферменты репликации (они называются ДНК-зависимые ДНК-полимеразы) появились позже. Но уж когда они появились, это дало возможность хранить на ДНК генетическую информацию непрерывно, при необходимости сразу перезаписывая ее с одной молекулы ДНК на другую. И тогда ретротранскрипция стала не нужна.
В результате образовалась самая привычная нам форма жизни: ДНК-содержащая клетка с генетической стратегией «ДНК-РНК-белок».
Признаемся честно: мы не знаем, когда именно живое вещество разбилось на клетки, отделенные от внешней среды и друг от друга замкнутыми липидными мембранами. Вполне возможно, что это произошло раньше, чем появилась репликация ДНК и исчезла обязательная ретротранскрипция.
В таком случае вполне может оказаться, что первые клетки по жизненному циклу напоминали ретровирусы (или даже классические РНК-содержащие вирусы, хотя это менее вероятно). Клеточная мембрана делит весь мир на внутреннюю среду, где химические реакции жестко контролируются геномом, и окружающую среду, где контроль гораздо менее жесткий, требует специальных инструментов (например, выделения из клетки каких-нибудь белков) и где его приходится делить с обладателями других геномов, конкурируя с ними за влияние.
Кроме того, клеточная мембрана придает геному целостность, резко ограничивая обмен генетическими элементами с окружающей средой и защищая генетическую систему от генетических паразитов. Только с этого момента приобретает реальный смысл понятие особи, индивидуума, — слово, которое по латыни значит «неделимый».
Парадоксальным образом размножаются все живые клетки именно делением. Материнская клетка делится на две дочерние, которые получают достаточно точные копии ее генома. Цепь последовательно делящихся клеток — это цепь прямых, без всяких метафор, предков и потомков. Иногда потомки одной и той же клетки оказываются в разных условиях (или получают разные мутации) и начинают под действием естественного отбора накапливать различия. Тогда мы можем заметить, что линия предков и потомков ветвится.
Первым таким ветвлением было разделение всех клеточных организмов на архей и бактерий. Оно произошло точно раньше, чем появился полноценный механизм репликации ДНК, и наверняка раньше, чем появились клеточные мембраны современного типа.
А это означает, что типичные (с нашей точки зрения) клетки, окруженные липидной мембраной и имеющие генетическую стратегию «ДНК-РНК-белок», с самого начала существовали в виде двух расходящихся эволюционных ветвей. Так возникло древо жизни.
Ученые смогли объяснить, как зарождалась жизнь на Земле
Исследователи сумели лучше понять, как именно на нашей планете зародилась жизнь 4 млрд лет назад. Оказалось, что из смеси химических веществ, заполнявших водоемы молодой Земли, случайным образом формировались аминокислоты, из них — белковые соединения, а затем — более сложные нуклеиновые кислоты.
«Более фундаментальная задача — вопрос о существовании Бога»
Жизнь на Земле появилась благодаря метеоритам из космоса. Физику данного процесса и то, почему этому…
15 апреля 17:00
Жизнь появилась на нашей планете спустя примерно полмиллиарда лет после возникновения Земли, то есть около 4 млрд лет назад: именно тогда зародился первый общий предок всех живых существ.
Он представлял собой одну-единственную клетку, генетический код которой включал в себя несколько сотен генов. У этой клетки было все необходимое для жизни и дальнейшего развития: механизмы, отвечающие за синтез белков, воспроизводство наследственной информации и выработку рибонуклеиновой кислоты (РНК), которая также ответственна за кодирование генетических данных.
Ученые понимали, что первый общий предок всех живых существ зародился из так называемого первичного бульона — аминокислот, возникших из соединений воды с химическими элементами, которыми были наполнены водоемы молодой Земли.
Возможность формирования аминокислот из смеси химических элементов была доказана в результате эксперимента Миллера — Юри, о котором «Газета.Ru» рассказывала несколько лет назад. В ходе опыта Стэнли Миллер смоделировал в пробирках атмосферные условия Земли около 4 млрд лет назад, заполнив их смесью газов — метана, аммиака, углерода и монооксида углерода, — добавив туда воды и пропуская через пробирки электрический ток, который должен был производить эффект разрядов молний.
В результате взаимодействия химических веществ Миллер получил в пробирках пять аминокислот — основных строительных блоков всех белков.
Спустя полвека, в 2008 году, исследователи провели повторный анализ содержимого пробирок, которые Миллер сохранил в неприкосновенности, и выяснили, что на самом деле смесь продуктов содержала вовсе не 5 аминокислот, а 22, просто автор эксперимента не смог идентифицировать их несколько десятилетий назад.
После этого перед учеными встал вопрос о том, какие из трех основных молекул, содержащихся во всех живых организмах (ДНК, РНК или белки), стали следующей ступенью формирования жизни. Сложность этого вопроса заключается в том, что процесс образования каждой из трех молекул зависит от двух других и не может быть осуществлен в ее отсутствие.
Таким образом, ученые должны были либо признать возможность формирования сразу двух классов молекул в результате случайной удачной комбинации аминокислот, либо согласиться с тем, что структура их сложных взаимосвязей образовалась спонтанно, уже после возникновения всех трех классов.
