←  Доисторические времена

Исторический форум: история России, всемирная история

»

Возникновение жизни на Земле

Фотография ddd ddd 26.07 2016

studytracing.jpg
Анализ самых древних генов в геномах всех живых существ показал, что так называемый "Лука" – общий предок всех существующих сегодня организмов – жил в теплой, безкислородной и богатой минералами воде, вероятно в горячих гейзерах или вулканических озерах, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Microbiology.

В последние годы все большее количество эволюционистов-биологов приходит к мысли о том, что жизнь могла зародиться не в океанах Земли, а на поверхности суши, в озерах и у жерл гейзеров и вулканов. В пользу этого говорит то, что на суше присутствовал ряд критически важных элементов, в том числе молибден, бор и азот, которых было крайне мало в "супе" первичного океана.
luca_1300716lato.jpg

К такому выводу постепенно приходят и генетики – Уильям Мартин (William Martin) из университета Дюссельдорфа (Германия) и его коллеги заявляют, что им удалось найти следы того, что первый организм на Земле, которого ученые называют "Лукой" (Last Universal Common Ancestor – последний всеобщий предок), жил в вулканических гейзерах или озерах.

Как объясняют ученые, главная проблема при "реставрации" образа биологического Луки заключается в том, что микробы обмениваются генами не только "вертикально", передавая их своему потомству, но и "горизонтально", обмениваясь обрывками ДНК или даже целыми хромосомами с другими видами и родами бактерий и архей.

Благодаря этому самые распространенные гены нельзя использовать, как в случае с многоклеточными существами, в качестве самых древних и общих черт организма. Они, вполне возможно, могли распространиться среди микробов недавно в результате горизонтального обмена ДНК и вымирания тех подвидов бактерий и архей, которые не приобрели этих генов.
640px-Phylogenetic_tree.jpg
Мартин и его коллеги решили эту проблему крайне простым способом – они включали в свой анализ только те гены, которые распространялись лишь вертикальным образом (к примеру, они должны были присутствовать в геномах как минимум двух видов архей и бактерий).

В общей сложности ученые проанализировали свыше шести миллионов генов и 286 тысяч семейств генов, из которых лишь 355 семейств удовлетворяли всем критериям "вертикальности". Их анализ помог ученым выделить те черты, которыми обладал "Лука" и понять, где он мог обитать 3,5-3,3 миллиарда лет назад, когда предположительно появилась жизнь на Земле.


 
Как признаются генетики, здесь особых усилий от них не потребовалось – эти три сотни семейств генов не были случайным набором "обрывков" ДНК с разными функциями, а вполне конкретным набором "инструкций по выживанию" в одной и той же среде и инструментом по добыче одного вида пищи.

Так, "Лука", судя по присутствию в его геноме белков, необходимых для жизни в горячей среде, обитал внутри геотермальных источников или вулканических озер, полностью лишенных кислорода, и получал энергию, извлекая ее из разницы в концентрации различных ионов, а также питался водородом и углекислотой.

1-studytracing.jpg
Scanning electron micrograph of Clostridium difficile bacteria from a stool sample. Credit: CDC/ Lois S. Wiggs/wikimedia

 

Означает ли это, что жизнь на Земле началась в водах гейзеров и вулканических озер? Скорее всего да, однако ученые оставляют возможность того, что предки "Луки", возникшие из неживых "кирпичиков" жизни, могли обитать в иной среде, и переселиться поближе к вулканам позже, в результате действия среды или конкуренции с их вымершими современниками, которые, в отличие от "Луки", могли не дожить до наших времен.

Ответить

Фотография Гаянэ Гаянэ 03.08 2016

Первый случай массового вымирания организмов

Aspidella.jpg

Окаменелости, недавно обнаруженные в Намибии, добавили веса теории, согласно которой первый случай массового вымирания древнейших организмов был вызван появлением первых животных.
 

Самое первое массовое вымирание, известное как Эдиакарское, произошло 540 миллионов лет назад. В результате этого представители Эдиакарской биоты - древнейшие многоклеточные микроорганизмы - полностью прекратили своё существование.
 

Долгое время ученые не могли найти причину этого события. Последнее исследование, опубликованное в журнале Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, предполагает, что эволюционировавшие биологические организмы, так называемые «эдификаторы», изменили окружающую среду настолько, что это привело к гибели биоты.
 

На протяжении более 3 миллиардов лет на земле господствовали микробы – различные виды одноклеточных организмов. Всё это изменилось с появлением многоклеточных, в том числе и Эдиакарской фауны. Около 600 миллионов лет назад биота распространилась по всей планете, и, как правило, представляла собой сидячие организмы, форма тела которых напоминала диски, трубки, мешки и «стеганые одеяла».
 

Первые доказательства существования Эдиакарской биоты были найдены в 1946 году в Эдиакарских холмах в Южной Австралии. Это стало поворотным моментом в изучении эволюции и доказывало существование жизни на Земле задолго до «Кембрийского взрыва».
 

