Жизнь вышла из воды: Чтобы лучше тебя видеть: зачем жизнь вышла из воды на сушу? |

Содержание

Чтобы лучше тебя видеть: зачем жизнь вышла из воды на сушу?

Жизнь на Земле началась в воде. Поэтому когда первые животные вышли на сушу, им пришлось разменять свои плавники на конечности, а жабры на легкие, чтобы лучше адаптироваться к новой земной среде. На днях появилось новое исследование, которое показало, что переход к легким и конечностям не раскрывает полной картины трансформации этих существ. Когда они вышли из моря, они получили нечто, возможно, даже более ценное, чем насыщенный кислородом воздух: информацию. В воздухе глаза могут видеть гораздо дальше, чем под водой. По словам Малколма Макивера, невролога и инженера из Северо-западного университета, увеличенная дальность видимости обеспечивала животных дополнительной информацией о богатых источниках пищи вблизи берега.

Амфибии и сейчас выходят на землю, но это другое.

И эта же дальность, утверждает Макивер, диктовала развитие рудиментарных конечностей, которые позволяли животным совершать их первые короткие набеги на сушу. Более того, все это могло иметь далеко идущие последствия для появления более сложного сознания и комплексного планирования.

«Не так просто догадаться, глядя на конечности, что именно информация, возможно, которая плохо откладывается в ископаемых окаменелостях, вывела нас на сушу», говорит Макивер.

Макивер и Ларс Шмитц, палеонтолог из Клермонт-Колледжа, создали математические модели, которые исследуют, как увеличение информации, доступной для обитающих в воздухе существ, проявлялось бы в течение эонов в увеличении размера глаз. Они описывают экспериментальные данные, которые накопились в поддержку гипотезы, как они называют, «буэна виста» («прекрасный вид» с испанского), в PNAS.

Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.

Работа Макивера уже заслужила похвалу от экспертов в этой области за инновационный и тщательный подход. Пока палеонтологи долго размышляли о размере глаз в окаменелостях и о том, что они могут рассказать нам о зрении животного, «произошел большой шаг вперед», говорит Джон Хатчинсон из Королевского ветеринарного колледжа в Великобритании. «Это не просто рассуждения, основанные на качественных наблюдениях; это тестирование предположений и качественное отслеживание больших изменений на протяжении макроэволюционного времени».

Подводные охотники

Макивер впервые придумал свою гипотезу в 2007 году, изучая черную ножетелку в Южной Америке — электрическую рыбу, которая охотится ночью, создавая электрические токи в воде, чтобы чувствовать свою среду. Микивер сравнивает ее эффект с некоторого рода радарной системой. Являясь в некоторой степени эрудитом, с интересами и опытом в области робототехники и математики, а также биологии, неврологии и палеонтологии, Макивер построил роботизированную версию ножетелки, дополненную электросенсорной системой, чтобы изучить ее экзотические способности восприятия и необычайную подвижность.

Вам будет интересно: Эволюция человека: обратно к деревьям?

Когда Макивер сравнивал объем пространства, в котором ножетелки могут потенциально находить водяных блох, которых любят есть, с объемом, в котором рыбы полагаются на зрение при охоте за той же добычей, они оказались примерно равными. Это было неожиданно. Поскольку ножетелка должна вырабатывать электричество, чтобы воспринимать мир вокруг — на это ведь уходит много энергии — стоило бы ожидать, что радиус восприятия будет меньше, если сравнивать с рыбами, полагающимися на зрение. Сначала ученый посчитал, что допустил ошибку в расчетах. Но очень скоро выяснил, что критическим фактором, который нужно было учесть для расчета неожиданно малого объема визуально досягаемого пространства, был показатель поглощения и рассеяния света водой. В пресной воде, например, расстояние, которое свет может преодолеть, прежде чем будет рассеян и поглощен водой, разнится от 10 сантиметров до 2 метров. В воздухе свет может преодолевать от 25 до 100 километров, в зависимости от влажности воздуха.

По этой причине водоплавающие существа редко получают существенное эволюционное преимущество вследствие увеличения размера глаз, больше теряют. Глаза очень прожорливы с точки зрения эволюции, поскольку на их поддержание уходит много энергии; светочувствительные клетки и нейроны в визуальных областях мозга требуют много кислорода для функционирования. Поэтому любое увеличение размера глаз должно давать преимущества, которые могли бы оправдать лишний расход энергии. Макивер сравнивает увеличение размера глаз в воде с переключением на дальний свет в тумане в попытке разглядеть дальнейшую дорогу.

Но как только вы вынимаете глаза из воды, поднимаете их в воздух, больший размер глаз приводит к пропорциональному увеличению дальности вашего зрения.

Макивер пришел к выводу, что размер глаз значительно увеличился в процессе перехода животных из воды на сушу. Когда он поделился своим выводом с эволюционным биологом Нейлом Шубиным — членом команды, открывшей Tiktaalik roseae (тиктаалик), важную переходную окаменелость возрастом 375 миллионов лет назад с легкими и жабрами — Макивер выяснил для себя, что палеонтологи отметили увеличение размера глаз в своей летописи. Просто не придали большого значения этой перемене. Поэтому Макивер решил провести самостоятельное расследование.

