Великое кислородное событие — протерозойский эон. Преобразование энергии солнечного света и организмы использующие её Кризис в микробных сообществах

Сообщение

Роль зелёных растений в обеспечении энергией живых

Организмов на нашей планете

Как известно, основным источником энергии на земле является солнце. Но люди и животные не способны напрямую использовать солнечную энергию, потому что в их организмах отсутствуют системы, с помощью которых энергия потреблялась бы в такой форме, как она есть. Поэтому солнечная энергия попадает в организм человека или животного в качестве полезной энергии только через вещества, производимые растениями.

Растения способны создавать из неорганических органические вещества, используя световую энергию. Этот процесс называется фотосинтезом (от греческих слов «фотос» -свет, «синтез» - соединение). Способность к фотосинтезу - важнейшее свойство зелёных растений. Это единственный на нашей планете процесс, связанный с превращением энергии солнечного света в энергию химических связей, заключенную в органических веществах. Поэтому фотосинтез - важнейший процесс, благодаря которому возможна жизнь на Земле.

Выдающийся русский ученый конца ХIХ – начала ХХ в. Климент Аркадьевич Тимирязев (1843-1920) роль зеленых растений на Земле назвал космической. К.А. Тимирязев писал: «Все органические вещества, как бы они ни были разнообразны, где бы они ни встречались, в растении ли, в животном или человеке, прошли через лист, произошли от веществ, выработанных листом. Вне листа или, вернее, вне хлорофиллового зерна в природе не существует лаборатории, где бы выделялось органическое вещество. Во всех других органах и организмах оно превращается, преобразуется, только здесь оно образуется вновь из вещества неорганического».

Кроме этого растения насыщают атмосферу Земли кислородом, который служит для окисления органических веществ и извлечения этим способом запасенной в них химической энергии аэробными клетками.

Ежегодно зелёные растения синтезируют большое количество органического вещества, поглощают около 600 млрд т углекислоты, выделяют в атмосферу 400 млрд т свободного кислорода. Благодаря фотосинтезу ежегодно запасается огромное количество преобразованной солнечной энергии.

Накопление энергии – очень важное для живой природы явление, обусловленное фотосинтезом зеленых растений. Органические вещества – отличный энергоноситель.

Созданные с участием хлорофилла и солнечного света углеводы, а также образованные в растениях белки и жиры содержат в себе много энергии. Особенно много ее в крахмале и различных сахарах.

Многие растения, такие как сахарный тростник, сахарная свекла, лук, горох, кукуруза, виноград, финик, запасают сахара в стеблях, корнях, луковицах, плодах и семенах. Именно сахара служат главным источником энергии для всех живых существ, так как легко могут стать одним из наиболее активных соединений в любой живой клетке. Постоянно поглощая энергию в виде солнечного излучения, растения ее накапливают. Из-за огромного количества зеленых растений на Земле энергии в биосфере становится все больше. Человек широко пользуется газом, нефтью, углем, дровами – все эго органические вещества, которые выделяют при сгорании энергию, некогда занесенную в зеленых растениях.

Можно сделать вывод, что существование растений играет очень важную и необходимую роль для выживания живых существ на земле. Поступившая из космоса энергия солнечных лучей, запасенная зелеными растениями в углеводах, жирах и белках, обеспечивает жизнедеятельность всего живого мира – от бактерий до человека.

Ниже представлен список 10 удивительно выносливых существ, которые способны выжить в таких условиях в каких ни одно существо не может выжить.

Пауки-скакунчики - семейство пауков, содержащее в себе более 500 родов и около 5 000 видов это примерно 13% от всех видов пауков. Пауки-скакунчики обладают очень хорошим зрением, они также способны прыгать на расстояние, намного превышающее размер их тела. Эти активные дневные охотники, широко распространены по всему миру, включая пустыни, тропические леса и горы. В 1975 году представитель этого семейства был обнаружен даже на пике самой высокой горы в мире - Эвересте.