Через 60 миллионов лет после начала Эдиакарского периода произошли ещё одни эволюционные преобразования, в результате которых появились первые животные, способные самостоятельно передвигаться. Своим появлением они ознаменовали начало Кембрийского взрыва – периода, длившегося 25 миллионов лет, во время которого увеличилось биоразнообразие: возникли позвоночные, членистоногие, губчатые, медузы, моллюски и кольчатые черви. Однако к концу этого периода все представители Эдиакарской биоты погибли.
 

Выдвигались различные теории, пытающиеся объяснить массовое вымирание биоты. Существуют две основные точки зрения. Первая заключается в том, что радикальные изменения окружающей среды, например, изменения уровня Мирового океана, привели к гибели этих организмов. Вторая предполагает, что виной всему вызванные животными изменения экосистемы.
 

Ученые, проводящие недавнее исследование, взяли за основу последнюю точку зрения. «Новые виды были своего рода «эдификаторами», изменившими под себя окружающую среду, условия которой стали неблагоприятными для Эдиакарской биоты», - рассказал Саймон Дарроу, доцент кафедры энвироники и геонаук в университете Вандербилта, а также ведущий автор данного исследования.
 

Дарроу и его коллеги предполагают, что в Эдиакарский период животные и представители Эдиакарской фауны сосуществовали в одном сообществе.
 

«Раньше не было точных подтверждений такого сосуществования, - пояснил Дарроу. – В данном исследовании мы изучали окаменелости из Южной Намибии: останки мягкотелых представителей Эдиакарской биоты, загадочные трубчатые организмы, предположительно относящиеся к царству животных, а также следы жизнедеятельности других организмов. Хотя точную видовую принадлежность последних трудно установить, по структуре они напоминают конусообразные особи, известные как Conichnus, которые появились в Кембрийский период».
 

Хотя это не дает нам точного ответа на вопрос, что же произошло с Эдиакарской фауной, окаменелости помогут расширить наши представления о взаимодействии различных организмов в Эдиакарский период и о массовом вымирании в целом. «В данном исследовании мы сосредоточились на выяснении причин гибели биоты. Мы обнаружили новые окаменелости, которые указывают на то, что первые животные и Эдиакарская биота могли сосуществовать», - отметил Дарроу.
 

Несмотря на то, что эти события произошли миллионы лет назад, исчезновение Эдиакарской фауны может иметь негативные последствия. «Есть удивительное сходство между первым вымиранием и тем, что происходит сейчас, - поделился Дарроу. – Эдиакарское вымирание показывает, к чему может привести изменение окружающей среды нами, людьми».

Ответить

Фотография ddd ddd 19.08 2017

Как водоросли изменили жизнь на Земле
Роланд Пиз

Би-би-си

Биомолекулы содержались в нефти, извлеченной из скальных пород
Заселив 650 миллионов лет назад Землю, океанские водоросли изменили жизнь на планете.

Научный журнал Nature опубликовал исследования геохимиков, основанные на микроскопических следах биомолекул, обнаруженных в австралийской пустыне.

По мнению авторов исследования, эти следы свидетельствуют о взрывном росте числа водорослей в океанах, который привел к изменениям в пищевой цепи, предоставив жизненно важные ресурсы микроскопическим организмам и позволив им эволюционировать.

Ведущий исследователь Джокен Брокс рассказал в программе Action на канале BBC Science, что этот процесс стал одним из самых серьезных экологических и эволюционных сдвигов в истории Земли.

Случилось это за сотни миллионов лет до так называемого Кембрийского взрыва, когда по всему земному шару отмечается резкий рост числа ископаемых останков живых существ с раковинами и экзоскелетами. Еще Чарльз Дарвин ломал голову над этим явлением, которое заставляло задумываться о существовании доисторической биологии.

Следы этих предшественников многоклеточных организмов, разбросанные по планете, находили и ранее, но вот "личность" проводника, который способствовал их эволюции, вызывала многочисленные вопросы.

Палеонтолог Кембриджского университета Ник Баттерфилд согласен, что этот период стал, возможно, самым революционным для всей истории Земли, и не только из-за стремительных биологических изменений в облике планеты, но и благодаря серьезным климатическим колебаниям, о которых ученые давно догадывались.

Условия на планете были тогда максимально благоприятными для жизни: обширные океаны и мягкий климат. Тем не менее, большинство ученых сходится во мнении, что на протяжении более трех миллиардов лет на Земле господствовала одноклеточная форма жизни, представленная, в основном, бактериями, а эволюционные изменения, случившиеся тот момент, были незначительными.

Водоросли стали более сложной формой, чем бактерии, но все еще одноклеточной. Период их господства, длившийся более миллиона лет и который некоторые палеонтологи называют "скучным миллионом", не имел серьезных последствий для экологии планеты.

Возраст ископаемых остатков сложных организмов - более 600 миллионов лет
Будучи эукариотами (то есть организмами, ДНК которых надежно упакована внутри клеточного ядра, как и у всех современных животных и растений), эти водоросли имели эволюционное преимущество перед бактериями, которое, впрочем, не могли реализовать.

Как показывает последнее исследование, все изменилось 650 миллионов лет назад.