Крокодильи глаза

Красиво, но лучше такое не встречать.

У Макивера была интересная гипотеза, но он искал доказательства. Поэтому он объединился со Шмитцем, который имел опыт в интерпретации глазных ячеек четырехногих окаменелых «тетрапод» (одним из которых был тиктаалик), и двое ученых задумались над тем, как лучше всего проверить идею Макивера.

Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.

Сперва Макивер и Шмитц тщательно проанализировали летопись окаменелостей, чтобы выявить изменения размеров глазных впадин, которые указывают на соответствующие изменения в глазах, поскольку они пропорциональны размерам впадин. Ученые собрали 59 черепов первых четвероногих, имевших место в переходный период между водой и сушей, которые были достаточно целы, чтобы можно было измерить как глазную орбиту, так и длину черепа. Затем они загрузили эти данные в компьютерную модель, чтобы экстраполировать изменение размера глазницы на много поколений и получить представление об эволюционном генетическом дрейфе этой особенности.

Выяснилось, что заметный рост размера глаз действительно наблюдался — в три раза, по сути — во время переходного периода. Средний размер глазной впадины перед переходом был 13 миллиметров, а после — 36 миллиметров. Кроме того, у тех существ, которые вышли из воды на сушу и вернулись в воду — вроде мексиканской пещерной рыбы Astyanax maxicanus, — средний размер глазной орбиты сократился до 14 миллиметров, то есть практически вернулся к прежнему состоянию.

Вам будет интересно: Обнаружен таракан, живший в эпоху динозавров

У этих результатов была одна проблема. Первоначально Макивер предполагал, что увеличение произошло после того, как животные стали полностью сухопутными, поскольку эволюционные преимущества дальнего зрения на суше привели бы к увеличению размера глазницы. Но сдвиг произошел до того, как завершился переход из воды на сушу, даже до того, как существа развили рудиментарные конечности на своих рыбных придатках. Как же пребывание на суше могло подтолкнуть постепенное увеличение в размере глазной орбиты?

Когда Макивер и Шмитц проанализировали данные по размеру глаз в окаменевшей летописи, они заметили, что орбиты меняли положение в ходе переходного периода, смещались с боковых частей черепа наверх, где закреплялись в костных выступах. Также они заметили крошечные разрезы возле ушной области — дыхальца — которые помогали четвероногим дышать воздухом. Короче говоря, эти создания стали напоминать крокодилов. Внезапно все стало на свои места.

«Я не ожидал, что эти существа могли использовать воздушное зрение, оставаясь все еще водоплавающими», говорит Макивер. «Я предполагал, что воздушное зрение равно пребыванию на суше». Это не так. Скорее, переходные четвероногие должны были охотиться как крокодилы, прячущиеся в мелководье на берегу, когда лишь глаза выглядывают над поверхностью в поисках вкусной добычи.

Заходите в наш специальный Telegram-чат. Там всегда есть с кем обсудить новости из мира высоких технологий.

В таком случае, «похоже, охота, подобно крокодильей, была шлюзом на сушу», говорит Макивер. «Точно так же, как действию предшествует информация, появление на суше, вероятно, объяснялось огромным выигрышем в обретении зрения за счет торчащих над водой глаз, которые могут видеть нетронутый источник добычи, а вслед за этим обретались и конечности».

Это мнение согласуется с работой Дженнифер Клак, палеонтолога из Кембриджского университета, которая известна ископаемым Pederpes finneyae — это древнейшая из известных «ног, предназначенных для прогулок по суше», которая при этом не была полностью сухопутной. Хотя ранние четвероногие были преимущественно водными, а позднее четвероногие стали явно сухопутными, палеонтологи полагают, что это существо проводило время и в воде, и на суше.

Наши предки могли быть и такими. Ну почти…

Определив, насколько увеличились размеры глаз, Макивер решил рассчитать, насколько дальше животные могли видеть большими глазами. Он адаптировал существующую экологическую модель, которая учитывает не только анатомию глаз, но и другие факторы, такие как окружающая среда. В воде больший глаз только увеличивает визуальный диапазон от чуть более шести метров до почти семи метров. Но увеличьте размер глаз в воздухе — и улучшение вырастет от 200 до 600 метров.

Макивер и Шмитц проводили одно и то же моделирование в самых разных условиях: дневной свет, безлунная ночь, звездный свет, чистая вода и даже мутная вода. «Не имеет значения, — говорит Макивер. — Во всех случаях прирост в воздухе был огромен. Даже если они охотились средь бела дня в воде и выходили только в безлунные ночи, это все равно было им выгодно, с позиции зрения».

Вам будет интересно: Похожая на Землю луна Сатурна провалила тест на существование внеземной жизни

Использование количественных инструментов для объяснения закономерностей в летописи окаменелостей представляет совершенно новый подход к проблеме. Все больше палеонтологов и эволюционных биологов вроде Шмитца используют эти методы.