Девятое место в списке занимает Гигантский кенгуровый прыгун - грызун, находящийся под угрозой исчезновения и встречающийся только в штате Калифорния, США. Продолжительность его жизни составляет 2–4 года. За всю свою короткую жизнь грызун способен обходится без единой капли питьевой воды. Влагу необходимую для существования они получают из пищи, а это в основном семена.

Помпейский червь (Alvinella pompejana)

Помпейский червь - вид глубоководных червей, который был обнаружен в начале 1980-х годов в северо-восточной части Тихого океана. Эти черви бледно-серого цвета способны вырастать до 13 см в длину. Помпейский червь долгое время оставался неизученным, так как при попытке поднять его на поверхность он неизбежно умирал. Объясняется это тем, что во время подъёма привычное давления для Помпейского червя уменьшалось. Однако недавно французскими учёными с помощь специальной техники, которая поддерживала необходимое давление среды, удалось живыми и здоровыми доставить несколько особей в лабораторию. Выяснилось, что эти черви способны выжить при довольно-таки высоких температурах. Оптимальная температура для них составляет 42 °C, но при нагреве до 50-55 °C червь погибал.

Гренландские акулы являются одними из самых больших и наименее изученных акул в мире. Обитают в водах Северной Атлантики при температуре от 1–12 °С и глубине до 2 200 метров на которой примерное давление составляет 220 атмосфер или около 9 700 килограмма на квадратный сантиметр. Гренландские полярные акулы очень медлительны, их средняя скорость составляет 1,6 км/ч, а максимальная - 2,7 км/ч, отсюда и второе название «спящие акулы». Питаются почти всем, что могут поймать. Самые крупные особи этих акул могут достигать до 7,3 м и весить до 1,5 т, однако средняя длина варьируется от 2,44 до 4,8 м, а средний вес не превышает 400 кг. Точная продолжительность их жизни неизвестна, хотя есть теория, что они способны доживать до 200 лет. Является одним из самых долгоживущих животных на планете .

На протяжении десятилетий учёные считали, что только одноклеточные организмы могут выжить на очень больших глубинах под землёй из-за большого давления, недостатка кислорода и экстремальных температур. Однако после того как в 2011 году Гаэтаном Боргони и Таллисом Онстоттом в руде на золотодобывающих шахтах «Беатрикс» и «Префонтейн» в ЮАР на глубинах 0,9 км, 1,3 км и 3,6 км под поверхностью Земли были обнаружены эти многоклеточные организмы, гипотеза была опровергнута. Обнаруженные черви длиной в 0,52–0,56 мм обитали в небольших скоплениях воды температура, которой составляла 48 °C. Halicephalobus mephisto, возможно, самые глубокоживущие многоклеточные организмы на планете.

Некоторые виды лягушек были найдены буквально замороженными, но с наступлением весны они «оттаивали» и продолжали свою жизнедеятельность. В Северной Америке насчитывается пять известных видов таких лягушек. Наиболее распространённой является древесная лягушка, которая чтобы перезимовать просто прячется под листья и замерзает. Самое интересное то, что на время такой спячки сердце лягушки останавливается.

Многие знают, что глубочайшей точкой Мирового океана, а также наименее исследованным местом на планете является «Марианский жёлоб» глубиной в 11 км, где давление примерно в 1072 раза больше нормального атмосферного давления. В 2011 году, учёные с помощью камеры высокого разрешения и современного батискафа обнаружили на глубине 10 641 метров гигантских амёб, которые в несколько раз крупнее (10 см) своих родственников.