Не имея в своем распоряжении окаменелостей этих водорослей, Брокс и его команда из Австралийского национального университета смогла, тем не менее, обнаружить молекулярные остатки стенок их клеток. Такие молекулы во многом схожи с человеческим холестерином.

"Жир - самый устойчивый компонент любого организма!" - говорит Брокс.

После того, как все клетки разрушились, а их следы исчезли, молекулы жира все еще сохранялись и были впоследствии поглощены другими отложениями, а затем законсервированы в скальных породах Австралии, чтобы быть извлеченными и исследованными сотни миллионов лет спустя.

Результаты этих исследований служат для Брокса доказательством того, что популяция водорослей увеличилась в сотни или тысячи раз, а разнообразие их видов резко возросло и напоминало необратимый "большой взрыв".

Этот скачок, возможно, случился сразу после одной из величайших экологических катастроф, с которыми сталкивалась планета: согласно одной из гипотез, которая получила название "Земля-снежок", на протяжении длительного времени весь земной шар от полюса до полюса был покрыт льдом, и даже на экваторе температура упала до 60 градусов ниже нуля.

Этот период продолжался 50 миллионов лет, после чего накопленный в атмосфере вулканический газ вызвал парниковый эффект, что привело к таянию льдов в ходе последовавшего катаклизма.

Исследования проводили Амбер Джаррет и Джокен Брокс из Австралийского национального университета.

Брокс считает, что движение ледников вызвало разрушение скальных пород и как результат - высвобождение фосфатов, служащих питательными веществами для водорослей, которые затем попали в океан.

"Зеленая революция" - аграрная реформа, направленная на интенсификацию сельскохозяйственного производства, своим успехом во многом обязана использованию фосфатов, добываемых по всему миру в огромных карьерах. Возможно, и "Докембрийская биологическая революция" также стала возможной благодаря им.

"Наступление водорослей происходило одновременно с появлением животных, - объясняет Брокс. - Став фундаментом пищевой пирамиды, водоросли представляли собой пищу и источник энергии для более крупных и сложных организмов, дав им возможность эволюционировать".

Ноа Планавски из Йельского университета, чье исследование отмечает резкий всплеск количества фосфатов после периода "Земли-снежка", также считает последние открытия невероятно важными. "Это первое свидетельство того, как эукариоты стали доминирующей формой жизни" - заявил он Би-би-си.

Ему вторит и Эндрю Кнолл из Гарвардского университета - ведущий мировой специалист по Докембрийскому периоду, называя новое исследование существенным вкладом в раскрытие связей между ходом жизни на планете и состоянием окружающей среды в критические моменты эволюции.

"Новые источники пищевых ресурсов могли способствовать распространению животных на Земле", - говорит ученый, добавляя при этом, что ряд ключевых вопросов до сих пор остается без ответа.

Роджер Саммонс, который ранее сотрудничал с Броксом, рассказывает о проделанной кропотливой работе, благодаря которой микроскопические частицы докембрийской нефти были извлечены из сохранившихся загрязнений: "Я восхищен интуицией Джокена и его упорством, результат исследования показывает, как в конечном итоге вознаграждается пристальное внимание к деталям."

При этом ученый не считает историю законченной. Как и его коллега Ник Баттерфилд из Кембриджского университета, который не согласен с выводами, полученными в результате исследования.
Он считает, что Брокс путает причину и следствие: "Нашествие водорослей не могло вызвать рост популяции животных. Не существует никаких доказательств того, что эволюции животных мешал недостаток пищи. Напротив, распространение животных организмов - губки, если быть точным - создало благоприятные экологические условия для водорослей."

Полемика Брокса и Баттерфилда продолжилась на этой неделе в ходе конференции Голдсмита в Париже. Брокс настаивает на том, что взрывной рост водорослей 650 миллионов лет назад дал сильнейший толчок для "гонки вооружений", в ходе которой крупные живые организмы, черпающие жизненно важные ресурсы из океанских недр, сами становились пищей для еще более крупных, способствуя их развитию.
Результатом этого сложного процесса стало многообразие видов, которое мы наблюдаем сегодня.
Ответить

Фотография ddd ddd 20.12 2017

Новые данные показывают, что возникновение жизни заняло исключительно мало времени — она появилась раньше чем 3,5 миллиарда лет назад

Исследователи из США пришли к выводу, что окаменелости из ЗападнойАвстралии являются надежным подтверждением того факта, что жизнь существовала более 3,5 миллиардов лет назад. Она возникла практически сразу после стабилизации земной коры, до того расплавленной под действием множества ударов астероидов. Соответствующая статья опубликована вProceedings of the National Academy of Sciences.

Ученые использовали масс-спектрометрию вторичных ионов для анализа соотношения атомов углерода-12 и углерода-13 в образцах австралийских горных пород, возраст которых — более 3,5 миллиардов лет. Это самая чувствительная из существующих методик анализа поверхностей, способная обнаружить присутствие буквально одного «нужного» атома на миллиард атомов образца.