«Палеонтология — это во многом изучение окаменелостей с последующим составлением описаний того, как эти окаменелости могли бы вписаться в определенную среду», говорит Джон Лонг, палеобиолог из Университета Флиндерса в Австралии, который изучает, как рыба эволюционировала в четвероногих. «Эта статья содержит очень хорошие экспериментальные данные, позволяющие тестировать зрение в различных средах. И эти данные соответствуют тем схемам, которые мы видим на примере этих рыб».

Шмитц выделил два ключевых события в количественном подходе, которые произошли за последние десять лет. Во-первых, все больше ученых адаптируют методы современной сравнительной биологии к анализу ископаемых записей, изучая взаимосвязь животных друг с другом. Во-вторых, есть большой интерес к моделированию биомеханики древних существ таким образом, который на самом деле можно проверить — чтобы определить, как быстро могли бегать динозавры, к примеру. Такой модельный подход к интерпретации окаменелостей может быть применен не только к биомеханике, но и к сенсорной функции — в данном случае объяснить, как выход из воды повлиял на зрение первых четвероногих.

«Оба подхода привносят нечто уникальное, поэтому должны идти рука об руку», говорит Шмитц. «Если бы я провел анализ глазной орбиты самой по себе, я бы не понял, что это означает на самом деле. Глаза стали больше, но почему?». Сенсорное моделирование может отвечать на эти вопросы качественно, а не количественно.

Шмитц планирует исследовать другие переходы из воды на сушу в летописи окаменелостей — не только на примере первых четвероногих — чтобы поискать соответствующие увеличения в размерах глаз. «Если вы посмотрите на другие переходы между водой и сушей, между сушей и снова водой, вы увидите схожие картины, которые потенциально могли бы подтвердить эту гипотезу», говорит он. Например, окаменелости морских рептилий, которые сильно полагаются на зрение, тоже могут продемонстрировать увеличение глазной орбиты по мере их выхода на сушу.

Мыслить по-новому

Опыт Макгивера-невролога неизбежно заставлял его задуматься над тем, как все это могло повлиять на поведение и когнитивные способности четвероногих при переходе из воды на сушу. Например, если вы живете и охотитесь в воде, ваша ограниченная дальность зрения — примерно на одну длину тела вперед — означает, что вы живете в «реактивном режиме»: у вас есть всего несколько миллисекунд на реакцию. Все сводится к одной схеме. Вы либо съедите, либо будете съедены, и лучше принимать решение быстро.

Возможно, это один из наших ооооочень далеких родственников.

Но для наземного животного способность видеть дальше означает, что у него есть гораздо больше времени, чтобы оценить ситуацию и выработать лучшую стратегию действий, будь оно хищником или жертвой. По мнению Макивера, вероятно, первые наземные животные начали охоту на наземную добычу реактивно, но со временем те, которые могли выйти за рамки реактивного режима и научились мыслить стратегически, получили эволюционное преимущество. «Теперь вам приходится оценивать несколько будущих исходов и быстро выбирать между ними, — говорит ученый. — Это мысленное путешествие во времени, которое стало важной частью наших собственных познавательных способностей».

Вам будет интересно: Может ли путешествие во времени уничтожить Вселенную?

Другие чувства, вероятно, тоже сыграли определенную роль в развитии более развитого сознания. «Это чрезвычайно увлекательно, но я не думаю, что способность планировать внезапно появилась только благодаря зрению», говорит Барбара Финлей, эволюционный нейрофизик из Корнелльского университета. В качестве примера она указывает на то, как лосось полагается на обоняние во время миграции вверх по течению.

Хатчинсон соглашается с тем, что было бы полезно рассмотреть, как многие сенсорные изменения в течение этого критического переходного периода сочетаются друг с другом, а не изучать одно только зрение. Например, «мы знаем, что запах и вкус вначале были связаны в водной среде, а затем разделились», говорит он. «Но слух сильно изменился при переходе от водной к сухой среде, вместе с развитием правильного внешнего уха и других особенностей».

Эта работа имеет последствия для будущей эволюции человеческого познания. Возможно, однажды мы сможем сделать очередной эволюционный скачок, преодолев то, что Макивер в шутку называет «палеоневрологией человеческой глупости». Люди в силах понять последствия краткосрочных угроз, но долгосрочное планирование — например, смягчение последствий изменений климата — мы практически не перевариваем. «Возможно, ряд наших ограничений в стратегическом мышлении восходит к тому, как разные условия влияют на планирование», говорит он. «Мы не можем мыслить в геологических временных масштабах».

Его работа может помочь нам идентифицировать собственные слепые пятна.

Чтобы лучше тебя видеть: зачем жизнь вышла из воды на сушу?

Hi-News.ru

871383+03:00″>23 марта 2017, 16:36

Видео дня

«Не так просто догадаться, глядя на конечности, что именно информация, возможно, которая плохо откладывается в ископаемых окаменелостях, вывела нас на сушу», говорит Макивер.

Подводные охотники

Крокодильи глаза

Мыслить по-новому

Его работа может помочь нам идентифицировать собственные слепые пятна.