На Марсе родились, на Марс и вернемся
Ученые обосновали версию марсианского происхождения жизни на Земле. У желающих колонизировать планету на то…
01 сентября 13:10
Проблема была разрешена в 1980-х годах, когда Томас Чек и Сидней Олтмен открыли способность РНК существовать полностью автономно, выступая ускорителем химических реакций и синтезируя новые, аналогичные себе РНК. Это открытие привело к появлению «гипотезы мира РНК», впервые высказанной микробиологом Карлом Везе в 1968 году и окончательно сформулированной биохимиком, лауреатом Нобелевской премии по химии Уолтером Гилбертом в 1986 году. Суть этой теории заключается в том, что основой жизни признаются молекулы рибонуклеиновой кислоты, которые в процессе самовоспроизведения могли накапливать мутации. Эти мутации в конечном итоге привели к способности рибонуклеиновой кислоты создавать белки. Белковые соединения являются более эффективным катализатором, чем РНК, и именно поэтому создавшие их мутации закрепились в процессе естественного отбора.
Одновременно с этим сформировались и «хранилища» генетической информации — ДНК. Рибонуклеиновые кислоты сохранились как посредник между ДНК и белками, выполняя множество различных функций:
они хранят информацию о последовательности аминокислот в белках, переносят аминокислоты в места синтеза пептидных связей, принимают участие в регулировании степени активности тех или иных генов.
На данный момент у ученых нет однозначных доказательств того, что подобный синтез РНК в результате случайных соединений аминокислот возможен, хотя определенные подтверждения этой теории есть: так, в 1975 году ученые Манфред Сампер и Рудигер Льюс продемонстрировали, что при определенных условиях РНК может спонтанно возникнуть в смеси, содержащей только нуклеотиды и репликазу, а в 2009 году исследователи из Университета Манчестера доказали, что уридин и цитидин — составляющие части рибонуклеиновой кислоты — могли синтезироваться в условиях ранней Земли. Тем не менее некоторые исследователи продолжают критиковать «гипотезу мира РНК» из-за чрезвычайно низкой вероятности спонтанного возникновения рибонуклеиновой кислоты, обладающей каталитическими свойствами.
Астероиды набомбили земную жизнь
Небесные тела, которые бомбардировали Землю и Луну около 4 млрд лет назад и, возможно, «заразили»…
18 мая 11:06
Ученые Ричард Вульфенден и Чарльз Картер из Университета Северной Каролины предложили свою версию формирования жизни из первичного «строительного материала». Они полагают, что аминокислоты, сформировавшиеся из набора существовавших на Земле химических элементов, стали базой для образования не рибонуклеиновых кислот, а других, более простых веществ — белковых ферментов, которые сделали возможным появление РНК. Исследователи опубликовали результаты своей работы в журнале PNAS.
Ричард Вульфенден проанализировал физические свойства 20 аминокислот и пришел к выводу, что аминокислоты могли самостоятельно обеспечивать процесс формирования структуры полноценного белка. Эти белки, в свою очередь, являлись ферментами — молекулами, ускоряющими химические реакции в организме. Чарльз Картер продолжил работу своего коллеги, показав на примере фермента под названием аминоацил-тРНК-синтетаза то огромное значение, которое ферменты могли играть для дальнейшего развития основ жизни: эти
белковые молекулы способны распознавать транспортные рибонуклеиновые кислоты, обеспечивать их соответствие участкам генетического кода и тем самым организовывать верную передачу генетической информации последующим поколениям.
По мнению авторов исследования, им удалось найти то самое «недостающее звено», которое было промежуточным этапом между образованием аминокислот из первичных химических элементов и складыванием из них сложных рибонуклеиновых кислот. Процесс образования белковых молекул достаточно прост по сравнению с образованием РНК, а его реалистичность была доказана Вульфенденом на примере изучения 20 аминокислот.
Выводы ученых дают ответ и еще на один вопрос, в течение долгого времени волновавший исследователей, а именно: когда произошло «разделение труда» между белками и нуклеиновыми кислотами, к которым относятся ДНК и РНК. Если теория Вульфендена и Картера верна, то можно смело утверждать: белки и нуклеиновые кислоты «поделили» между собой основные функции на заре возникновения жизни, а именно около 4 млрд лет назад.
«Нет воды, нет жизни. Ни синего, ни зеленого»
Открыть в отдельном окне
Патрисия Госли (род. 1960), Water Prayer I, 2005. Холст, акрил, 11 дюймов × 17 дюймов/28 см × 43 см.
Цифровое изображение предоставлено художником.
«Тысячи жили без любви, ни один без воды».
—В. H. Auden, «First Things First»
Вода — самый ценный и необходимый природный ресурс. В чистом виде и при комнатной температуре он безвкусен, не имеет запаха (для человека) и прозрачен. Вода поддерживает жизнь, изменяет топографию, обеспечивает проход и транспорт, а также очерчивает и разрушает геополитические границы. Вода составляет ≈71% поверхности Земли, и, по оценкам Геологической службы США, поверхность Земли покрыта более чем 332 500 000 кубических миль (миль 3 ) воды. Археология, история и антропология подтверждают, что большинство цивилизаций возникло у воды. Американский морской биолог Сильвия Эрл предлагает такую точку зрения: «Нет воды, нет жизни. Ни синего, ни зеленого».