В одном из образцов пород исследователи обнаружили микроокаменелости диаметром около 10 микрометров. Рядом с ними было повышенное соотношение углерода-13 к углероду-12. Так бывает если это останки живого организма — биота предпочитает забирать из окружающей среды атомы полегче, отчего соотношение более тяжелых и более легких атомов углерода изменяется. В той части образца породы, где этих микроокаменелостей не было, соотношение разных изотопов углерода не несло такой аномалии. Из этого исследователи делают вывод, что найденные ими окаменелости малых размеров — это микросферы на месте, где ранее были микроорганизмы.

Авторы работы, базируясь на соотношении изотопов (с его помощью они рассчитывали метаболизм ископаемых живых существ), пришли к выводу, что в окаменелостях содержатся следы жизнедеятельности разных организмов. Часть из них были фототрофами, то есть использовали солнечные лучи как источник энергии. Другие по метаболизму близки к археям (одноклеточным, не идентичным бактериям), производящим метан. Другие похожи на гамма-протеобактерии, потребляющие метан.

Если их выводы верны, то более чем 3,5 миллиарда лет назад на Земле была не просто жизнь, а целая экосистема с автотрофами и гетеротрофами, принадлежавшими к сравнительно специализированным организмам. Такое сообщество не может появиться мгновенно. Следовательно, самый первый живой организм возник заметно раньше этой даты. До сих пор считалось, что миллиарды лет назад жизнь на Земле была сравнительно простой, а существовавшие организмы — не слишком специализированными.

Ответить

Фотография ddd ddd 23.03 2018

История происхождения жизни на Земле и химической эволюции в девяти главах

Глава перваяв которой мы предаемся шовинизму

Энгельсовская формулировка «жизнь есть способ существования белковых тел» страдает неточностью: сегодня можно было бы сказать, что жизнь – способ существования соединений углерода в воде. По крайней мере, если речь идет о биологической жизни в понятных нам формах. Иногда этот взгляд называют «углеродно-водным шовинизмом». Фантасты развивают теории построения организмов на совершенно иной химии, с использованием соединений кремния или даже бора, и в других универсальных растворителях – например, жидком аммиаке или метане. Но когда речь идет о серьезных научных поисках, ученые все-таки ориентируются на углерод и на планеты, богатые водой. 
 
Дело тут в самой природе химических элементов, наполняющих нашу Вселенную. Вспомним, что «первичным», появившимся вскоре после Большого взрыва, является лишь водород. Все прочие элементы образуются в ходе термоядерных реакций в недрах звезд, а особенно тяжелые требуют для рождения условий, которые появляются лишь во взрывах сверхновых и разносятся по космосу их ударными волнами. В целом можно сказать, что чем тяжелее элемент, тем обычно реже он встречается, хотя некоторые из них, которые служат конечными точками превращений более тяжелых ядер (например, свинец или железо), выбиваются из этого правила. Немало в космосе и элементов с особо стабильными ядрами, поэтому следом за водородом по распространенности идут гелий, углерод и кислород. Соединение кислорода с вездесущим водородом дает воду, которая встречается также повсюду. 
 
Зато вот бор не слишком устойчив. Еще в недрах звезд значительная его часть превращается в углерод (и гелий), так что во Вселенной он встречается на много порядков реже, чем углерод или кислород. Это, соответственно, снижает и шансы на возникновение «боровой» жизни. Кремния в космосе вполне достаточно, но против него выступает уже химия: в присутствии кислорода он образует нерастворимые, инертные и очень устойчивые силикаты. Они способны сложить кору нашей планеты, но вряд ли подходят для активной жизни. Их мог бы растворить фторводород, в котором силикаты демонстрируют возможности довольно сложной химии, но фтор встречается в десятки тысяч раз реже, чем кислород. Так что если делать серьезные ставки, можно уверенно сказать: жизнь – это углерод и вода. Но вот дальше начинаются проблемы. 
1.jpg
©РХТУ
 


Глава вторая,
в которой мы встречаем первые трудности и добавляем шовинизма
 
И углерода, и воды на просторах Вселенной предостаточно. Вода встречается на далеких планетах и складывает огромные ледяные глыбы комет. Простейший углеводород – метан – входит в состав атмосфер наряду с углекислым газом, а также ключевыми источниками других важнейших для жизни элементов – сероводородом, фосфатами и аммиаком (азот). Еще в 1920-х Александр Опарин и Джон Холдейн развили представления о том, как «первичный бульон» на молодой Земле мог стать источником ключевых соединений жизни. Тридцатью годами позже Стенли Миллер воспроизвел предложенную ими концепцию в лаборатории, имитировав в колбе гипотетическую атмосферу молодой Земли (бескислородную, богатую аммиаком, метаном, углекислым газом и сероводородом) над теплым водным океаном, через пару электродов подавая внутрь разряды-молнии. 

