в какую эру возникли многоклеточные организмы
Франсвильская биота: первые многоклеточные организмы
Жизнь на Земле зародилась около 3700 миллионов лет назад, но долгое время оставалась одноклеточной. На слуху эдиакарский период, начавшийся 635 миллионов лет назад, когда появились удивительные многоклеточные животные, многие из которых не имеют близких родственников среди ныне живущих видов. Но сегодня я хочу рассказать вам о гораздо более раннем всплеске многоклеточной жизни, случившемся 2100 миллионов лет назад.
Под катом много больших картинок.
В атмосфере Земли долгое время не было кислорода. Около 2500 миллионов лет назад усилилась активность вулканов. Вулканы выбрасывали много углекислого газа, из-за чего дожди становились всё обильнее. Потоки дождевой воды ускорили эрозию почв и вымывание из неё питательных веществ: они стекали по рекам в океаны и создали благоприятные условия для фотосинтезирующих организмов. Уровень кислорода в атмосфере начал постепенно расти. Учёные и раньше подозревали, что такое изменение условий могло привести к всплеску новых видов живых существ, но доказательств было совсем немного. Пока несколько лет назад в Африке не были найдены окаменелости возрастом 2300-2100 миллионов лет, получившие название Франсвильской биоты.
Мы не знаем, были ли они сложными колониями одноклеточных существ, как современные слизевики, или больше походили на многоклеточные организмы. Размер этих существ доходил до 17 сантиметров. Жили они в неглубокой части океана, где воды были богаты кислородом. Вот что уже удалось найти:
Иллюстрация 2. Слева показаны фотографии окаменелостей, справа, в оранжевых тонах, — результаты компьютерной микро-томографии, позволяющей рассмотреть внутреннее устройство останков. A и C — существа, похожие на яичницу или равиоли, с мясистым центром. У существ A можно видеть складчатые тонкие края, а у существ C они более ровные. Существа E-H имеют удлиненную форму тела и множество синусоидальных складок.
Иллюстрация 3. Все показанные существа с утолщенным центром и складчатыми дискообразными краями.
Иллюстрация 4. Существа, сочетающие дискообразную форму и длинные отростки. На длинных отростках есть утолщения, похожие на бусины.
Иллюстрация 5. Большое существо того же типа, рентгеновскую микро-томографию не удалось сделать из-за размеров и хрупкости окаменелости.
Иллюстрация 6. Дискообразные существа другого типа. Видно, что центральная часть покрыта радиальными бороздками, а края организма четко отделены от субстрата, на котором он окаменел.
Иллюстрация 7. Два организма с утолщенным центром и складчатыми краями рядом.
Также были найдены существа, рывшие ходы в донных отложениях, то есть они могли активно и целенаправленно передвигаться:
Иллюстрация 8. Рентгеновская томография ходов, прорытых в донных отложениях.
Иллюстрация 9. Сверху — ходы в донных отложениях и окаменелости существа, навсегда оставшегося в норе. Снизу — ещё несколько рентгеновских томограмм существ, похожих на яичницу.
Кислород, появившийся в атмосфере и давший процветать новым многоклеточным формам жизни, стал связываться с активными химическими веществами, поглощавшими его. Без кислорода все эти существа вымерли. С того момента до нового всплеска многоклеточной жизни прошло полтора миллиарда лет.
Источников о франсвильской биоте пока не много, вот что ещё почитать:
Геологическая эволюция
На настоящий момент установлено, что жизнь на Земле возникла около 3-3,5 млрд. лет назад. За это время на планете произошли существенные изменения: менялся климат, двигались материки, активно шли горообразовательные процессы. Вода то затапливала гигантские пространства на миллионы лет, то отступала под натиском испепеляющего солнца и жары.
Об этих процессах мы можем только догадываться, изучая осадочные породы, которые за это время пластами накладывались друг на друга. Химический анализ позволяет определить их возраст, а также сделать вывод о климате того периода. В определение возраста окаменелостей помогает радиоуглеродный анализ.
Наиболее ранняя эра Земли, начавшаяся около 3-3,5 млрд. лет назад и продлившаяся 900 млн. лет. Самые древние живые организмы были найдены в этот промежуток времени: они были гетеротрофами, заселявшими дно теплых морей. Кислород отсутствовал, был возможен только анаэробный тип дыхания.
В архейский период отмечалась активная вулканическая деятельность, происходили значительные колебание температуры. На поверхности Земли жизнь была невозможна из-за губительных УФ (ультрафиолетовых) лучей. Именно поэтому жизнь «спряталась» на дне океана, где не так выражены перепады температур и рассеивается УФ излучение.
К концу архея животные разделились на про- и эукариотические организмы.
Протерозойская эра (от греч. proteros — первый из двух + zoe — жизнь)
Протерозойская эра продолжалась около 2000 млн. лет. Поверхность планеты напоминала ледяную пустыню, климат соответственно был холодный.
Холодный климат меняется на умеренно влажный, а затем на теплый сухой. Тают оледенения суши, в результате чего огромные пространства заполняются водой.
Большая часть суши подверглась сильнейшему затоплению, наземные животные почти не встречались. В толще океана обитали фораминиферы и радиолярии.