Bdelloidea

Bdelloidea - животное из класса коловраток, живущее в пресной воде, влажной почве и мокром мхе по всему миру. Являются микроскопическими организмами, длина которых не превышает 150–700 мкм (0,15–0,7 мм). Для невооружённого глаза они невидимы, но если смотреть через лупу животное Bdelloidea можно увидеть в виде маленьких белых точек. Они способны выжить в жёстких, сухих условиях благодаря ангидробиозу, состояние, которое позволяет организму этого животного быстро обезводится и, таким образом, противостоять высыханию. Как выяснилось, в этом состоянии животное способно пробыть до 9 лет, ожидая благоприятных условий для возвращения. Интересно, что с момента открытия ещё не был найден ни один представитель мужского пола.

Таракановые

Популярный миф гласит, что в случае ядерной войны, единственными выжившими на Земле будут тараканы . Не удивительно ведь они считаются одними из самых выносливых насекомых, способные жить без пищи и воды в течение одного месяца. А смертельная доза излучения радиации для этих насекомых больше в 6-15 раз, чем, например, для людей. Однако они всё же не настолько стойки к радиации, как, например, плодовые мушки. Найденные окаменелости таракана, показывают, что они жили 295–354 млн. лет назад опередив тем самым динозавров, хотя внешним видом эти тараканы, безусловно, отличались от современных тараканов.

Тихоходки - микроскопические животные, впервые описанные немецким пастором Иоганном Августом Эфраимом Гёце в 1773 году. Распространены по всему миру, включая дно океана и полярные регионы на экваторе. Чаще всего населяют лишайниковые и моховые подушки. Размер тела этих полупрозрачных беспозвоночных составляет 0,1-1,5 мм. Тихоходки обладают неимоверной выносливостью. Учёными было установлено что тихоходки способны выжить в течение нескольких минут при температуре 151 °С, а также могут жить несколько дней при температуре минус 200 °С. Они также поддавались излучению в 570 000 рентген и примерно 50% тихоходок остались живыми (для человека смертельная доза в 500 рентген). Ещё их помещали в специальную камеру высокого давления, заполненную водой и, поддавали воздействию 6 000 атмосфер, что в 6 раз больше чем давление на дне «Марианского жёлоба» - животные остались живы. Известен случай, когда мох, взятый с пустыни спустя примерно 120 лет после его иссушения, разместили в воду, и одна с пребывавших в нём тихоходок подала признаки жизни.

Живые организмы не составляют исключения в том смысле, что обмен энергии у них подчиняется всем обычным физическим законам. Процессы роста и поддержания жизни требуют затрат энергии, которые должны быть каким-то образом возмещены. Живые организмы поглощают из окружающей среды энергию в такой форме, чтобы ее можно было использовать в конкретных условиях их существования при данных значениях температуры и давления. Затем они возвращают в среду эквивалентное количество энергии, но уже в другой, менее доступной для них форме. Полезная форма энергии, которая требуется живой клетке, называется свободной энергией; ее можно определить просто как энергию, способную совершать работу при постоянных температуре и давлении.

Рис. 1-3. Живые организмы совершают различные виды работы за счет поглощаемой ими свободной энергии окружающей среды. Они возвращают в среду эквивалентное количество энергии в виде тепла и других форм непригодной для них энергии хаотического движения. Степень такого «обесценивания» (рассеяния) энергии можно охарактеризовать энтропией.

Менее полезный вид энергии, возвращаемый клеткой в окружающую среду, выделяется главным образом в форме тепла, которое рассеивается в среде и превращается в энергию беспорядочного движения. Таким образом, мы можем сформулировать еще один принцип молекулярной логики живого:

Живые организмы создают и поддерживают сложные, упорядоченные и целенаправленные элементы своей структуры за счет свободной энергии окружающей среды; эту энергию они затем возвращают в среду в менее пригодной для них форме.