Яркие синие и зеленые вкрапления со слоями белых всплесков на обложке этого месяца «Водная молитва I», одной из серии работ, связанных с водой, из портфолио художницы Патриции Госли, которая живет в Вашингтоне, округ Колумбия, США.
. Ее абстрактная работа указывает на возможность изменчивости и трансформации в воде. Туманная штриховка проходит через верхнюю часть картины и повторяется в правом нижнем углу. Зеленые и бледно-голубые цветные сферы плавают над узорами. Доминирующее на изображении плотное V-образное нагромождение крапчатых фигур — одни однородные, другие удлиненные — пересекает центр холста по диагонали, а вдоль левой стороны выступает колонна волнистых форм.
Картину Госли на водную тематику можно рассматривать с разных точек зрения. Его можно воспринимать как захват изобилующего скопления микроорганизмов, населяющих каплю воды. И наоборот, он может напоминать пресловутый вид с высоты 10 000 футов, растянутое слияние города и дельты реки, переплетенных дорогами, каналами и озерами и усеянных зданиями, полями, лесами и городами, если смотреть из иллюминатора самолета.
Это может быть выбор зрителя, потому что Госли, предпочитающая красочный и интуитивный стиль, подходит к своим картинам без предвзятого плана.
По ее словам: «Каждый раз, когда я начинаю, это чистый лист. Делаю отметки, двигаю и наливаю краску на холст. Иногда я использую аэрозольную краску, а иногда рисую на поверхности картин. Все это развивается и, в конечном счете, является практикой, которая позволяет мне обрабатывать мой опыт мира». (П. Госли, личная беседа, 11 февраля 2018 г.)
«Поток» — выставка работ Госли, представленная в Центре искусств округа Колумбия в 2009–2010 годах. Заметки с этой выставки также дают представление о ее стиле живописи: «Наиболее очевидным объединяющим элементом в работах Госли в смешанной технике является узор: слои цвета и формы действуют как визуальная метафора слоев осознания. Достигаемые результаты часто изображают отдельные моменты, визуализации».
Вода необходима для жизни и сохранения здоровья, но при определенных обстоятельствах она может быть резервуаром и каналом для патогенов, которые могут привести к болезни и смерти. Вода используется множеством способов для поддержания гигиены, возможно, мытье рук имеет решающее значение для предотвращения распространения организмов, ответственных за такие разнообразные заболевания, как грипп и другие респираторные инфекции, диарейные заболевания и инфекции, связанные с оказанием медицинской помощи в больницах.
Вода имеет решающее значение для стерилизации: пар под давлением уже давно используется для стерилизации для предотвращения распространения инфекций многоразовыми хирургическими инструментами.
Вода является источником инфекций международного и местного значения. Vibrio cholerae , который охотится на территории без надлежащего доступа к чистой воде и системам санитарии, стал причиной 7 пандемий с 19 века, унесших жизни миллионов людей по всему миру. Этот организм остается эндемичным для многих стран. Legionella pneumophila передается при вдыхании загрязненных аэрозолей из градирен, декоративных фонтанов, резервуаров для горячей воды, больших водопроводных систем и т.п. Совсем недавно сложные устройства, использующие воду и канализацию, были идентифицированы как места биопленок, содержащих патогены. Биопленки могут образовываться на различных поверхностях, связанных с водой, включая живые ткани, постоянные медицинские устройства, трубопроводы систем промышленного или питьевого водоснабжения и природные водные системы.
Во всем мире сообщалось об инфекциях в области хирургического вмешательства, вызванных нетуберкулезными микобактериями, связанными с нагревательными и охлаждающими устройствами, используемыми во время кардиохирургических операций. Pseudomonas aeruginosa и другие высокоустойчивые микроорганизмы были причиной вспышек, связанных с системами сточных и водопроводных вод в медицинских учреждениях.
Антибиотики сами по себе могут загрязнять воду. Группа исследователей обнаружила концентрации фармацевтических препаратов, в том числе уровни ципрофлоксацина, превышающие уровни, обнаруженные в крови людей, принимающих этот антибиотик, в сточных водах станции очистки воды, которая обслуживала около 90 производителей лекарств в Индии. Они изучали бактерии в речных отложениях и обнаружили генетические материалы, которые потенциально могут придавать устойчивость к ципрофлоксацину и другим антибиотикам.
Одно из самых распространенных и незаменимых соединений, протекающих сквозь искусство, литературу, историю и науку.
Для воды существует множество различных названий, и их каталогизация оказалась бы трудной и сложной задачей. Потратив несколько минут на размышления о «Молитве о воде I» Госли, мы сможем выйти за рамки слов и просто оценить, насколько важна вода для жизни и здоровья.
Рекомендуемая ссылка для этой статьи : Breedlove B, Weber JT. Нет воды, нет жизни. Ни синего, ни зеленого. Эмердж Инфекция Дис. 2018 апр [ дата указана ]. https://doi.org/10.3201/eid2404.AC2404
1. Центры по контролю и профилактике заболеваний. Здоровая вода [цитируется 20 февраля 2018 г.]. https://www.cdc.gov/healthywater/
2. Декер Б.К., Палмор, Т.Н. Роль воды в лечении внутрибольничных инфекций.