Это период господства рыб в морях. Возникают активно плавающие хрящевые рыбы, у которых имеются челюсти для захвата пищи. Появляются все известные на настоящее время систематические группы рыб.
Некоторые рыбы, обитающие в бедных кислородом (пересыхающих) водоемах, используя плавники, приобрели способность переползать из одного водоема в другой и дышать атмосферным воздухом. Так появляются двоякодышащие и кистеперые рыбы.
К концу девона на сушу выходят первые земноводные: ихтиостеги и стегоцефалы, произошедшие от кистеперых рыб. Возникают древовидные леса, состоящие из хвощей, плаунов и папоротников.
В карбоне материки еще более опускаются, часть суши оказывается заболоченной. Поначалу теплый и влажный климат сменяется к концу периода холодным и сухим.
Бурно развиваются древовидные леса из папоротников, которые достигали в высоту 40 метров. Массовое отмирание папоротникообразных в этом периоде привело к образованию обширных залежей каменного угля, в честь которого период и получил свое название.
Размножение семенных растений, появившихся в карбоне, более не связано с наличием воды, благодаря чему они расселяются вглубь материков.
В морях все также распространены фораминиферы, радиолярии, кораллы и моллюски. Возникают первые насекомые: тараканы, стрекозы, жесткокрылые. Под конец периода появляются пресмыкающиеся, размножение которых не связано с наличием воды, что позволяет им заселить сухие, ранее незаселенные территории.
В перми активируется вулканическая деятельность, происходит крупнейшее отступление моря, вследствие которого образуются большие пространства суши. Климат также меняется: он становится резко континентальным.
К таким серьезным изменениям не приспособлены многие виды животных и растений: полностью вымирают трилобиты, многие моллюски, крупные рыбы и насекомые, значительная часть амфибий, исчезают древовидные папоротники, хвощи и плауны.
В природе не бывает пустого места: приспособленные особи выживают, размножаются и занимают освобожденные другими видами ниши. Бурно развиваются пресмыкающиеся, появляются звероподобные ящеры, примерно в это же время возникают первые млекопитающие.
Чтобы легко запомнить периоды палеозойской эры, рекомендую взять на вооружение мнемоническое правило: «Каждый Отличный Студент Должен Курить Папиросы». Если вы обратите внимание на первые буквы этих слов, то поймете, что они совпадают с первыми буквами периодов палеозоя и расположены в нужном порядке.
Мезозойская эра (греч. mesos — средний + zoe — жизнь)
Мезозойская эра продлилась 186 млн. лет. Если бы мы сейчас перенеслись в то далекое время, то внешне заметили бы сходство мезозойского мира с нынешним, однако более детальное изучение показало бы нам, что его составляют совершенно иные растения и животные.
Климат становится более сухим, что приводит к пересыханию внутренних морей. Активно идут горообразовательные процессы, начавшиеся в перми. Начинается движение материков, образуются пустынные пространства.
В царстве растений господствуют голосеменные, размножение которых не зависит от воды. Среди голосеменных активно заселяют территории саговниковые, хвойные, гинкговые растения.
Большинство амфибий окончательно вымирает. В животном мире господствуют пресмыкающиеся, среди которых встречаются черепахи, ихтиозавры, птицетазовые и ящеротазовые динозавры, клювоголовые, крокодилы и чешуйчатые. Часть рептилий дает начало млекопитающим, близким к однопроходным животным.
Климат становится более теплым и влажным, несколько увеличивается площадь морей. В глубине материков образовались многочисленные озера и болота.
В царстве растений господство остается за голосеменными растениями, наибольший расцвет среди которых переживают беннеттитовые, гнетовые, саговниковые.
Крупные моллюски и рептилии вымирают, эра динозавров заканчивается. На первый план выходят млекопитающие, ароморфозы которых, теплокровность и живорождение, позволяют занять господствующее положение. Появляются сумчатые и плацентарные млекопитающие.
Отправной точкой кайнозойской эры служит образование Альп, в это же время возникли и другие высочайшие горные системы. Я искренне рад быть вашим современником, и сообщаю, что мы с вами живем в кайнозойскую эру, которая длится уже 67 млн. лет. За это время произошло несколько материковых оледенений, возникновение человека.
В начале палеогена устанавливается теплый тропический и субтропический климат. Широко распространяются леса и редколесья. Большая часть животных представлена лесными обитателями.
Сумчатые и плацентарные млекопитающие эволюционируют параллельно. Возникают приматы, хищные и копытные животные, широкого разнообразия достигает мир птиц.
К концу палеогена климат становится континентальным, в Арктике и Антарктике появляются первые ледяные шапки. Леса преобразуются в саванны и заросли кустарников.
Климат в неогене был влажным и теплым. Расселившиеся в палеоген кустарники сменяются саванной и степной растительностью, образуются полупустыни и пустыни.
По берегам рек и озер растут березы, можжевельник, сосны, ивы, тополя. Среди животных расцвет происходит у обитателей открытых пространств: гиппарионов (примитивных лошадей), быков, слонов, жирафов, антилоп. Среди разнообразного и многочисленного класса птиц нередко встречаются хищные гигантские бегающие птицы.
Пангея и удивительная Австралия
Особого внимания требует Австралия. Этот материк отделился раньше всех, вследствие чего флора и фауна на нем формировались изолированно от остальных континентов.