Через несколько суток в воде стали появляться простейшие сахара, органические кислоты, аминокислоты. Слегка меняя условия работы установки, последующие поколения экспериментаторов сумели получить и другие важные для жизни «строительные блоки» – например, добавление синильной кислоты (HCN), также широко распространенной в космосе, открывает путь к синтезу пуриновых оснований нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), аденину и гуанину. Это впечатляет, но этого мало. Начать хотя бы с того, что в таких химических реакциях образуется смесь оптических изомеров аминокислот и сахаров. 
 
Эти соединения могут существовать в двух формах – одинаковых, как зеркальные отражения друг друга, как правая и левая рука. Химически они равноценны, и в опытах Миллера и его последователей, действительно, появляются примерно в равных количествах. В живых организмах на Земле это не так: белки у всех нас, от кишечной палочки до премьер-министра (за экзотическими исключениями некоторых аминокислот у некоторых архей), построены только из одной формы, L-аминокислот; а РНК и ДНК – с использованием только D-рибозы и D-дезоксирибозы. Белковые ферменты оперируют не с химией, а с пространственной формой молекул, поэтому правая и левая форма для них – вещи совершенно разные, и раз начав с какой-то из них, перейти на другую уже невозможно.

Но как начался этот «оптический шовинизм»? Невозможно представить, чтобы какой-то активный белок взял и сложился из 500 или 1000 L-аминоксилот, если в смеси присутствует одинаковое количество L и D. К этой проблеме нам еще предстоит вернуться, но и она оказалась далеко не единственной.
2.jpg
L- и D-изомеры аминокислот – зеркальные отражения друг друга / ©Wikipedia
 
Глава третья,
в которой трудности нарастают
 
Другая проблема возникла по мере улучшения наших знаний о Венере, Марсе и о прошлом нашей собственной планеты. Оказалось, что сегодняшние атмосферы соседей близки по составу к атмосфере молодой Земли, которая, видимо, почти целиком состояла из углекислого газа. Серьезных количеств аммиака в ней не было, азот существовал лишь в форме чистого молекулярного газа (N2), а сера – как инертный оксид (SO2). Этот набор очень далек от того, что представляли себе Опарин, Холдейн и Миллер, и прежде всего тем, что не содержит вещества, подходящего на роль восстановителя (как аммиак, например), необходимого для фиксации углекислого газа и получения из него хотя бы простейшей органики. 

Ну и, наконец, главное – проблема, которая в философии называется «неупрощаемой сложностью». Она сопровождает любые споры о появлении и развитии жизни. Взять хотя бы птичий полет: перья и крылья, полые кости и отсутствие зубов. Без каждой из этих (и многих других) деталей полет был бы невозможен, но могли ли они появиться одновременно у еще нелетающего существа? Конечно, вряд ли. Сегодня показано, что перья служили средством теплоизоляции еще их предкам-ящерам, крылья позволили планировать с веток, ловко спасаясь от лазающих хищников, и так далее. Если же разобраться с деталями строения пусть и самой простейшей живой клетки, то они окажутся намного сложнее истории с полетом.

Даже у бактерий геном насчитывает миллионы нуклеотидов, которые кодируют тысячи белков. Его работа требует сложной машинерии, необходимой для копирования ДНК и чтения ее для превращения в РНК, а затем и в белок с помощью хитроумно устроенных рибосом, и т. д. Все это окружено мембраной, пронизанной постоянно работающими белками, обеспечивающими избирательный транспорт веществ в клетку и из нее. Здесь мало лишних деталей: без каждой из них клетка жить неспособна. А главное, она неспособна жить без инструкций, которые содержит ДНК и которые реализуют белки. Сама по себе ДНК неспособна ни катализировать химические реакции, ни удваиваться. Это довольно инертное вещество, служащее лишь удобным носителем информации. С другой стороны, белки не размножаются и не могут выступать в этой роли. Еще одна философская проблема – курицы и яйца – только, кажется, совсем неразрешимая?..

3.jpg

 
Глава четвертая,
в которой появляется надежда на РНК
 
Дилемма с курицей и яйцом – то есть с ДНК и белком – разрешилась только в 1970-е, когда были обнаружены рибозимы, молекулы РНК, обладающие собственной каталитической активностью. РНК не так хорошо подходит для хранения и копирования информации, как ДНК, она далеко не так замечательна в катализе, как белки, но она может и то, и другое. Это привело к появлению гипотезы о «мире РНК», первичном бульоне, в котором мог стартовать отбор наиболее эффективных молекул и все большее усложнение, которое привело к использованию ДНК и белков, оставив РНК их современные, во многом посреднические, функции. Значит, проблему «первичной химии» можно свести к проблеме появления достаточного количества РНК из ее компонентов – сахара D-рибозы, содержащего пять атомов углерода, фосфата, а также четырех видов азотистых оснований – аденина, гуанина, урацила и цитозина. 
 
Самым вероятным путем появления рибозы сегодня считается формозная реакция Бутлерова – нагревание водного раствора формальдегида. В присутствии гидроксида кальция и под действием ультрафиолета он образует сложную смесь разных сахаров, которые могли осаждаться на разных неорганических поверхностях. Например, силикаты накапливают (и выделяют из среды) лишние четырех- и шестиуглеродные сахара, а гидроксиапатит – так нужную нам рибозу. Более того, если в среде присутствуют цинк и аминокислота пролин, то они катализируют появление почти чистого продукта, «правых» сахаров. 
 