Ларс Шмитц, Джон Хатчинсон

Evolution: Out Of The Sea

В четверг, 26 июля, был запущен SciLogs.com, новая сеть научных блогов на английском языке. SciLogs.com, совершенно новый дом для блоггеров Nature Network, является частью международной коллекции блогов SciLogs, которая уже существует на немецком, испанском и голландском языках. Чтобы отпраздновать это дополнение к семейству научных блогов NPG, некоторые из блогов NPG публикуют сообщения, посвященные «Началу».

В этом межсетевом фестивале блогов принимают участие блог Soapbox Science от Nature.com, блог Student Voices от Scitable, а также блогеры из SciLogs.com, SciLogs.de, Scitable и сети блогов Scientific American. Присоединяйтесь к нам, чтобы исследовать различные интерпретации начал — от научных примеров, таких как стволовые клетки, до первого опыта, такого как публикация вашей первой статьи. Вы также можете следить за обсуждениями в социальных сетях и участвовать в них, используя хэштег #BeginScights. – Бора

В начале земля была бесформенной и пустой; и тьма была над бездною, когда гигантское облако газа и пыли рухнуло, образовав нашу Солнечную систему. Планеты формировались по мере того, как туманность вращалась, приводилась в движение ближайшей сверхновой, а в центре происходило самое быстрое сжатие частиц, вспыхнувших и превратившихся в наше солнце. Около 4,5 миллиардов лет назад расплавленная земля начала остывать. Жестокие столкновения с кометами и астероидами принесли жидкость жизни — воду — и облака и океаны начали обретать форму. Лишь миллиард лет спустя зародилась первая жизнь, наполнив атмосферу кислородом.

В течение следующих нескольких миллиардов лет одноклеточные организмы слились и стали многоклеточными; планы тела разнообразились и расходились, превращаясь в множество беспозвоночных. Однако все это изобилие и жизнь ограничивались морями, а обширная и плодородная земля оставалась неиспользованной. Около 530 миллионов лет назад есть свидетельства того, что животные, похожие на многоножек, начали исследовать мир над водой. Где-то около 430 миллионов лет назад растения и колонизировали голую землю, создав землю, богатую пищей и ресурсами, в то время как рыбы произошли от предков позвоночных в море. Прошло еще 30 миллионов лет, прежде чем эти доисторические рыбы выползли из воды и начали эволюционную линию, на вершине которой мы сидим сегодня. Чтобы понять жизнь такой, какой мы ее знаем, мы должны оглянуться на то, откуда мы пришли, и понять, как наши предки выдержали новый мир над волнами.

Это был маленький шаг для рыб, но гигантский скачок для животных. Хотя, глядя на современные виды рыб, не так уж сложно представить их медленную адаптацию к жизни вне моря. Буквально на днях я кормил своего ручного скорпиона Стампи, и он удивил меня этим медленным, неторопливым ползком к своей еде:

Некоторые рыбы обладают чертами, мало чем отличающимися от первых четвероногих: четвероногие позвоночные, которые впервые вышли на сушу, прямые потомки древних рыб. Многие из родственников Стампи, в том числе гарнарды, известны своим «ходячим» поведением. Точно так же прыгуны адаптировались анатомически и поведенчески, чтобы выжить на суше. Они не только могут использовать свои плавники, чтобы прыгать с места на место, они могут дышать через кожу, как это делают амфибии, что позволяет им выживать, когда они покидают свои мелкие водоемы. Ходячие сомы настолько модифицировали свою дыхательную систему, что могут выживать без воды в течение нескольких дней. Но все это лишь беглое представление о том, как появились первые четвероногие, поскольку ни одно из этих животных полностью не приспособилось к жизни на суше. Чтобы понять, как четвероногие достигли такого подвига, мы должны сначала понять барьеры, которые лежали между их жизнью под водой и землей над ними, которые их ждали.

Жизнь в воздухе вместо воды сопряжена с трудностями. Одной из проблем является передвижение, хотя, как показала эволюция ряда линий, это не такая большая проблема, как вы могли бы подумать. Тем не менее, хотя илистые прыгуны и сомы, кажется, ходят легко, этого нельзя сказать о наших предках. Некоторые из самых ранних четвероногих, такие как Ichthyostega , были довольно громоздкими на суше и, вероятно, проводили большую часть своего времени в комфортной воде. Эти первые четвероногие произошли от древней линии рыб, называемых саркоптеригиями или кистеперыми рыбами, из которых сегодня сохранились лишь немногие. Как следует из названия, у этих животных мясистые веслообразные плавники, а не тонкие лучи, как у большинства современных видов рыб. Эти плавники, покрытые плотью, созрели для превращения в конечности.