Именно по этой причине в Австралии можно обнаружить виды растений и животных, которые более нигде не встречаются: сумчатые животные (кенгуру, куница, коала), подземные орхидеи, банксии и многие другие удивительные виды.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
МОСКВА, 12 дек — РИА Новости. Древнейшие многоклеточные организмы, обнаруженные в середине 20 века в Эдиакарских холмах в Австралии, могут быть не примитивными морскими беспозвоночными, а сухопутными лишайниками, заявляет американский палеонтолог в статье, опубликованной в журнале Nature.
Первые многоклеточные организмы возникли на Земле в протерозое — отрезок геологической истории, охватывающий период от 2500 до 550 миллионов лет назад. На сегодняшний день ученые открыли крайне небольшое число окаменелостей, относящихся к этому периоду. Наиболее известными из них являются отпечатки многоклеточных организмов, найденные в породах Эдиакарских холмов в Австралии в 1947 году.
Грегори Реталлак (Gregory Retallack) из университета штата Орегон в городе Юджин (США) усомнился в том, что эти организмы были морскими беспозвоночными, и предложил свое объяснение их природы, изучив химический состав пород, в которых залегали отпечатки древнейших живых существ.
Внимание Реталлака привлек тот факт, что породы, окружавшие останки эдиакарских существ, не были похожи по своей структуре и минеральному составу на осадочные отложения, сформировавшиеся на дне моря. Ученый решил проверить свои подозрения, изучив химический состав образцов из Эдиакарских холмов и их микроструктуру при помощи электронного микроскопа.
Химический состав почвы, а также форма и размеры минеральных зерен говорят о том, что эта часть Австралии находилась не в зоне тропического, а умеренного или даже субарктического климата. Вода у берегов будущих Эдиакарских холмов должна была замерзать во время зимы, что ставит под сомнение возможность существования примитивных многоклеточных внутри нее.
С другой стороны, минеральный состав пород, окружающих отпечатки, очень похож на палеозоли — окаменевшие фрагменты древних почв. В частности, у образцов из Эдиакарских холмов и других фрагментов палеозолей совпадает изотопный состав, а на поверхности образцов присутствуют микроскопические выемки, похожие на пленочные колонии бактерий или примитивные корни лишайников или грибов.
По словам Реталлака, почва и подобные «корни» не должны были существовать на дне мелких заливов или других частей первичного океана. Это позволило ему предположить, что найденные отпечатки на самом деле не являются морскими многоклеточными организмами, а окаменелыми останками лишайников, обитавшими на поверхности суши. Часть из «многоклеточных животных», по мнению исследователя, на самом деле являются следами от кристаллов льда, вмерзших внутрь древней почвы.
Подобный вывод уже встретил критику со стороны научного сообщества. В частности, палеонтолог Шухай Сяо (Shuhai Xiao) из Политехнического университета Виргинии (США) отметил в комментариях к статье в журнале Nature, что микроскопические углубления на поверхности эдиакарских пород могли оставить только движущиеся организмы, а не неподвижные лишайники. По его словам, аналогичные останки многоклеточных организмов были обнаружены и в других отложениях конца протерозоя, чье «морское» происхождение не вызывает сомнения.
Тем не менее, оппоненты Реталлака не отрицают самой возможности того, что в Эдиакарском периоде на Земле могли существовать сухопутные лишайники или колонии бактерий. Однако доказательство этой гипотезы и ее широкое признание потребуют открытия окаменелостей, однозначно указывающих на сухопутное происхождение подобных отпечатков.
Гипотезы возникновения многоклеточности
Рис. 1. Колония Dictyostelium в процессе агрегации (Автор Bruno in Columbus)
Многоклеточные организмы возникают различными путями, например, путем деления клеток или путем агрегации (соединения) множества отдельных клеток. Колониальные организмы являются результатом того, что отдельные индивидуальные клетки объединяются в колонию. Однако часто бывает трудно отделить колониальных простейших от настоящих многоклеточных организмов, потому что эти две концепции не различаются.
Многоклеточность развивалась независимо по меньшей мере в 46 раз у эукариот [статья на эту тему на английском языке тут], а также у некоторых прокариот, таких как цианобактерии, миксобактерии, актиномицеты, у экстремофильной бактерии Magnetoglobus multicellularis и у группы метановых архебактерий Methanosarcina.
Первым доказательством многоклеточности являются цианобактериоподобные организмы, которые жили 3–3,5 миллиарда лет назад.
Некоторые группы организмов в своем эволюционном развитии утратили многоклеточность.
Потеря многоклеточности также считается вероятной у некоторых зеленых водорослей (например, Chlorella vulgaris и некоторые из группы Ulvophyceae). В других группах, как правило, паразитах, происходило уменьшение количества клеток или уменьшение типов клеток (например, многие представители Myxozoa, многоклеточные организмы, ранее считавшиеся одноклеточными, являются паразитами морских животных).
Одна из гипотез о происхождении многоклеточности заключается в том, что группа функционально-специфических клеток объединяется в слизистую массу, которая перемещается как многоклеточная единица. Это в основном то, что делают слизевики.