Curr Opin Infect Dis. 2013;26:345–51. 10.1097/QCO.0b013e3283630adf [бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
3. Центр искусств округа Колумбия. Пэт Госли: Поток. Работы Пэта Госли в смешанной технике [цитировано 16 февраля 2018 г.]. https://dcartscenter.org/2009/11/21/pat-goslee-flow-ноябрь-21-январь-4/
4.
Донлан Р.М. Биопленки: микробная жизнь на поверхностях.
Эмердж Инфекция Дис. 2002; 8: 881–90. 10.3201/eid0809.020063 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
5. Earle S. Мое желание: защитить наши океаны [цитируется 16 февраля 2018 г.]. https://www.ted.com/talks/sylvia_earle_s_ted_prize_wish_to_protect_our_oceans/transcript
6. Джарен П., Тонгбо С. Как вода влияет на нашу жизнь. Пекин (Китай): Chemical Industry Press/Springer; 2017. с. 19–37. [Google Scholar]
7. Ларссон Д.Г., де Педро С., Паксеус Н. Сточные воды с фармацевтических производств содержат очень большое количество фармацевтических препаратов.
Джей Хазард Матер. 2007; 148:751–5. 10.1016/j.jhazmat.2007.07.008 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
8. Лубик Н. Инструменты для отслеживания устойчивости к антибиотикам.
Перспектива охраны окружающей среды. 2011;119:A214–7. 10.1289/ehp.119-a214 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
9. Lyman MM, Grigg C, Kinsey CB, Keckler MS, Moulton-Meissner H, Cooper E, et al.
Инвазивные нетуберкулезные микобактериальные инфекции у кардиоторакальных хирургических больных, подвергшихся воздействию нагревательно-охлаждающих устройств.
Эмердж Инфекция Дис. 2017;23:796–805. 10.3201/eid2305.161899 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
10. Национальное управление океанических и атмосферных исследований, Национальная служба океанов. Сколько воды в океане? [цитировано 20 февраля 2018 г.] https://oceanservice.noaa.gov/facts/oceanwater.html
Как жизнь совершила необыкновенный переход от воды к суше | Коди Уэлч | Все науки
Замечательный эволюционный путь жизни на нашей планете, от ее раннего происхождения до момента, когда наши предки начали ходить по земле.
Художественная визуализация Тиктаалика, волочащегося по грязевым отмелям. Фото Ntvtiko на Deviant Art
Почти 4 миллиарда лет назад жизнь на планете Земля была создана силами химии и естественного отбора.
Несмотря ни на что, на большом камне, парящем в космосе, в нашем маленьком кармане космоса начали появляться самые первые одноклеточные организмы. В течение нескольких миллиардов лет жизнь постепенно начала обретать форму. И однажды она разовьется и диверсифицируется во многие формы жизни, присутствующие сегодня на Земле.
Процесс, который позволяет зародиться жизни, остается тайной. Тот, который ученые очень хотят решить. Но мы знаем, что жизнь зародилась именно в это время. И мы знаем, что это началось в воде.
Вода является наиболее важным компонентом для развития жизни на нашей планете. Без него химические реакции не имели бы жидкого раствора, необходимого для производства органических строительных блоков жизни. К счастью, на нашей планете было много воды, поставляемой обширными океанами, в основном засеянными астероидами во время раннего формирования нашей Солнечной системы.
Эти первобытные океаны стали идеальным местом для возникновения органической химии.
Химические вещества могли легко перемещаться и взаимодействовать друг с другом, солнечный свет был легко доступен у поверхности, пищи было достаточно, и организмам не нужно было поддерживать свой вес против сил гравитации. Сцена была установлена. Но жизнь не была гарантирована.
Чтобы жизнь удалась, нужно было преодолеть множество препятствий. Во-первых, мертвая химия должна собраться вместе, чтобы сформировать сложные молекулы, такие как липиды для клеточных мембран, углеводы для различных сахаров и аминокислоты для синтеза белка. Но самое главное, ему нужен был способ производства самовоспроизводящихся молекул, которые могли бы меняться и эволюционировать с течением времени: ему нужно было производить ДНК.
Еще предстоит выяснить, как силы химии и физики добились этого. Однако, как только это произошло, одноклеточные организмы начали процветать, образуя коврики из микробов, которые покрывали первобытные океаны. Но для того, чтобы эти микробы росли и диверсифицировались во многие формы жизни, которые мы видим сегодня, они должны были стать значительно более сложными.
Для начала им нужно было построить чрезвычайно сложные конструкции. И чтобы это произошло, им нужно было гораздо более эффективно использовать энергию из своего окружения. Это потребовало бы экстраординарного подвига в биологической эволюции. Тот, который определил бы траекторию жизни на планете Земля. И примерно 2 миллиарда лет назад это произошло.
Одна клетка, плавающая в первозданном море, поглотила другую клетку, установив древнюю связь, которая существует в каждом живом сегодня растении, животном и грибе. Та клетка, которая была поглощена, станет известна как электростанция клетки (митохондрии), и она будет производить огромное количество энергии, необходимой ее хозяину (эукариоту) для создания сложных структур, таких как органеллы, цитоскелеты и ядра для своей ДНК. .