Но этим ранним четвероногим пришлось разработать нечто большее, чем просто новый способ ходьбы — весь их скелет должен был измениться, чтобы выдерживать больший вес, поскольку вода поддерживает массу так, как воздух просто не может. Каждый позвонок должен был стать сильнее для поддержки. Ребра и позвонки изменили форму и эволюционировали для дополнительной поддержки и лучшего распределения веса. Черепа разъединились, а шеи эволюционировали, чтобы обеспечить лучшую подвижность головы и поглощать удары при ходьбе. Кости были утеряны и смещены, упорядочив конечности и создав пятизначный узор, который до сих пор отражается в наших собственных руках и ногах. Суставы сочленены для движения и повернуты вперед, чтобы четвероногие могли ползать. В целом, потребовалось долгих 30 миллионов лет или около того, чтобы разработать план тела, пригодный для ходьбы по суше.

В то же время эти неуклюжие наземные обитатели столкнулись с еще одним препятствием: самим воздухом. С жабрами, приспособленными для извлечения кислорода из воды, ранние четвероногие были плохо приспособлены для дыхания воздухом. Хотя многие думают, что ранние четвероногие превратили свои жабры в легкие, на самом деле это не так — вместо этого пищеварительная система рыб приспособилась к формированию легких. Первые четвероногие, покинувшие воду, дышали, заглатывая воздух и поглощая кислород в кишечнике. Со временем образовался специальный карман, позволяющий лучше газообмен. У многих рыб существует похожая структура, называемая плавательным пузырем, которая позволяет им регулировать плавучесть в воде, и поэтому многие предполагают, что легкие четвероногих являются кооптированными плавательными пузырями. На самом деле, когда именно у четвероногих развились легкие, неясно. В то время как единственные выжившие родственники ранних четвероногих — двоякодышащие рыбы — также обладают легкими (если их название не выдало этого), у многих ископаемых четвероногих, похоже, их нет, что позволяет предположить, что двоякодышащие рыбы независимо развили свою способность дышать воздухом. Что мы действительно знаем, так это то, что только около 360 миллионов лет назад четвероногие действительно дышали, как их современные потомки.

Другая проблема с воздухом заключается в том, что он сушит вещи. Возможно, вы слышали статистику о том, что наши тела на 98% состоят из воды, но, как и у хорошо развитых наземных организмов, у нас есть высокоразвитые структуры, которые гарантируют, что вся эта вода не просто испарится. Ранним четвероногим нужно было развивать их самостоятельно. Поначалу, подобно амфибиям, которые произошли от них, многие четвероногие, вероятно, придерживались влажных местообитаний, чтобы избежать потери воды. Но в конце концов, чтобы покорить засушливые земли и пустыни, животным пришлось найти другой способ защитить себя от высыхания. Вполне вероятно, что многие из первых четвероногих начали экспериментировать со способами сделать свою кожу водонепроницаемой. Еще более важным был вопрос сухих яиц. Земноводные решают проблему засухи, откладывая яйца в воду, но четвероногие, завоевавшие сушу, не имели такой роскоши.

Решение проблемы засушливой природы земли заключалось в заключении яиц в несколько слоев мембраны, что сейчас известно как яйцо амниоты. Даже наши собственные дети отражают это, поскольку человеческие младенцы все еще растут в амниотическом мешочке, окружающем плод, хотя мы больше не откладываем яйца. Эта решающая адаптация позволила животным разорвать связи с водной средой обитания и отличает основную линию четвероногих, включая рептилий, птиц и млекопитающих, от амфибий.

Эти важные приспособления к скелетам и анатомии четвероногих позволили им завоевать мир над волнами. Без их эволюционной изобретательности разнообразный набор животных, включая всех млекопитающих, не был бы там, где они есть сегодня. Тем не менее, мы до сих пор едва понимаем экологические условия, изгнавшие этих ранних животных из моря. Предлагала ли суша бесконечное изобилие пищи, от которой нельзя было отказаться? Возможно, но есть доказательства того, что наши предки выдержали испытание сухим миром очень рано, даже раньше, чем большинство наземных растений или насекомых, так что вполне возможно, что земля была бесплодной. Спасались ли они от конкуренции и хищничества в глубине? Или земля была важна по какой-то еще неустановленной причине? Мы можем никогда не узнать. Но когда мы размышляем о своем происхождении, мы должны отдать должное смелым животным, которые положили начало разнообразной эволюционной линии, частью которой мы являемся. Хотя мы, возможно, никогда не поймем, почему они покинули воду, мы благодарны им за то, что они это сделали.

Другие сообщения в серии Evolution:

Загадочная история собак
Наблюдение за видообразованием
Азартная игра
Рост сложности

Фото: Модель Tiktaalik rosea , одного из первых предков четвероногих. Фото предоставлено Тайлером Кейлором.

Выраженные взгляды принадлежат автору (авторам) и не обязательно совпадают с мнением Scientific American.