Другая гипотеза состоит в том, что примитивная клетка подвергалась делению ядра, превращаясь в коеноцит (клетку с множеством ядер). Мембрана, в таком случае, сформировалась бы вокруг каждого ядра (и клеточного пространства и органелл, занятых в пространстве), таким образом приводя к группе связанных клеток в одном организме. Этот механизм наблюдается у дрозофилы.
Третья гипотеза состоит в том, что при разделении одноклеточного организма дочерние клетки не могли отделиться, что привело к конгломерации идентичных клеток в одном организме, что впоследствии могло развить специализированные ткани. Это то, что делают эмбрионы растений и животных, а также колониальные хоанофлагелляты.
Поскольку первые многоклеточные организмы были простыми, мягкими организмами, у которых не было костей, раковин или других твердых частей тела, они плохо сохранились в ископаемом материале. Одним из исключений может быть Обыкновенная губка (Demospongiae), которая, возможно, оставила химический след в древних породах.
Самые ранние окаменелости многоклеточных организмов включают Grypania spiralis (см. рисунок 1) и окаменелости черных сланцев палеопротерозойской фервильской группы в Габоне (2,5 млрд лет назад).
Рис. 2. Grypania spiralis в отложениях
Далее я более подробно расскажу о современных теориях возникновения многоклеточности:
Эта теория предполагает, что первые многоклеточные организмы произошли от симбиоза (кооперации) различных видов одноклеточных организмов, каждый из которых играет разные роли. Со временем эти организмы станут настолько зависимыми друг от друга, что не смогут выжить независимо, что в конечном итоге приведет к объединению их геномов в один многоклеточный организм. Каждый соответствующий организм стал бы отдельной линией дифференцированных клеток во вновь создаваемых видах.
Эта теория утверждает, что один одноклеточный организм с несколькими ядрами мог бы создать внутренние мембранные перегородки вокруг каждого из своих ядер.
Многие протисты, такие как инфузории или слизевики, могут иметь несколько ядер, что подтверждает эту гипотезу. Однако простого наличия нескольких ядер недостаточно для поддержки теории. Множественные ядра инфузорий различны и имеют четко дифференцированные функции. Макроядро служит потребностям организма, а микроядро используется для полового размножения с обменом генетического материала.
Синцитиальные слизевики образуются из отдельных амебоидных клеток, подобно синцитиальным тканям некоторых многоклеточных организмов, а не наоборот.
Чтобы считаться действительной, эта теория нуждается в наглядном примере и механизме образования многоклеточного организма из ранее существовавшего синцития.
Рис. 3. Слизевик Fuligo septica (Автор фото Kreis Tuttlingen)
Преимущество колониальной теории состоит в том, что она была обнаружена независимо в 16 различных типах простейших. Например, во время нехватки пищи амеба Dictyostelium (Рис. 1) группируется в колонии, которая перемещается как единое целое в новое место. Некоторые из этих амеб затем немного отличаются друг от друга.
Другими примерами колониальной организации у простейших является, например, Volvox sp. (Рис. 4), который состоит из 500-50000 клеток (в зависимости от вида), только часть из которых размножается.
Однако часто бывает трудно отделить колониальных протистов от настоящих многоклеточных организмов, поскольку эти две концепции не различаются; колониальные протисты были названы «плюрицеллюлярными», а не «многоклеточными».
Рис. 4. Колонии вольвокса (Автор фото Frank Fox)
В отечественной литературе колониальную теорию обычно делят на теорию гастреи (Геккель, 1872), теорию фагоцителлы (Мечников, 1878) и теорию синзооспоры (Захваткин, 1949). Обе теории довольно схожи, разница в том, как, согласно эти теориям, происходила интеграция клеток в колонии.
Так развиваются ланцетники и коралловые полипы.
Так развиваются обыкновенные губки, гидроидные и сцифоидные стрекающие.
Основным кандидатом на роль предка всех многоклеточных является воротничковый жгутиконосец (Choanoflagellata), их клетки снабжены жгутиком, окруженный воротничком. Жгутик создает токи жидкости, позволяющие хоанофлагеллятам плавать в толще воды. Эти же токи пригоняют в воротничковую зону бактерий, которыми хоанофлагелляты питаются. Многие их этих простейших образуют колонии, причем легко переходят из одноклеточного состояния в колониальное и обратно.
Рис. 5. Гастрея и фагоцителла
Отличия от теорий фагоцителлы и гастреи:
— Сидячий образ жизни примитивных взрослых многоклеточных.
Многоклеточность позволяет организму превышать пределы размера, обычно налагаемые диффузией: отдельные клетки с увеличенным размером имеют уменьшенное отношение поверхности к объему и испытывают трудности с поглощением достаточного количества питательных веществ и их транспортировкой по всей клетке.
Таким образом, многоклеточные организмы имеют конкурентные преимущества увеличения размера без его ограничений. Многоклеточность также позволяет увеличивать сложность, позволяя дифференцировать типы клеток в пределах одного организма.
Лига биологов
4.4K постов 11.7K подписчиков
Правила сообщества
‣ Будьте вежливы и сдержаны.
‣ Не разводите политоту, не тащите спам.
‣ Удаляются посты содержащие антинаучные и другие сомнительные идеи. Их авторы караются на месте.
‣ Так как в сообществе отключена премодерация, могут проходить посты по тем или иным причинам не подходящие под формат сообщества. Такие посты переносятся в общую ленту, имейте в виду.