Удалось химикам и решить проблему с появлением всех четырех азотистых оснований. Если использовать не синильную кислоту, а другое довольно распространенное в космосе и несложное соединение – формамид, – то в отсутствие воды под действием ультрафиолета и на поверхности частиц оксида титана он даст все нужные основания. И если в нашей жизни такие условия выглядят экзотикой, то в космосе они встречаются не так уж и редко; диоксид титана то и дело улавливается в верхних слоях атмосферы, где нет воды, зато ультрафиолетового излучения предостаточно. 
 
Чтобы азотистые основания, фосфат и рибоза образовали РНК, они должны объединиться в нуклеотиды, а те, в свою очередь, в достаточно длинные цепочки. Аденин сравнительно легко присоединяет рибозу, а затем и одну за другой три фосфатные группы. Видимо, по этой причине аденозинтрифосфат (АТФ) стал универсальной молекулой-носителем энергии: остальные азотистые основания не удавалось запустить по этому пути несколько десятилетий. Решить эту проблему получилось только в 2009 г., когда Джон Сазерленд из Манчестерского университета нашел изящную и сложную реакцию, на входе которой используются не сами основания и рибоза, а их предшественники – гликольальдегид, глицеральдегид, цианамид, и т. д., – а на выходе получаются нужные нуклеотиды. Уже через несколько лет было показано, что в присутствии L-аминокислот такая реакция дает преимущественно соединения с D-рибозой.
4.jpg

 
Глава пятая,
где РНК встречается с «цинковым миром»
 
Такие реакции должны были происходить на юной Земле непрерывно: вряд ли такой нестабильный источник веществ, как астероиды или кометы, могли принести их в достаточном количестве, постоянно обновляя запасы. Для этого требуется восстанавливать углекислый газ до простейших соединений углерода, как это делают растения, используя воду и солнечный свет. Другой способ демонстрируют метаногенные микробы, которые вообще не терпят присутствия кислорода и используют восстановитель – сероводород, поступающий из-под земной коры с богатыми минералами и горячими водными растворами. 
 
Отсюда родилась первая из гипотез о происхождении молекул-предшественниц РНК, включая формальдегид, гликольальдегид, цианамид и другие знакомые нам соединения. Согласно идее Карла Ваштерхаузера, все происходило на океанском дне, в условиях, близких к современным гидротермальным источникам. Их до сих пор населяет чрезвычайно богатая, очень необычная и практически независящая от внешнего мира жизнь, которая питается «дымом» этих черных курильщиков – перегретой водой, богатой сероводородом и сульфидами, причем сульфиды цинка и марганца тут же осаждаются беловатым налетом. Как мы скоро убедимся, это особенно важно. 
 
Как показали эксперименты, в этих условиях сероводород восстанавливает сульфид железа до пирита (FeS2), на поверхности которого удерживаются протоны, способные восстанавливать и азот до аммиака, и углекислоту до метилмеркаптана. Реализуются здесь и более сложные реакции, ведущие к появлению органических кислот и вообще целого спектра органики, более богатого, чем в реакциях Миллера. 
 
Дальнейшие превращения могли протекать уже на свету, когда «черные курильщики» обнажались. Чрезвычайно плотная атмосфера молодой Земли создавала повышенное давление, которое позволяло воде не закипать и не испаряться даже при температуре намного выше 100 °С, а отрицательно заряженные молекулы – органические кислоты, включая РНК, – оставались связанными на положительно заряженной поверхности сульфида цинка, накапливаясь в достаточных количествах и продолжая реагировать друг с другом. 
 
Важным подтверждением гипотезы о «цинковом мире» (как продолжении «мира РНК») служит состав внутренней среды живых клеток, их цитоплазмы, который близок не просто морской воде, а морской воде близ черных курильщиков, насыщен ионами калия, марганца, магния и цинка. Кроме того, показано, что рибозимы требуют для работы присутствия тех же металлов. Они же встречаются и у подавляющего числа древнейших белков и содержат цинк и марганец: в 2008 г. было показано, что из 49 каталитических доменов, которые содержатся во всех известных на тот момент организмах, 37 содержат цинк и 19 – марганец.


 
Глава шестая,
в которой образуется рибосома
 
Итак, на дворе – архейская эра. Геотермальные источники – «черные курильщики» – накапливают отложения сульфидов цинка, марганца и других металлов, которые выносятся на поверхность и выносят с собой связанную органику. Здесь, в плотном и горячем воздухе, состоящем в основном из углекислого газа, абиогенный синтез продолжается под действием ультрафиолета, который проникает сквозь атмосферу, еще лишенную кислорода и озонового слоя. Формируются цепочки РНК, рибозимы, и некоторые из них могут катализировать определенные реакции, а избранные – образование собственных копий. При таких условиях они могут стремительно размножиться и мало-помалу выдавливать конкурентов, перехватывая их «строительные блоки». Но разве это жизнь? 
 