В этот знаменательный момент земной истории сформировалась новая линия сложной жизни, проложившая путь биологической эволюции к следующему важному шагу в возникающей сложности.
Этот шаг означал поиск способа тесного сотрудничества небольших одноклеточных организмов для формирования первой многоклеточной жизни на Земле.
Как это произошло, тоже не совсем понятно. Но когда это случилось, пути назад уже не было. И примерно 540 миллионов лет назад многоклеточная жизнь начала быстро диверсифицироваться в большое разнообразие сложных форм жизни, образуя почти все типы животных, существующие сегодня на Земле.
Художественное представление разнообразия жизни, существовавшей в кембрийский период. Photo by Ntvtiko на Deviant Art
Этот момент быстрой эволюционной диверсификации известен как Кембрийский взрыв, представляющий собой глубокую трансформацию в истории Земли. До этого момента большая часть жизни была относительно небольшой, одноклеточной и простой. Но впоследствии планету покрыло большое разнообразие организмов с животным строением тела, наполнив наши океаны животными самых разных форм и размеров.
Водные экосистемы Земли были гораздо более динамичными, чем когда-либо прежде. Земные континенты окружали обширные мелководные моря, и морская жизнь процветала в этих богатых средах, медленно заполняя все доступные им ниши.
Со временем эти водные существа продолжали расширяться и диверсифицироваться, и некоторые из них в конечном итоге превратились в первых настоящих рыб, которые однажды будут доминировать в наших океанах.
На суше, похоже, ничего особенного не происходило. Сухая поверхность земли казалась лишенной жизни, а океаны кишели сложными многоклеточными организмами.
Но жизнь на суше не отсутствовала полностью. Там жили микробы, потенциально формировавшие самые ранние наземные экосистемы еще 2,7 миллиарда лет назад. На суше были также лишайники, мхи и очень простые фотосинтезирующие растения. Возможно, там даже жили примитивные формы грибов.
По сравнению с этим земля казалась бесплодной. Но на самом деле он содержал микробные экосистемы, покрывавшие планету. Со временем эти микробы создали большие запасы богатой углеродом почвы и способствовали значительному увеличению содержания кислорода в земной атмосфере. И, в конце концов, была подготовлена почва для новой волны земной эволюции.
500 миллионов лет назад растения были на пути к колонизации планеты. И вскоре после этого беспозвоночные членистоногие, в том числе насекомые, многоножки, скорпионы и пауки, начали двигаться, постепенно продвигаясь по суше примерно 420 миллионов лет назад.
Наконец, 375 миллионов лет назад земля выглядела вполне прилично. На нем были сосудистые кустарниковые растения и членистоногие, многие из которых были полностью приспособлены к наземной жизни на Земле. Деревья были в изобилии, образуя обширные леса и навесы, покрывавшие континенты. И тут произошло нечто экстраординарное. Самые первые позвоночные начали передвигаться по суше.
Художественное изображение девонского пейзажа примерно 375 миллионов лет назад. Фото Эдуард Риу
Но нашим позвоночным предкам было нелегко приспособиться к жизни на суше. Им нужны были конечности, чтобы противостоять гравитации, системы газообмена, чтобы дышать кислородом из земной атмосферы, приспособления, чтобы избежать высыхания, и репродуктивные системы, оплодотворение которых не зависело от воды.
Это был очень сложный заказ. Совершить прыжок от плавания в океане к ходьбе по суше казалось практически невозможным. Так как же они это провернули? Как костистые рыбы, живущие в океане, перешли к жизни на суше? А как выглядел этот рыбоподобный предок?
Чтобы ответить на эти вопросы, мы должны оглянуться назад во времени на организмы, которые предшествовали этому переходу. Было несколько предпосылок, которые наши предки должны были приобрести, прежде чем они могли совершить этот прыжок. Для начала им нужно было приобрести легкие.
Судя по летописи окаменелостей, легкие на самом деле не возникли, когда рыбы эволюционировали, чтобы ходить по суше. Они возникли гораздо раньше, в раннем девоне, когда в море стали доминировать позвоночные рыбы. В то время у рыб было очень часто иметь и легкие, и жабры. Они использовали свои жабры, когда находились в воде, и легкие, когда им требовался кислород из воздуха. Но зачем рыбам понадобилось два источника кислорода?
Если коротко, то концентрация кислорода в воде менялась в течение девона.
Иногда оно было очень высоким. В другое время она была намного ниже. Эти колебания уровня кислорода означали, что, когда содержание кислорода в воде было высоким, рыбы могли использовать свои жабры. Когда он был низким, они могли полагаться на свои легкие как на вспомогательный орган для глотания воздуха с поверхности.
Сосуществование легких и жабр также наблюдается у многих современных рыб. Например, у таких рыб, как латимерия и двоякодышащая рыба, настоящие легкие, как и у нас, имеют дольки, альвеолы и сложную микроструктуру. И гены, которые их строят, очень похожи на гены, которые строят наши легкие. Но самое интересное то, что у них также есть жабры, которые являются совершенно отдельными органами.