ОБ АВТОРАХ

Кристи Уилкокс — научный сотрудник в области клеточной и молекулярной биологии в Гавайском университете, где она изучает яды. Она также является научным блоггером и коммуникатором. Подписывайтесь на Кристи Уилкокс в Твиттере. Автор: Ник Хиггинс

Происхождение жизни на суше или на море? Споры становятся горячими

Между биологами и химиками бушуют споры о том, где зародилась жизнь – на суше или под водой. Rachel Brazil смотрит на аргументы

Вопрос «Как зародилась жизнь?» тесно связан с вопросом «Где зародилась жизнь?» Большинство экспертов сходятся во мнении «когда»: 3,8–4 миллиарда лет назад. Но до сих пор нет единого мнения относительно среды, которая могла способствовать этому событию. С момента их открытия глубоководные гидротермальные жерла были предложены в качестве места зарождения жизни, особенно щелочные жерла, подобные тем, что были найдены на месторождении «Затерянный город» в средней Атлантике. Но не все убеждены, что жизнь зародилась в море — многие говорят, что химия просто не сработает, и ищут место рождения на суше. С несколькими гипотезами в игре гонка собирается воспроизвести условия, которые позволили возникнуть жизни.

В 1977 году в срединно-океаническом хребте Восточно-Тихоокеанского поднятия был обнаружен первый глубоководный гидротермальный источник. Названные «черными курильщиками», жерла выбрасывают геотермально нагретую воду до 400°C с высоким содержанием сульфидов, которые выпадают в осадок при контакте с холодным океаном, образуя черный дым. За этим последовало в 2000 году открытие нового типа щелочных глубоководных гидротермальных источников, обнаруженных немного в стороне от срединно-океанических хребтов. Первое месторождение, известное как Затерянный город, было обнаружено на морском дне горы Массив Атлантиды в средней части Атлантики.

Вентиляционные каналы образуются в результате процесса, известного как серпентинизация. Порода морского дна, в частности оливин (силикат магния и железа), вступает в реакцию с водой и производит большие объемы водорода. В Затерянном городе, когда теплые щелочные жидкости (45–90°C и pH 9–11) смешиваются с морской водой, они образуют белые дымоходы из карбоната кальция высотой 30–60 м.

В 1993 г., еще до того, как были обнаружены щелочные жерла, геохимик Майкл Рассел из Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL) в Калифорнии, США, предложил механизм, с помощью которого жизнь могла зародиться в таких жерлах.1 Его идеи, обновленные в 2003 г.,2 предполагают, что жизнь возникла в результате использования градиентов энергии, которые возникают, когда щелочная вода жерла смешивается с более кислой морской водой (считалось, что ранние океаны содержали больше углекислого газа, чем сейчас).

Это отражает способ использования энергии клетками. Клетки поддерживают протонный градиент, перекачивая протоны через мембрану, чтобы создать разность зарядов изнутри наружу. Известная как протонно-движущая сила, ее можно приравнять к разнице примерно в 3 единицы рН. Это эффективный механизм для хранения потенциальной энергии, который затем можно использовать, когда протонам позволяют проходить через мембрану для фосфорилирования аденозиндифосфата (АДФ) с образованием АТФ.

Теория Рассела предполагает, что поры в трубах гидротермальных источников служат шаблонами для клеток с той же разницей в 3 единицы pH на тонких минеральных стенках взаимосвязанных микропор источников, которые отделяют источник и морскую воду. Эта энергия, наряду с каталитическими минералами сульфида железа и никеля, позволила уменьшить углекислый газ и произвести органические молекулы, затем самовоспроизводящиеся молекулы и, в конечном итоге, настоящие клетки со своими собственными мембранами.

Химические сады

Химик Лора Бардж, также научный сотрудник Лаборатории реактивного движения, проверяет эту теорию с помощью химических садов — эксперимент, который вы, возможно, проводили в школе. Глядя на химические сады, «вы думаете, что это жизнь, но это определенно не так», — говорит Бардж, специализирующаяся на самоорганизующихся химических системах. Классический химический сад формируется путем добавления солей металлов в реакционноспособный раствор силиката натрия. Анионы металла и силиката осаждаются с образованием желеобразной коллоидной полупроницаемой мембраны, содержащей соль металла. Это создает градиент концентрации, который дает толчок для роста полых столбиков, похожих на растения.

«Мы начали симулировать то, что вы можете получить с вентиляционной жидкостью и океаном, и мы можем выращивать крошечные дымоходы — они по сути похожи на химические сады», — объясняет Барж. Чтобы имитировать ранний океан, она вводила щелочные растворы в богатые железом кислые растворы, создавая дымоходы из гидроксида железа и сульфида железа. Из этих экспериментов ее команда продемонстрировала, что они могут генерировать электричество: чуть меньше вольта от четырех садов, но достаточно для питания светодиода3, показывая, что вид протонных градиентов, которые обеспечивают энергию в глубоководных жерлах, может быть воспроизведен.

Ник Лейн, биохимик из Университетского колледжа Лондона в Великобритании, также пытался воссоздать пребиотические геоэлектрохимические системы с помощью своего реактора происхождения жизни. Он поддерживает теорию Рассела, хотя и недоволен ярлыком «прежде всего метаболизм», который ему часто присваивают, в отличие от теории «прежде всего информация», которая предполагает, что синтез реплицирующихся молекул РНК был первым шагом к жизни. «Их изображают противниками, но я думаю, что это глупо», — говорит Лейн. «На мой взгляд, мы пытаемся выяснить, как вы попадаете в мир, где у вас есть отбор и вы можете дать начало чему-то вроде нуклеотидов».