В самом деле, хоть Энгельс и не был прав полностью, нам все-таки придется перейти к белкам, без которых не существует ни одна известная нам форма настоящей жизни. Сегодня синтез белка из отдельных аминокислот обеспечивается сложным молекулярным комплексом, рибосомой, а также примерно 40 транспортными РНК. Каждая из них доставляет определенную аминокислоту и присоединяется к определенной последовательности из трех нуклеотидов на матричной РНК. Реакции соединения аминокислот в белковую цепочку проводят рибосомы, которые включают в себя несколько десятков белков и три молекулы РНК. 
 
Сегодня известно, что именно рибосомная РНК выполняет ключевые функции этой органеллы, а в самой РНК определены домены, фрагменты, более или менее важные для ее работы. В работах ученых, среди которых нельзя не упомянуть нашего бывшего соотечественника, работающего в Монреальском университете Сергея Штейнберга, показано, что рибосомная РНК могла «вырастать», добавляя к себе новые фрагменты, но некоторые из них должны быть ключевыми – и самыми древними. 
 
Такой рибозим способен синтезировать белковые цепочки из отдельных аминокислот – неловко, неточно, не слишком быстро, особенно в сравнении с современными сложными биохимическими системами, которые отточены миллиардами лет эволюции, – но все-таки способен. Он мог походить на домен V рибосомной РНК и даже не использовать матрицу, синтезируя случайные пептидные цепочки. Лишь затем он научился связывать матричную и транспортные РНК. Но как это могло помогать самому рибозиму выжить и вытеснить конкурентов – даже тех, что катализировали появление собственных копий?
 
chernyy_kurilshchik_2.jpg
«Черные курильщики» / ©Wikipedia
 

Глава седьмая,
про генетический код
 
Тут нам придется вспомнить, что РНК не является таким удачным носителем информации, как ДНК – и прежде всего за счет своей довольно высокой химической лабильности. Ее больное место – та самая гидроксильная (2') группа рибозы, которой нет у дезоксирибозы ДНК. Предполагается, что некоторые белки могли связываться с РНК, закрывая – и защищая – опасный участок. Альфа-спираль, весьма обычная для белков структура, отлично для этого подходит. Остается, чтобы среди матричных РНК, кодирующих защитные белки, нашлись и другие, которые кодирут белки, расщепляющие другие РНК и поставляющие новые нуклеотиды, и третьи, для копирования самих РНК – дело у нас почти в шляпе. 
 
Начинается размножение, изменчивость и отбор – гонка вооружений, которая зовется эволюцией. В этой системе генетическое кодирование обеспечивают молекулы транспортных РНК, которые связывают тройки соседних нуклеотидов (кодоны) с той или иной аминокислотой. Считается, что эта связь появилась более или менее случайно и, например, тройка аденин – урацил – урацил соответствует аминокислоте изолейцину. 
 
С другой стороны, определенные закономерности в этом коде можно найти: скажем, изолейцин кодируют также кодоны аденин – урацил – цитозин и аденин – урацил – аденин, структурно довольно близкие и оставляющие пространство для ошибок. Даже при не очень точном связывании каждого отдельного нуклеотида близкие тройки обеспечивают появление нужной аминокислоты с достаточной точностью. У нас получился минимальный набор: матричные РНК белков для копирования РНК, прото-рибосомные РНК для синтеза белков и транспортные РНК.


 
Глава восьмая,
где жизнь помещается в клетку и получает ДНК
 
Правда, до жизни мы еще не добрались: нам нужна клетка, а клетку делает мембрана, которая ограничивает ее от внешнего мира и обеспечивает контролируемый обмен веществ. Ограничившись мембраной, жизнь обрела форму и смогла объединять и накапливать внутри нужные молекулы РНК и вести синтез белков, покинуть плоскость сернистых отложений и перейти к трехмерному существованию в форме пузырьков в жидкости, расселяться и осваивать новое пространство. 
 
Мембраны современных организмов устроены по общему принципу: это довольно длинные молекулы с полярными, стремящимися к воде, «головками» и гидрофобными «хвостами». Двойной слой их ориентируется в воде хвостами друг к другу, легко образуя пузырьки. Сравнение белков, необходимых для синтеза таких молекул у максимально непохожих друг на друга групп организмов, позволило определить те из них, которые максимально близки, а значит, имелись у последнего общего предка. 
 
Эта работа была проведена под руководством московского биофизика Армена Мулкиджаняна. И действительно, среди таких ферментов нашлись те, что необходимы для синтеза терпеновых спиртов (подходящих для «хвостов» молекул мембраны), а также для того, чтобы присоединять к ним полярные фосфатные «головки». Благодаря этому мы прибыли к предпоследнему этапу. Наша протожизнь состоит из ограниченных мембраной клеток, внутри которых – коктейль из множества белков и разрозненных молекул РНК, легко переходящих из одной клетки в другую, кодирующих те или иные белки для синтеза РНК и липидов мембраны. Казалось бы, ДНК здесь и не пахнет. Но давайте приглядимся повнимательнее: в этом наборе уже вовсю размножились вирусы. 
 