‣ При желании ТС, можно перенести в сообщество недавно созданные посты подходящей тематики.
‣ Если в пост закралась ошибка, не удивляйтесь, если администратор попросит её исправить.
‣ Вбросы антинаучных идей и попросту различная глупость в комментариях расцениваются как развлечение для публики. Такие сообщения отдаются на растерзание толпе, как и их авторы, будь то тролли, адепты всех мастей или просто недальновидные личности.
‣ Политика сообщества не предусматривает раздачу банов направо и налево, однако, если вы нарушаете покой пользователей – не обижайтесь.
Нашел у себя косяк в абзац после рис. 4. Читайте не «обе теории», а «все три». Не вычитал при редактуре.
— Сидячий образ жизни примитивных взрослых многоклеточных.
Очень интересно) ещё бы было побольше примеров с картинками) так, таким малообразованным, как я, понятнее))
Блин, игра такая была, где нужно было другие клетки и ядра поглощать. Не Spore, попроще. Кто помнит?
Чувствуете, пахнУло курсом беспов и Малаховым?
Эти зеленые водоросли всю жизнь в аквариуме портят, то вылазят то пропадают))
всё чаще посещают мысли, что скоро в метод.указаниях по зооллгии буду на пикабу студентов посылать: и написано яснее, и актуальнее, и ссылки с доказательствами на публикации есть. Только вот почему-то это ни разу не смешно, а даже грустно.
Я поддерживаю теорию гастреи.
А может кто помнит мини игру где просто выставляешь параметры для своих клеток (скорость размножения, выживаемость, сила) и можно было соревноваться с другими клетками.
Однако стоит загуглить
как возникает мысль, что кто-то пиздит: либо гугл, либо ТС.
Клетка-организм
Учёные обнаружили последовательности ДНК в почве водно-болотных угодий. Они не похожи на то, что исследователи находили ранее. Эти последовательности могут иметь важное и непредсказуемое влияние на глобальный климат.
Авторы нового исследования, направленного на рецензирование, назвали эти генетические элементы «борги» в честь псевдо-расы киборгов из вселенной «Звёздный Путь» из-за их способности ассимилировать гены других организмов.
«Борги» — внехромосомные элементы. Это значит, что фрагменты ДНК находятся за пределами хромосом, расположенных в ядре большинства клеток и содержащих большую часть генетического материала организма. Например, к таким внехромосомным элементам относятся плазмиды, способные размножаться вне хромосом носителя, а также некоторые вирусы.
«Я была очень удивлена, особенно когда стало ясно, что они несут гены, непосредственно участвующие в окислении метана», — сказала старший автор исследования Джиллиан Банфилд, биогеохимик и геомикробиолог Калифорнийского университета в Беркли.
Банфилд и её коллеги поняли, что имеют дело с чем-то особенным, когда секвенировали ДНК из образцов почвы калифорнийских болот.
Исследователи изучили огромное разнообразие микроорганизмов, например, бактерий, архей, эукариот, вирусов, фагов и плазмид, — населяющих водные среды обитания, такие, как подземные водоносные горизонты и заболоченные местности. «Борги» сильно отличались от всего, с чем встречались исследователи.
«При изучении образцов одного из болот мы обнаружили фрагменты загадочных геномов, которые совершенно точно принадлежали археям, но их нельзя было отнести к любому типу из известных генетических элементов», — сказала Банфилд.
«Затем мы искали их в других наших базах данных», — добавила Банфилд. Используя этот подход, исследователи собрали по крайней мере 19 вариантов «боргов» и секвенировали четыре полных генома. Тем самым они установили существование большой линии родственных организмов с чёткими общими (и несколько необычными) особенностями, что делает их новыми внехромосомными элементами.
Команда назначила каждой из 19 групп «боргов» цвет — например, оранжевый, фиолетовый и розовый — и описала некоторые их удивительные свойства, включая огромные размеры. «Борги» чаще встречались в глубоких бедных кислородом почвах. Иногда их популяции в восемь раз превышали популяции Methanoperedens. Тем не менее, исследователи не обнаружили заметной корреляции между концентрациями Methanoperedens и «боргов», что добавляет загадок к происхождению и поведению обнаруженных ДНК.
Тем не менее, «борги» явно содержат гены, способные повышать энергетический метаболизм Methanoperedens, которые тоже их содержат. Если это так, эти уникальные генетические элементы могут дать новое представление о сокращении выбросов метана, что является одной из главных целей большинства стратегий по смягчению климата.
«Мы ожидаем, что «борги» увеличивают общее количество метана, который окисляют methanoperedens, частично за счёт улучшения их адаптаций к меняющимся условиям, — сказала Бенфильд. — Таким образом, в ближайшем будущем необходимо выяснить, как стимулировать рост methanoperedens в сельскохозяйственных почвах, которые благодаря «боргам» становятся более устойчивыми».
Команда исследователей также планирует решить более базовый вопрос: что же такое эти «борги»? Они могут быть гигантскими линейными вирусами или плазмидами, не похожими ни на одни из уже обнаруженных, или, возможно, они – родственная линия methanoperedens, потерявшая гены и установившая симбиотическую ассоциацию внутри methanoperedens.