Хотя живые организмы способны преобразовывать энергию, они кардинальным образом отличаются от обычных машин, созданных человеком. Системы преобразования энергии в живых клетках целиком построены из сравнительно хрупких и неустойчивых органических молекул, не способных выдерживать высокие температуры, сильный электрический ток, действие сильных кислот и оснований. Все части живой клетки имеют примерно одну и ту же температуру, нет в клетках и сколько-нибудь значительных перепадов давления. Отсюда можно заключить, что клетки не могут использовать тепло как источник энергии, поскольку тепло может совершать работу лишь тогда, когда оно переходит от более нагретого тела к более холодному. Клетки совсем не похожи на тепловые и электрические двигатели - наиболее знакомые нам типы двигателей.

Живые клетки представляют собой химические машины, работающие при постоянной температуре.

Это еще один принцип молекулярной логики живого состояния. Клетки используют химическую энергию для выполнения химической работы в процессе их роста и биосинтеза клеточных компонентов, а также осмотической работы, необходимой для переноса питательных веществ в клетку, и механической работы сократительного и двигательного аппаратов.

Рис. 1-4. Солнечный свет служит исходным источником всех форм биологической энергии.

Для всех живых организмов вбиосфере источником энергии служит в конечном счете солнечное излучение, которое возникает в результате реакции ядерного синтеза - слияния ядер водорода с образованием ядер гелия, протекающего на Солнце при необычайно высокой температуре. Фотосинтезирующие клетки растений улавливают энергию солнечного излучения и расходуют ее на превращение углекислого газа и воды в разнообразные богатые энергией растительные продукты, например крахмал и целлюлозу. При этом они выделяют в атмосферу молекулярный кислород. Другие организмы, не способные к фотосинтезу, получают необходимую им энергию путем окисления богатых энергией растительных продуктов атмосферным кислородом. Образующийся в результате углекислый газ и другие продукты окисления возвращаются в окружающую среду и снова вовлекаются растениями в круговорот веществ. Это дает нам основание сформулировать еще два принципа молекулярной логики живого состояния.

Энергетические потребности всех живых организмов прямо или косвенно удовлетворяются за счет солнечной энергии.

Весь растительный и животный мир (вообще все живые организмы) зависят друг от друга, поскольку между ними через внешнюю среду постоянно происходит обмен энергией и материей.

Протерозойский эон - это самая длинная эпоха в истории Земли. Он начался 2,5 миллиарда лет до н. э. и закончился 541 миллион лет до н.э. За это время Земля превратилась из бескислородной планеты микробов, прокариот в кислородную планету многоклеточных организмов.

1. Великое кислородное событие

Биолог Александр Марков о кислородном кризисе, парниковых газах и появлении эукариот

В раннем протерозое в течение нескольких сотен миллионов лет происходило достаточно быстрое нарастание количества свободного кислорода в атмосфере и гидросфере. Предпосылки к этому сложились еще в конце архейской эры. Примерно 2,45 миллиарда лет назад началось так называемое великое кислородное событие, когда уровень кислорода вырос почти с 0% до примерно 1% от нынешнего содержания кислорода.

Почему геологи считают, что в этот период выросло содержание кислорода? На это указывает целый ряд признаков, например соотношение изотопов серы в осадочных породах. По-видимому, вулканические газы, попадающие в атмосферу, в том случае, если в этой атмосфере нет кислорода, участвуют в определенных фотохимических реакциях, во время которых происходит фракционирование изотопов серы и получается измененный изотопный состав. Но когда в атмосфере появляется кислород, эти процессы прекращаются. И в начале протерозоя эти процессы как раз прекратились.

А. Марков. 2010. Рождение сложности. Эволюционная биология сегодня: неожиданные открытия и новые вопросы. М.: Астрель: CORPUS.

2. Кризис в микробных сообществах

Также существует ряд минералов в осадочных породах, которые могут образовываться только в бескислородных условиях - в присутствии кислорода они окисляются. И такие неокисленные минералы тоже встречаются в породах до начала протерозоя, а потом они больше не образуются.

В те времена все микробы были приспособлены к жизни в бескислородных условиях, а кислород - это сильный окислитель, это фактически сильный яд, от которого нужно защищаться каким-то специальным образом. Рост содержания кислорода в атмосфере должен был вызвать некий кризис в микробных сообществах, которые тогда составляли фактически единственную форму жизни на Земле.