Изображение латимерии западной части Индийского океана. Photo by Цитрон / CC-BY-SA-3.0
Дыхание кислородом из воздуха было важной адаптацией для наших самых ранних предков, чтобы однажды жить на суше. Но важно понимать, что они не приобрели легкие в качестве грандиозной подготовки к этому переходу к земной жизни.
Легкие возникли независимо, чтобы помочь рыбам дышать кислородом в этих ранних обедненных кислородом средах. Только позже они были перепрофилированы для наземной жизни, когда позвоночные начали перемещаться на сушу.
И это подводит нас к следующей части нашей истории. В какой-то момент позвоночные костистые рыбы, покрытые плавниками, господствовали в океанах и жили исключительно в воде. Затем в течение относительно короткого промежутка времени четвероногие четвероногие ходили по земле с двумя руками и двумя ногами. Как это случилось?
Начнем с того, что когда первые настоящие рыбы появились в наших океанах вскоре после Кембрийского взрыва, у них сразу же начали развиваться придатки, помогающие ориентироваться в воде. Первыми из этих придатков были спинные плавники, непарные одиночные плавники, которые располагались сверху рыбы, как парус. Эти плавники в основном использовались, чтобы стабилизировать морских животных от качения и помогать при резких поворотах.
Спинные плавники очень эффективно помогали рыбе двигаться в воде.
Настолько эффективно, что генетический механизм, использованный для их создания, позже был использован для создания парных грудных и брюшных плавников, что дало рыбам еще больший контроль над окружающей средой. Они также были привлечены для создания других непарных плавников , таких как хвостовой плавник и жировой плавник.
Изучая области молекулярной биологии и генетики, мы обнаруживаем, что многие гены, отвечающие за формирование спинного плавника у лучепёрых рыб, также участвуют в формировании парных плавников. По сути, это означает, что вместо того, чтобы создавать наборы парных плавников с нуля, генетический код, используемый для создания спинных плавников, был просто скопирован и вставлен для их создания.
Это очень распространенный процесс эволюции. Когда ген или набор генов возникают для создания органа, такого как спинной плавник, они часто перепрофилируются для создания новых структур, таких как парные плавники. По сути, как только естественный отбор вырабатывает рецепт успешного создания чего-либо, этот рецепт можно затем повторно использовать в другом месте по мере необходимости — нет необходимости изобретать велосипед.
У костистых лучепёрых рыб, таких как лантернфиш, есть плавники по всему телу. 1 – парные грудные плавники, 2 – парные брюшные плавники, 3 – спинной плавник, 4 – жировой плавник, 5 – анальный плавник, 6 – хвостовой плавник. Photo by Lukas3 / CC BY-SA 1.0
Со временем некоторые костистые рыбы стали проводить больше времени в мелководных пресноводных экосистемах, полных корней и пышной растительности. Парные плавники очень хорошо помогали им ориентироваться в этих средах. Но из-за того, что уровень воды был таким низким, им требовался способ более легкого перемещения по этим неглубоким местам обитания. И со временем парные плавники постепенно модифицировались, чтобы облегчить движение по морскому дну.
К середине девона эти обитающие на мелководье рыбы успешно адаптировались к новым условиям, у них развились крепкие и мясистые лопастные плавники, благодаря которым они хорошо приспособились к передвижению по мелководным рекам и ручьям.
Их лопастные плавники давали им столь необходимое преимущество перед их лучеперыми родственниками. И они были настолько успешными, что кистепёрые рыбы превратились в чрезвычайно разнообразную группу костистых рыб в этих пресноводных экосистемах.
Примечательно, что в то время как парные плавники адаптировались, чтобы помочь водным существам перемещаться по мелководью, спинной плавник практически устарел. Жидкостное моделирование, по-видимому, предполагает, что наличие спинного плавника чрезвычайно затрудняет перемещение из стороны в сторону на мелководье в пресноводной среде, поэтому спинной плавник, вероятно, мешал. Неудивительно, что спинной плавник был вырезан из генофонда и полностью утрачен в нашей эволюционной истории. И мы можем ясно видеть это сегодня, поскольку ни у одного четвероногого на Земле нет спинного плавника.
В конце концов, группа этих кистеперых рыб начала выползать на сушу. Их плавники имели сочленения, которые очень напоминали конечности современных четвероногих, и они хорошо подходили для передвижения по илистым отмелям.
Они проводили часть своего времени в воде и часть своего времени на суше. И со временем они постепенно расширили свою территорию и начали заполнять многочисленные ниши, которые могла предложить земля.
Наконец, к позднему девону четвероногие успешно перешли к наземной жизни и передвигались на четырех конечностях. За относительно короткий период времени (в геологическом масштабе времени) позвоночные перешли от жизни исключительно в воде к жизни на суше. И хотя большинство позвоночных продолжали бы доминировать в океанах, те, что ходили по земле, в конечном итоге диверсифицировались и эволюционировали во всех амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих, живущих сегодня.
Эволюция рыб от кембрийского периода до наших дней в виде веретенообразной диаграммы. Ширина веретен пропорциональна количеству семей, что является приблизительной оценкой разнообразия. Основано на Benton , M. J. (2005) Vertebrate Palaeontology , Blackwell, 3-е издание
Переход к жизни за пределами водных экосистем — поистине выдающийся подвиг в биологической эволюции.