Чтобы разобраться во всех загадках, связанных с этими странными последовательностями ДНК, исследователи надеются обнаружить больше «боргов» в других наборах данных. Бенфилд сказала, что это исследование может привести к открытию новых механизмов для процессов, о существовании которых мы пока не подозреваем.
«Таким образом, можно провести аналогию с CRISPR — системой с лишь частично предсказанной функцией, связанной с защитой микробов от вирусов, но, в конечном счете, фантастическим новым набором инструментов», — добавила Бенфилд.
Ученые вырастили бактерию, которая питается сточными водами
Супербактерию, поедающие сточные воды, впервые “вырастили” на заводе в Квинсленде в Австралии. Ученые предложили более экологичный способ очистки сточных вод и сэкономили компании по управлению водными ресурсами полмиллиона австралийских долларов
Эти уникальные на вид бактерии называются клопами анаммокс, и они размножаются в сточных водах, в тех, которые смывают в унитаз.
Они буквально выедают сточные воды, избавляясь от азота и аммония и очищая их естественным путем. Их специально выращивают на небольших пластиковых дисках, которые затем перемещают в резервуары для сточных вод.
Более традиционный процесс очистки сточных вод требует использования большого количества химикатов и энергии, но теперь бактерии обеспечивают более устойчивый и эффективный путь.
Бактерии, выращенные в Брисбене, были внедрены компанией Queensland Urban Utilities для обслуживания быстро растущего населения.
Бактерии анаммокс растут очень медленно. Пять лет назад они помещались только в небольшую банку. Теперь они открыли десять бассейнов на заднем дворе.
Бактерии не могут быть импортированы из-за законов о биобезопасности, поэтому компании Urban Utilities пришлось выращивать их с нуля в резервуарах с контролируемой температурой.
Это первая и единственная ферма анаммокса в Австралии, но компания Urban Utilities заявляет, что скоро ее будет достаточно, чтобы поделиться бактериями с заинтересованными компаниями.
Что такое квантовая биология
Все во Вселенной состоит из элементарных частиц. Изучением их и связанных с ними явлений занимается квантовая физика — странная наука, где много всего неопределенного. Но что, если квантовые эффекты распространяются не только на квантовые масштабы, но и на жизнь в целом? Поисками ответа на этот вопрос и занимается квантовая биология.
«Если тебя квантовая физика не испугала, значит, ты ничего в ней не понял». © Нильс Бор, лауреат Нобелевской премии 1922 года, один из создателей современной физики
Биологи не очень любят связываться с физикой. Будучи студентами, они посещают вводные курсы по физике, а потом благодарят богов науки, что им больше не придется беспокоиться об Эйнштейне, Максвелле и Ньютоне. Что касается квантовой физики, то большинству биологов вообще нет нужды о ней задумываться. Они изучают молекулы в таких крупных масштабах, что им не надо знать ничего сверх основ квантовой механики. Привычной модели молекулы достаточно для изучения взаимодействий между триллионами органических молекул. Физики же изучают квантовую механику в вакууме при почти абсолютном нуле. Принято считать, что в условиях тепла и беспорядка, царящих в живых клетках, квантовые эффекты можно, по сути, игнорировать.
Между тем некоторые ученые предполагают, что существуют биологические феномены, которые можно объяснить квантовой механикой — и только. В своей книге «Что такое жизнь?» Эрвин Шредингер постулировал, что квантовая механика способна оказывать серьезное воздействие на клеточные функции. Он предположил, что генетический материал может храниться и наследоваться посредством сохранения информации в разных квантовых состояниях. И пусть позднее Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик выяснили, что ДНК — переносчик генетической информации, Шредингер дал начало квантовой биологии.
Не так давно продуманные до мелочей эксперименты предоставили доказательство того, что квантовая биология сильно влияет на жизнь. Оказалось, ферменты — катализаторы реакций в клетке — используют так называемый туннельный эффект, или квантовое туннелирование. При помощи этого механизма они могут перемещать электрон или протон из одной части молекулы в другую.
Квантовое туннелирование предоставляет ферментам быстрый и эффективный способ переорганизации молекул для поддержания реакций. Этот процесс невозможно объяснить при помощи классической физики. Для понимания этих реакций необходимы квантовые вероятности и дуальности.
Туннельный эффект также играет роль в мутациях ДНК. ДНК — это двухцепочечная молекула, части которой удерживаются вместе при помощи водородных связей. Эти связи можно изобразить примерно так (см. картинку).
Диаграмма водородной связи в аденин-тимине / © Adam David Godbeer/Jim Al-Khalili/P. D. Stevenson
Белые атомы принадлежат водороду. В этом соединении есть две водородные связи. Считается, что атомы водорода могут «перепрыгивать» на другую сторону при помощи квантового туннелирования. Если цепочки ДНК разделены во время прыжка водорода на другую сторону, то эти связи могут скопироваться или воспроизвестись неправильно. Мутация, появившаяся в результате туннелирования водорода, потенциально может вызвать заболевание.