Е. Кунин. 2014. Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции. М.: Центрполиграф.

3. Причины Гуронского оледенения

В это же время происходит первое крупное оледенение на Земле - его называют Гуронским.
Причины наступления теплых или холодных эпох в истории Земли, по-видимому, были достаточно разнообразны. Но одна из важных причин их наступления - это количество таких парниковых газов в атмосфере, как CO2, метан, водяной пар. Однако развитие жизни влияет именно на содержание углекислого газа, а затем метана.

7 фактов об этапах абиогенеза и проблеме происхождения жизни на Земле

Почему оледенение происходит в тот момент, когда растет содержание кислорода? Во-первых, чтобы росло содержание кислорода, нужно, чтобы углерод выводился из круговорота. Во время биогенного цикла углерода фотосинтезирующие организмы изымают из атмосферы углекислый газ, делают из него органику. Потом гетеротрофные организмы, которые питаются готовой органикой, окисляют эту органику при помощи кислорода, выделяющегося фотосинтетиками, и превращают ее снова в CO2. Таким образом, фотосинтетики выделяют кислород и забирают углерод из атмосферы, а гетеротрофные организмы, наоборот, забирают кислород и выделяют углерод.

Если активность фотосинтетиков не уравновешивается полностью активностью гетеротрофов, то есть потребление органики отстает от производства органики, то эта лишняя органика будет захораниваться в земной коре. Это приводит к тому, что углерод постепенно выводится из атмосферы, содержание CO2 в атмосфере падает, парниковый эффект слабеет, и становится холоднее.

В момент быстрого роста содержания кислорода происходило оледенение. Кроме того, выделяющийся кислород мог окислять метан, который, по-видимому, тогда еще в значительном количестве присутствовал в атмосфере. А метан - это тоже очень сильный парниковый газ.

К. Еськов. 2000. История Земли и жизни на ней. М.: МИРОС – МАИК «Наука-Интерпериодика».

4. Появление первой эукариотической клетки

К окончанию первого оледенения и к окончанию периода быстрого роста кислорода происходит важнейшее событие в эволюции земной жизни - появляется первая эукариотическая клетка.
До сих пор на Земле жили только прокариоты - это бактерии, которые не имеют клеточного ядра и других мембранных структур, органелл. В клетке у них нет митохондрий, пластид и всяких других сложностей. Еще на заре клеточной жизни прокариоты разделились на две большие группы: бактерии и археи (раньше их называли архебактериями).

Эукариоты - это третья большая группа живых организмов, которая появляется впервые в раннем протерозое, скорее всего, в связи с ростом кислорода. Эукариоты - это организмы, у которых есть ядро в клетке, митохондрии, и приспособлены они изначально именно к кислородной среде. Митохондрии - это органеллы эукариотической клетки, которые как раз нужны для кислородного дыхания, поскольку они используют кислород для окисления органики и получения энергии. Именно эукариотическая клетка стала основой развития всех сложных форм многоклеточной жизни на нашей планете: животных, растений, грибов.

Прокариоты несколько раз пытались и продолжают пытаться иногда перейти к многоклеточности, но эти попытки не заходят далеко по ряду технических причин. Например, в многоклеточном организме разные клетки выполняют разные функции, соответственно, в разных тканях у них работают разные гены. Геном эукариотического организма содержит все гены, необходимые для формирования всех тканей многоклеточного организма, но в каждой ткани работает только часть из них - та, которая нужна. Для того чтобы это работало, нужна очень сложная эффективная система регуляция работы генов. А для этого как раз очень важно иметь клеточное ядро, в котором гены изолированы от бурных биохимических процессов, происходящих в цитоплазме. Там можно развить эффективные системы регуляции работы генов, чего у прокариот нет, поскольку они имеют более простые регуляторные системы.