Жизнь чрезвычайно зависит от воды, и может быть трудно представить, почему какое-либо морское животное, живущее на земле, предпочло бы жить в чужой земной среде, когда они были так хорошо приспособлены к жизни в воде.
Есть несколько причин, по которым ранние лопастные рыбы могли быть изгнаны из воды. Давайте вспомним, что кистеперый предок четвероногих изначально покинул океан, чтобы заполнить ниши мелководных пресноводных экосистем. Они распространились по древним рекам и ручьям и хорошо приспособились к этим условиям. Но они были не одиноки в этих неглубоких местах обитания.
Реки и ручьи были полны хищников. Некоторые из них были до 15 футов в длину с гигантскими зубами. Это был настоящий мир, богатый хищниками, и выжить было бы очень непросто. В среде, насыщенной хищниками, как эта, на самом деле мало что можно сделать, кроме как адаптироваться и позволить естественному отбору делать свою работу.
В эволюции существует всего несколько стратегий, позволяющих успешно адаптироваться к миру рыб, питающихся рыбой.
Один из вариантов — стать намного больше, чтобы избежать угрозы быть съеденным другой рыбой. Другой вариант — разработать много доспехов для защиты от крупных хищников. Это стратегия, которую плакодермы использовали в океане, и она оказалась настолько успешной, что они стали самыми разнообразными и многочисленными позвоночными рыбами в девонский период.
Другой вариант — разработать стратегии полного избегания хищников. Если вы можете успешно уберечь себя от опасности, нет необходимости разрабатывать тонны брони. И это была устойчивая стратегия выбора для наших ранних предков. В воде каждый день был риск быть съеденным. Но на суше о хищниках беспокоиться не приходилось. Не было конкурентов. И было много источников пищи и незаполненных ниш для распространения.
С легкими и мясистыми лопастными плавниками, которые развились для жизни на мелководье, наши предки имели все инструменты, необходимые для того, чтобы вытащить себя на берег. Вначале они, вероятно, проводили большую часть своего времени в воде, выбираясь на сушу, чтобы спастись от хищников и найти источники пищи.
И со временем они продолжат приспосабливаться и заполнять новые земные ниши, предоставленные сосудистыми растениями и членистоногими, которые колонизировали землю до них.
Природа жизни на планете Земля состоит в том, чтобы протянуть руку и заполнить каждую доступную нишу. А поскольку у планет ограниченная пропускная способность, если вид хочет процветать и процветать, ему нужно искать новые места для распространения. Выход на сушу может показаться странным для рыбы, но если у нее есть для этого средства, то именно этого и следует ожидать. И мы должны быть благодарны за это; иначе нас бы сегодня здесь не было.
Как жизнь перешла из воды на сушу, когда-то было большой загадкой. Фактически, до 2004 года мы понятия не имели, как выглядело это промежуточное рыбоподобное животное. Из летописи окаменелостей мы знали, что около 365 миллионов лет назад на суше обитало много животных с конечностями. И мы знали, что около 385 миллионов лет назад было много рыб, которые начинали походить на животных с конечностями.
Но мы понятия не имели, что существует между ними.
Тем не менее, благодаря дедуктивным рассуждениям у биологов-эволюционистов были довольно хорошие предположения относительно того, как могло выглядеть это недостающее звено. Основываясь на летописи окаменелостей, они предположили несколько вещей. Это была рыба с кистеперыми плавниками. У него была мясистая пара плавников с костями внутри. И у него были и легкие, и жабры.
Это было отличное начало. Это было подтверждено летописью окаменелостей. И было много ярких примеров, таких как латимерия и плавающие двоякодышащие рыбы, которые имели эти черты. Все, что отсутствовало, — это конкретное свидетельство в палеонтологической летописи существования такого существа. К счастью, один человек был готов к работе.
Нил Шубин, палеонтолог, биолог-эволюционист и профессор Чикагского университета, решил, что не успокоится, пока не найдет это великое недостающее звено. Но для этого потребовалось бы много мужества и самоотверженности, потому что найти окаменелость, подобную этой, было бы непростой задачей.
Слева направо Тед Дешлер, Нил Шубин, Джош Миллер и Маркус Дэвис исследуют канадский ландшафт острова Элсмир в поисках окаменелостей позвоночных. Фото: Tangled Bank Studios/PBS
Чтобы найти окаменелость, палеонтологам нужно найти несколько вещей. Во-первых, им нужно искать места на земле с камнями как раз подходящего возраста. В этом случае золотым пятном будут породы позднего девона, примерно 375 миллионов лет назад. Это ставит нас прямо перед тем, как четвероногие начали ходить по суше, и вскоре после этого на мелководье плавали кистепёрые рыбы.
Чтобы определить возраст горных пород на Земле, в распоряжении ученых есть очень мощный инструмент: предсказание распада радиоактивных изотопов. Короче говоря, радиоактивный изотоп — это, по сути, очень нестабильная версия атома, которая несет в своем ядре больше нейтронов, чем должно. Со временем эти изотопы медленно распадаются на более стабильные формы, причем с очень предсказуемой скоростью.