Лейна убедило, насколько тесно связаны геохимия и биохимия. Например, такие минералы, как грейгит (Fe3S4), обнаруживаются внутри жерл, и они обнаруживают некоторую связь с железо-серными кластерами, обнаруженными в микробных ферментах. Они могли действовать как примитивные ферменты для восстановления углекислого газа водородом и образования органических молекул. «Есть и различия: барьеры [между микропорами в вентиляционных трубах] толще [чем клеточные мембраны] и так далее, но аналогия очень точна, и поэтому возникает вопрос: «Возможны ли эти естественные протонные градиенты для разрушения? барьер для реакции между водородом и углекислым газом?»

Простая настольная модель открытого жизненного реактора Лейна4 имитирует гидротермальные источники. С одной стороны полупроводникового каталитического барьера железо-никель-сера прокачивается щелочная жидкость, имитирующая вентиляционные жидкости, а с другой стороны — кислый раствор, имитирующий морскую воду. Так же как и скорости потока, температуры могут варьироваться с обеих сторон. Через мембрану: «Первый шаг — попытаться заставить углекислый газ реагировать с водородом с образованием органических веществ, и, похоже, нам удалось таким образом получить формальдегид», — говорит Лейн.

До сих пор доходность была очень низкой, но Лейн считает, что у них есть «доказательство принципа». Они работают над воспроизведением своих результатов и доказывают, что наблюдаемый формальдегид не происходит из другого источника, такого как разрушение труб. В тех же условиях, по словам Лэйна, они также смогли синтезировать сахара с низким выходом, включая 0,06% рибозы, из формальдегида, хотя и не при той концентрации формальдегида, которую производил только реактор.

Копаем глубже

Исследуя гидротермальные источники, геохимик Фридер Кляйн из Океанографического института Вудс-Хоул в США обнаружил вариант глубоководной истории происхождения. Он нашел доказательства жизни в скалах под морским дном, которые могли обеспечить подходящую среду для зарождения жизни.

Кляйн и его коллеги изучали образцы керна, пробуренного на континентальной окраине Пиренейского моря у побережья Испании и Португалии в 1993 году. Образцы были взяты из горных пород на 760 м ниже современного морского дна, что должно было быть на 65 м ниже раннего неосадочного дна океана. . Он увидел в образцах необычные прожилки, состоящие из минералов, также найденных в гидротермальной системе Затерянного города. «Меня это заинтриговало, потому что этот минеральный комплекс образуется только при смешивании гидротермальных флюидов с морской водой», — говорит Кляйн. Это говорит о том, что аналогичная химия может происходить под морским дном.

В этих жилах возрастом 120 миллионов лет группа Кляйна обнаружила включения окаменелых микробов. Он предполагает, что осушающие свойства минерала брусита (Mg(OH)2) могут объяснить сохранение органических молекул от микробов. К ним относятся аминокислоты, белки и липиды, которые были идентифицированы с помощью конфокальной рамановской спектроскопии. Кляйн говорит, что поначалу он был настроен скептически, но анализ извлеченных образцов подтвердил наличие уникальных липидных биомаркеров для сульфатредуцирующих бактерий и архей, которые также обнаружены в системе гидротермальных источников Затерянного города. микроколонии микроорганизмов’

Хотя очевидно, что эти образцы намного моложе, «присутствие этих микробов говорит нам о том, что жизнь возможна в среде морского дна в гидротермальных системах, которые, вероятно, присутствовали и были активны на протяжении большей части ранней Земли», — отмечает Клейн. «Подводное дно представляет собой еще одну более защищенную среду».

Не имеет выхода к морю

Но не все согласны с тем, что жизнь зародилась в глубоководных гидротермальных системах. Армен Мулкиджанян из Университета Оснабрюка в Германии говорит, что у этой идеи есть несколько серьезных проблем, одна из которых заключается в относительных концентрациях ионов натрия и калия в морской воде по сравнению с клетками.

Малкиджанян ссылается на то, что он называет принципом сохранения химии: однажды появившись в любой среде, организмы будут сохранять и развивать механизмы для защиты своей фундаментальной биохимической архитектуры. Поэтому он говорит, что нет никакого смысла в том, чтобы клетки, содержащие в 10 раз больше калия, чем натрия, происходили из морской воды, в которой натрия в 40 раз больше, чем калия. Его предположение состоит в том, что протоклетки должны были развиваться в среде с большим содержанием калия, чем натрия, развивая ионные насосы только для удаления нежелательного натрия при изменении их среды.

Малкиджанян считает, что жизнь могла возникнуть из геотермальных систем, таких как сибирские геотермальные поля Камчатки на Дальнем Востоке России. «Мы начали искать, где мы могли бы найти условия с большим количеством калия, чем натрия, и единственное, что мы нашли, — это геотермальные системы, особенно там, где из земли выходит пар», — объясняет он. Только бассейны, созданные из паровых отверстий, содержат больше калия, чем натрия; те, которые образуются из источников геотермальной жидкости, по-прежнему содержат больше натрия, чем калия. Несколько таких систем существуют сегодня в Италии, США и Японии, но Малкиджанян предполагает, что на более жаркой ранней Земле можно было ожидать гораздо больше.