Фотосинтез — один из самых важных процессов жизни. Когда фотон света попадает в пигмент, он поглощается, а вместо него освобождается электрон. Затем электрон попадает в электрон-транспортную цепь, накапливающую химический потенциал, который можно использовать для генерации АТФ (аденозинтрифосфат, или аденозинтрифосфатная кислота). Но чтобы попасть в электрон-транспортную цепь, электрону нужно переместиться из одной точки, из которой его освобождает фотон, через хлорофилл, в точку, известную как реакционный центр. Есть множество путей, по которым электрон может достичь его.
Квантовая когерентность в фотосинтезе / © Jim Al-Khalili
При помощи принципов квантовой когерентности и квантового запутывания электроны могут перемещаться по самым эффективным путям, не затрачивая энергию на тепло. Согласно квантовой когерентности электроны могут двигаться в нескольких направлениях одновременно из-за своих волнообразных свойств. Таким образом, электроны способны перемещаться по нескольким разным путям одновременно для достижения реакционного центра. Этот феномен позволяет максимально эффективно переносить энергию.
Квантовая когерентность может влиять и на другие аспекты жизни. Некоторые ученые предполагают, что сетчатка человеческого глаза использует когерентность для передачи сигналов из глаза в мозг. Они утверждают, что фотоизомеризация — изменение в структуре фотонного рецептора — происходит так быстро, что такую скорость может обеспечить только квантовая когерентность. С учетом этого в природе вполне может существовать еще множество биохимических путей, использующих квантовую когерентность, и они только и делают, что ждут, когда их наконец откроют.
Запутанность — одна из самых сложных для понимания концепций квантовой механики. Она описывает взаимодействие между двумя или более квантовыми частицами. И пусть это еще не подтверждено, считается, что квантовая запутанность может объяснить магниторецепцию. Магниторецепция — способность организмов чувствовать магнитное поле и определять свое расположение на местности в соответствии с ним. Птицы и животные используют эту способность, чтобы чувствовать магнитное поле Земли и мигрировать. Долгое время точный механизм этого явления был тайной. Возможно, магнитное поле Земли влияет на механизм, использующий радикальные пары внутри сетчатки, а запутанность внутри этой пары может предоставлять организмам квантовый сигнал, работающий словно компас: об этом рассуждали Джим Аль-Халили и Джонджо МакФадден в своей книге «Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии».
Схематическое описание «квантового компаса» у птиц / © Zhang-qi Yin/Tongcang Li
Квантовая механика может влиять на многие биохимические функции. Некоторые считают, что обоняние — то, как мы чувствуем запахи — может быть результатом квантовых вибраций молекул. В то же время существуют исследования, указывающие на то, что с квантовой механикой связано броуновское движение внутри клетки.
В любом случае квантовая биология — молодое направление науки, но похоже, что у него есть серьезный потенциал. Остается только ждать и наблюдать за новыми исследованиями в этой области.
Венгерские ученые создали бактериальный коктейль, поглощающий пластик
Две юные венгерки создали уникальный бактериальный коктейль, способный разрушить любой одноразовый пластик за семь недель.
Основатели компании Poliloop Лиз Мадарас и Кристина Левай познакомились в магистратуре фармацевтической химии и инженерии Будапештского технологического университета. Совместные лабораторные исследования они начинали после занятий в университете и по выходным.
Молодые ученые стремились предложить актуальное решение для борьбы с неперерабатываемым пластиком. Спустя два года был найден уникальный состав бактериального коктейля, который мог разрушить одноразовый пластик за 6-8 недель. При разложении пластмассы получается органический компост, из которого снова можно производить биопластик.
С помощью своего изобретения Poliloop создали своего рода экономику замкнутого цикла, которая позволит компаниям повторно использовать одну и ту же пластиковую упаковку снова и снова. Новая разработка позволяет перерабатывать пластик без какой-либо предварительной химической обработки или серьезной очистки, и во время процесса не выделяются вредные вещества.
Следующим шагом компании станет промышленное тестирование, после которого они надеются начать сотрудничество с несколькими транснациональными компаниями.
Что на самом деле произошло у берегов Камчатки
Фото взято из инстаграма с указанием автора.
Большинство из вас слышало о недавней гибели морских животных на Камчатке, а единицы даже сейчас помнят о случившемся. Еще неделю назад новостные ленты пестрили заголовками о «тысячах трупов на побережье Тихого океана», а на федеральных каналах выходили сюжеты о расследованиях «экологической катастрофы» местными ответственными чиновниками. Которые в итоге во всем разобрались и вообще решили все проблемы граблями. Далее вы наверняка наслаждались конспирологическими теориями диванных специалистов из ютуба, и постоянно натыкались на истерики в комментариях о загубленном океане, да и вообще «власти всё скрывают», а человек – «это раковая опухоль на теле несчастной матушки Земли». Сразу появился идиотский хэштэг в инстаграме о том, что я и ты, и мы все – это Тихий океан. К лицемерию вокруг этой проблемы не постеснялись присоединиться и так называемые «звезды шоу бизнеса» и прочие ревнители своей угасающей популярности.
Для тех, кто не в курсе, я бакалавр химии и биологии, магистр биологии, специалист по водным организмам от бактерий до акул, ихтиопатолог (это тот, кто, в том числе, проводит вскрытия для установления причины смерти рыб и водных беспозвоночных), когда-то работал государственным инспектором в сфере рыбного хозяйства и неоднократно принимал участие в расследованиях массовой гибели гидробионтов (водных обитателей), а сейчас я руководитель биологической службы одного из московских океанариумов. Так что я немного в теме.