К счастью, радиоактивные изотопы содержатся во многих горных породах земной коры, что дает палеонтологам идеальный инструмент для определения их возраста, а впоследствии и возраста любых окаменелостей, находящихся в них.
После того, как был выбран список потенциальных кандидатов, датируемых 375 миллионами лет назад, следующим шагом будет поиск горных пород, которые могут содержать ископаемые, которые мы ищем. Другими словами, нам нужно выбрать породы, сформировавшиеся в ранней среде, в которой организм, вероятно, жил в то время.
В этом случае Нил Шубин обратил свое внимание на места на земле, где когда-то были древние реки и ручьи, специально отыскивая камни, образовавшиеся в речных дельтах. Это было идеальное место для поиска, потому что из летописи окаменелостей мы знали, что в это время в этих средах плавало много кистеперых рыб.
Единственное, что осталось сделать, это найти камни, которые Нилу и его команде будет легко достать для исследования. Если бы камни были слишком глубокими, было бы практически невозможно найти то, что они искали.
В идеале интересующие породы должны находиться вблизи поверхности, где их можно было бы легко изучить. И, как оказалось, лучшее место для поиска было в канадской Арктике.
В канадской Арктике было все, что искала команда Нила. В нем были горные породы возрастом примерно 375 миллионов лет назад. И эти камни были действительно хорошо обнажены на поверхности земли, поэтому им не нужно было копать очень глубоко, чтобы найти окаменелость. Самое главное, эти скалы когда-то были частью больших тропических лесов с дельтами древних рек, именно там, где в то время, вероятно, находилось наше недостающее звено.
Может показаться странным думать, что влажные тропические леса и жизнь, которая когда-то там обитала, могли быть скрыты в скалах канадской Арктики, места, которое сегодня очень холодное и полное ледников. Но 375 миллионов лет назад эти породы находились совсем в другом месте. Тогда они были очень близко к экватору и были полны пышных тропических экосистем. Они только там, где они сегодня, из-за континентального движения земной коры, медленно перемещающегося на север в течение сотен миллионов лет.
Чтобы знать, где искать, команда Нила использовала спутниковые аэрофотоснимки для поиска подходящих мест. Они начали в западной части Арктики в 1999 году, но ничего не нашли. Затем они двинулись дальше на восток, к острову Элсмир, где с геологической точки зрения было много древних рек и ручьев. Здесь они начали находить все виды окаменелых кистеперых рыб, но только фрагменты, а не целые скелеты. Они были на правильном пути.
После обнаружения большого количества зубов, частичных челюстей, фрагментов черепа и других неполных окаменелостей они решили снова переехать в место, где реки и ручьи были более пологими, где окаменелости не были бы разорваны на части в течение длительного времени. . Это привело их в красивую долину, в которой было множество окаменелостей. И вот тогда они его и нашли: плоская голова, торчащая из камней, прикрепленная к нашему давно потерянному недостающему звену.
Нил Шубин держит окаменелость тиктаалика в канадской Арктике. Фото: Tangled Bank Studios/PBS
После долгих 6 лет поисков Нил Шубин и его команда нашли последнее недостающее звено, которое ознаменовало эволюционный переход от рыб к четвероногим.
Найденная ими окаменелость представляла собой целый скелет, вытянувшийся на 4 фута в длину и удивительно обладавший всеми чертами, которые они искали.
Это была рыба с плоской головой в форме головы животного с ранними конечностями. У него была рыбья челюсть и кости, а также плечевые и локтевые суставы. У него была рука, запястье, пальцы рук и ног. Запястье позволяло плавнику достигать земли с участком, похожим на ладонь, чтобы помочь ему двигаться по поверхности земли. Рука также была внутри плавника, что позволяло ей плавать в воде. И у него была шея, которой нет ни у одной другой рыбы. И, конечно же, у него были и легкие, и жабры, поэтому он мог жить в воде и ходить по суше.
Открытие было слишком хорошим, чтобы быть правдой. Со всей информацией, доступной из летописи окаменелостей, Нил смог точно предсказать, как, вероятно, выглядел этот промежуточный вид и где в пространстве и времени его окаменелые останки будут скрыты в земной коре. В противном случае найти окаменелость, подобную этой, было бы практически невозможно, что свидетельствует о невероятной предсказательной силе как науки, так и эволюции.
Осталось только дать этому прекрасному экземпляру достойное имя. Для этого Нил решил посоветоваться с местными жителями, которые жили рядом с местом его открытия на острове Элсмир. И они решили дать ему имя Тиктаалик , что на языке народа Нунавут означает «крупная пресноводная рыба».
Эволюция — поистине одно из самых впечатляющих и красивых зрелищ в науке. Связи, которые мы разделяем с остальной жизнью на этой планете, рассказывают историю о нашем прошлом, которая позволяет нам понять наши отношения со всеми живыми существами, которые когда-либо жили на планете Земля.
Благодаря предсказательной силе науки у нас есть замечательная способность понять нашу историю, восходящую к рождению нашей Солнечной системы. И эта история говорит нам, что у всех живых существ на земле есть общий предок. Он говорит нам, что мы все сегодня здесь благодаря звездам, которые засеяли вселенную атомами, давшими жизнь космосу. Он говорит нам, что жизнь зародилась в необычных условиях в ранних океанах нашей планеты.