Внутриклеточные паразиты-вирусы терзают жизнь еще с эпохи «мира РНК». Сегодня они настолько разнообразны, что отличаются друг от друга больше, чем та же кишечная палочка от того же премьер-министра. Некоторые до сих пор используют РНК в качестве носителя информации, другие давно перешли на ДНК – и, видимо, сделали это первыми. Предполагается, что именно у них появились белки, способные получать РНК на матрице ДНК, – а с ними и сама возможность использовать эту устойчивую молекулу для хранения информации. Как и многое другое ценное (а также бесполезное и вредное) в нашем организме, ДНК была заимствована клетками у вирусов.
494px-average_prokaryote_cell-_ru.svg.pn
Строение типичной клетки прокариот



Глава девятая,
последняя, но не последняя
 
С этого момента мы можем говорить уже о биологической эволюции в полном смысле этого слова. По мере того как атмосфера остывала и становилась менее плотной, протоорганизмы вовсю столкнулись с проблемой истощения старых запасов минеральных отложений. Одни из них ушли в изолированные, труднодоступные участки, став предками современных архей, до сих пор населяющих черные курильщики или гейзеры. Другие жили повыше и научились защищаться от солнечного ультрафиолета пигментами, а затем смогли использовать эти пигменты для фотосинтеза, став окончательно независимыми от своей геотермальной прародины. Им понадобилось развить системы транспорта минералов в клетку и из нее. Они слились с другими бактериями, которые освоили эффективный синтез АТФ из глюкозы и впоследствии стали митохондриями. Еще одна «гибридизация» привела к образованию ядра и появлению эукариот, но это будет когда-то в будущем. С образованием клетки, механизмов белкового синтеза и появлением ДНК предыстория жизни закончена и начинается ее история.

Ответить

Фотография ddd ddd 09.08 2018

Древние эдиакарские организмы отнесли к животным.

81887f0ea7b7445b933fb87a4cc01dc6.jpg
Stromatoveris psygmoglena в представлении художника.
Jennifer Hoyal Cuthill


Ученые впервые смогли определить, к какому биологическому царству следует отнести представителей эдиакарской биоты — первых в истории Земли многоклеточных живых организмов, существовавших в докембрийскую эпоху. Авторы статьи, опубликованной в журналеPalaeontology, исследовали эдиакарский организм Stromatoveris psygmoglena и пришли к выводу, что его следует отнести к царству животных. Не исключено, что этот организм может быть родственником губкам и эуметазоям — «настоящим» многоклеточным животным.

В эдиакарский период (635-542 миллиона лет назад) планету населяли странные мягкотелые организмы с симметричной структурой. Часть из них была похожа на ветви деревьев, перья, стеганые одеяла. Предположительно, все они жили в море и появились после таяния ледников, покрывавших Землю в предыдущем геологическом периоде,криогении. Через несколько миллионов после начала кембрийского периода эдиакарская биота исчезла, ее вытеснили животные, которые стали родоначальниками современных членистоногих, хордовых, моллюсков. Попытки палеонтологов найти среди эдиакарских организмов предков кембрийских пока не увенчались успехом. Исследователи даже не могут отнести представителей эдиакарской биоты к какому-либо царству. По мнению некоторых исследователей, они являлись животными, которые полностью вымерли; другие относят их к водорослям, простейшим, грибам или считают колониями микроорганизмов.

Палеонтологи Дженнифер Катхилл (Jennifer Cuthill) из Кембриджского университета и Цзян Хань (Jian Han) из Северо-восточного университета провинции Сиань исследовали морфологию организма Stromatoveris psygmoglena, который обитал в кембрии, около 518 миллионов лет назад, но при этом еще относился к эдиакарской биоте, к группе петалонамов, напоминавших листья папоротника или морские перья. В китайской провинции Юньнань нашли более 200 окаменелостей псигмоглены, что позволило обстоятельно изучить анатомию организма. Исследователи провели филогенетический анализ окаменелостей и сравнили их с окаменелостями других представителей эдиакарской биоты и ископаемыми кембрийскими животными: губками, гребневиками, хордовыми, водорослями, и современными многощетинковыми червями, стрекающими, кораллами, лишайниками.

c9875ae7476f48af47769be91142ee81.jpg

Одна из двухсот окаменелостей Stromatoveris psygmoglena
Jennifer Hoyal Cuthill
 

Филогенетический анализ позволил отнести петалонамов к царству животных и выделить их в отдельную группу, родственную, с одной стороны, губкам, а с другой — к эуметазоям, более сложным многоклеточным животным, у которых есть пищеварительный тракт: червям и моллюскам. «Эта эволюционная ветвь, петалонамы, может образовать собственный тип, у которого, очевидно, нет живых потомков», — говорит Дженнифер Катхилл.

94cd4772862b31559df6f0c3bc03feb1.jpg

Филогенетическое древо эдиакарских организмов по отношению к современным животным
Jennifer Hoyal Cuthill, Jian Han / Palaeontology, 2018

Ответить