5. Строение эукариотической клетки

Некоторые исследователи считают, что именно появление эукариотической клетки - самое ключевое событие в эволюции жизни на Земле. И может быть, оно произошло только один раз, поскольку все современные эукариоты, очевидно, происходят от одного предка. Возможно, были какие-то другие попытки таких эволюционных опытов, но они не дожили до наших дней.

7 фактов о самой элементарной системе организма

Эукариотическая клетка имеет химерную природу. Она появилась как закономерный итог эволюции докембрийских микробных сообществ, которые составляли основную форму жизни в архейской эре и продолжали доминировать в протерозое. Если посмотреть, из каких белков сделана эукариотическая клетка, то получается очень интересная вещь. Центральная система эукариотической клетки, связанная с репликацией ДНК, работой с генетической информацией, синтезом белка, обслуживается белками, похожими на белки архей. А вот на периферии - обмен веществ, рецепторы, взаимодействие с внешней средой, передача сигналов - доминируют белки, похожие на белки бактерий. То есть эукариотическая клетка имеет архейную сердцевину и бактериальную периферию. Другими словами, в процессе эволюции произошло некое слияние, комбинирование геномов представителей двух великих ветвей прокариот.

Н. Лейн. 2014. Лестница жизни. Десять величайших изобретений эволюции. М.: АСТ: CORPUS.

6. Приспособление древних микробов к кислороду

В ходе кислородного кризиса, когда древним микробам приходилось приспосабливаться к новому появившемуся яду - к свободному кислороду, какие-то археи, по-видимому, активно заимствовали чужие гены, в том числе бактериальные, и в результате приобрели ряд бактериальных свойств. Получился некий химерный одноклеточный организм, способный, например, к заглатыванию других прокариот. Возможно, они перешли к хищничеству, возможно, они сливались с другими клетками с целью обмена генетическим материалом. Скорее всего, на этом этапе формировалось половое размножение. Еще одной ключевой особенностью эукариот является настоящее половое размножение, связанное со слиянием половых клеток и с редукционным делением (мейозом).

Этот химерный организм в какой-то момент проглотил бактерии, представителей группы альфа-протеобактерий, которые стали предками митохондрий - органелл для кислородного дыхания. Тем самым этот организм, приобретя такого симбионта, защитился от токсического действия кислорода. После этого кислород утилизировался уже этими симбиотическими митохондриями. Свободноживущие предки митохондрий научились бороться с кислородом и изобрели систему кислородного дыхания. Вероятно, сначала они просто сжигали органику, чтобы обезвредить кислород, а потом научились извлекать из этого еще и пользу в виде энергии.

7. Развитие фауны одноклеточных эукариот в океане

Биолог Евгений Кунин о взгляде на гены с точки зрения статистической физики, смене эволюционной парадигмы и связи космологии с происхождением жизни

В ходе приспособления древних организмов к кислороду микробы превратились в прото-эукариотическую клетку с митохондриями. В какой-то момент в клетке появилось ядро. Существует теория о том, что ядро появилось в результате симбиоза с вирусами. Учеными были открыты очень большие вирусы, которые по ряду свойств напоминают клеточное ядро, из чего можно сделать вывод, что, возможно, ядро клетки тоже было приобретено в ходе эволюции путем симбиоза.

В начале протерозоя, два миллиарда лет назад, появляется эукариотическая клетка. Первые эукариоты были одноклеточными, гетеротрофами, то есть они потребляли готовую органику. Несколько позже какие-то эукариоты вступили в симбиоз с цианобактериями, проглотили их. Таким образом, эти цианобактерии дали начало пластидам, что привело к возникновению растений.

В течение среднего протерозоя мы уже видим в ископаемой летописи остатки одноклеточных эукариот. Постепенно из уже эукариотических одноклеточных водорослей развивался фитопланктон. И в это же время, по-видимому, начинают появляться первые многоклеточные водоросли.