В итоге основная официальная версия случившегося на Камчатке, выдвинутая учеными РАН – «красный прилив» (бурное развитие токсичных микроводорослей). Ну конечно, скажут диванные специалисты, если государство будет выбирать виновного между военным и чиновником, то на кого падёт выбор с большей долей вероятности, правильно, на водоросли!
Я провел собственное научное расследование и пришел к выводу, что ученые РАН не ошибаются. Но они нигде не представили данных (или я их не нашел) о поэтапном развитии событий на Камчатке, механизмах возникновения красных приливов в этой местности, и не ответили на ряд вопросов, которые возникают у критиков этой версии:
1. Цветение воды (массовое развитие микроводорослей) происходит в середине лета – когда температура воды, продолжительность дня и интенсивность солнечного освещения достигают максимума, но ведь сейчас осень – пасмурно, холодно и дни короткие?
2. Цветение воды возникает в перенасыщенной питательными веществами среде – в воде должны присутствовать высокие концентрации нитратов и фосфатов. А в анализах проб только фосфаты и железо выше нормы, нитратов практически нет, чем же питаться водорослям?
3. Токсины, выделяемые микроводорослями опасны для млекопитающих, птиц и рыб, а вот беспозвоночные к этим токсинам устойчивы, более того, многие моллюски фильтраторы питаются этими водорослями и накапливают яды в себе, при этом не испытывая никаких проблем. А здесь 99% погибших – беспозвоночные, в том числе и моллюски-фильтраторы?
4. Развитие токсичной водоросли должно было окрасить воду в красный цвет – ведь это «красный прилив», а тут был какой-то зелено-желтый оттенок, который потом и вовсе пропал?
5. Красные приливы встречаются во многих теплых частях планеты, в Японском море, в Мексиканском заливе, но никогда не отмечались у побережья Камчатки, ведь тут холодно!
6. Как могли токсины микроводорослей влиять на людей, которые не пили морскую воду, не ели местных моллюсков, а некоторые даже пребывали только на берегу?
Далее я попытаюсь ответить на все поставленные вопросы и восстановлю развитие событий в Авачинском заливе, параллельно объясняя биологические механизмы их возникновения:
Первый этап – накопление фосфатов. Это происходит из-за многолетней деятельности человека – во впадающие в океан реки стекают удобрения, чистящие средства, бытовые отходы и прочие источники фосфатов. Уровень фосфата в чистой воде океанов не превышает 0,05 мг/л. Я изучил анализы воды, сделанные государственной лабораторией Камчатского края (они есть в открытом доступе) и обнаружил превышение по фосфату практически во всех впадающих в океан реках в районе Авачинского залива. В среднем концентрация фосфатов превышена в три раза и составляет 0,15 мг/л, что вовсе не критично для морской фауны. При этом уровень нитрата согласно анализам – минимальный (в среднем менее 1 мг/л). Присутствие фосфатов позволяет быстро набирать биомассу фитопланктону только в том случае, когда их соотношение с нитратом 1 к 16 (соотношение Редфилда), то есть при 0,15 мг/л фосфата должно быть 16*0,15 = 2,4 мг/л нитратов. Такого уровня нитратов в Авачинском заливе нет, поэтому возникает дефицит органического азота и обычные для фитопланктона диатомовые водоросли не развиваются в больших количествах.
Второй этап – накопление органического азота. В условиях дефицита органического азота и избытка фосфата массово размножаться могут только азотфиксирующие микроорганизмы, такие как синезеленые водоросли (цианобактерии). Они способны улавливать растворенный в воде азот, и превращать его в белки своей клетки. То есть получать органический азот из неорганического. Но для развития этих водорослей помимо фосфатов необходим еще один важный компонент – железо. Для процесса захвата молекулярного азота этим водорослям требуется в 10 раз больше железа, чем обычному фитопланктону для роста в условиях оптимального соотношения нитратов и фосфатов. Вернемся к результатам анализа воды гослабораторией и отметим, что все впадающие реки и сам залив имеют превышение по железу минимум в два, а максимум в семь раз! Интересные исследования о появлении железа в прибрежных водах, где наблюдаются красные приливы, провели американские ученые – они установили, что это пыль из пустынь! Её приносят с собой облака и морские течения. Пустынная пыль богата железом и кремнием. Откуда взялось железо у побережья Камчатки – мне доподлинно неизвестно, но факт, что оно там содержится в высокой концентрации. Я могу предположить, что это связано с деятельностью вулканов, от которых берут начало Камчатские реки. Поэтому в июле-августе в Авачинском заливе стали бурно размножаться азотфиксирующие цианобактерии, например из рода Trichodesmium. Скорее всего, на их бурное развитие обратил внимание Гринпис, на сайте организации можно найти снимки этого процесса из космоса.
Шестой этап. Токсин остается! Часть его присутствует в воде и приносится на берег в виде аэрозоли, другая часть выделяется из мертвых водорослей на берегу. Халактырский пляж становится местом паломничества различных экологов, журналистов, чиновников и прочих интересующихся. Серфингисты остаются в своем лагере. А нужно было всем покинуть этот пляж в середине сентября, чтобы не получить проблем со здоровьем.