Дэвид Димер из Калифорнийского университета в Санта-Круз, США, более 50 лет занимается изучением макромолекул и липидных мембран. Он выходит на поле под немного другим углом, который некоторые называют «сначала мембрана». Но, говорит он, «я почти уверен, что лучший способ понять происхождение жизни — это осознать, что это система молекул, которые работают вместе, точно так же, как и в сегодняшней жизни». вплоть до суждения о правдоподобии с моей стороны», — размышляет он.

Одним из главных аргументов против глубоководного происхождения является тот факт, что в биологии встречается так много макромолекул. ДНК, РНК, белки и липиды являются полимерами и образуются в результате реакций конденсации. «Вам нужна изменчивая среда, которая иногда бывает влажной, а иногда сухой — влажный период, чтобы компоненты смешивались и взаимодействовали, а затем сухой период, чтобы вода удалялась и эти компоненты могли образовывать полимер», — говорит Мулкиджанян. «Такого рода вещи не могут произойти в [глубоководном] гидротермальном источнике, потому что там не может быть циклов влажный-сухой», — добавляет Димер. На континентальных гидротермальных полях каждый день происходят влажные и сухие циклы. Это позволяет концентрировать реагенты, а также проводить полимеризацию.

Предположение, что естественный отбор не способен в течение 4 миллиардов лет придумать улучшение, я считаю безумным

Димер пытался создать свои собственные протоклетки в лаборатории, смешивая липиды и компоненты РНК аденозинмонофосфат и уридинмонофосфат. При сушке липиды самособираются в мембраноподобные структуры, и если нуклеотиды застревают между слоями липидов, они подвергаются этерификации с образованием РНК-подобных полимеров. За несколько циклов «влажный-сухой» выход увеличивается до 50%.6

Димер подтвердил наличие этих полимеров внутри «протоклеток» методами прямого секвенирования РНК. «У нас действительно есть одноцепочечные молекулы размером с биологическую РНК», но Димер предупреждает, что это не РНК, как в биологическом организме. Он создал смесь РНК, некоторые из которых были связаны фосфатными группами, как они есть в природе, а некоторые связаны «неестественным образом», что, как он заключает, «должно быть, подверглось отбору и эволюции в этих маленьких протоклетках».

Но лагерь глубоководных гидротермальных источников еще не готов сдаться. Бардж говорит, что вентиляционная среда может способствовать концентрации реагентов и реакциям конденсации. «У вас повсюду гели на морском дне, у вас есть минералы, которые поглощают вещества, и в самой мембране [микропор дымохода] есть гели, так что вы можете иметь условия реакции обезвоживания, даже если вся система состоит из воды». идея о том, что уровни ионов калия или натрия могут исправить будущие метаболические процессы. «Предположение о том, что естественный отбор не способен в течение 4 миллиардов лет придумать улучшение, я считаю безумием», — объясняет Лейн. «С моей точки зрения, внутриклеточный ионный баланс определяется отбором». Он считает, что жизнь была бы вполне способна развиваться в среде, богатой натрием, и со временем развивать насосы для удаления ионов, которые создают нынешние клетки, богатые калием.

Видеть свет

Еще одним спорным вопросом является наличие или отсутствие ультрафиолетового (УФ) света. Это могло иметь сильное влияние в сценарии земного происхождения без защитного озонового слоя на ранней Земле, но полностью отсутствовать в глубоководной теории. Относительная УФ-стабильность нуклеотидов РНК предполагает, что отбор происходил в УФ-свете — на поверхности земли, а не в море.

Это также поддержит новаторский синтез РНК в 2009 году, предложенный7 Джоном Сазерлендом из Лаборатории молекулярной биологии Совета медицинских исследований Великобритании в Кембридже, и его предложенный в 2015 году синтез предшественников нуклеиновых кислот, начиная только с цианистого водорода (HCN), сероводорода (h3S). ) и УФ-свет.8 Освещение УФ-светом в течение 10 дней увеличивало выход биологических нуклеотидов, добавляя вес их выбору, имеющему преимущество в УФ-свете. Мулкиджанян также предположил, что осадки сульфида цинка могли действовать как катализаторы восстановления диоксида углерода с помощью ультрафиолетового света — ранней формы фотосинтеза, которую он называет сценарием «цинкового мира» 9.0005

Но, по словам Лейна, «существует большая проблема с тем, что жизнь развивается с помощью УФ-излучения, то есть ни одна жизнь сегодня не использует УФ-излучение в качестве источника энергии — оно скорее разрушает молекулы, чем способствует развитию биохимии». синтетическая химия, предложенная в такой земной схеме, просто не похожа на жизнь, какой мы ее знаем. «Все начинается с цианидов или фотосинтеза сульфида цинка, а заканчивается чем-то вроде химии Франкенштейна», — говорит Лейн. «Химия может сработать, но совместить ее с жизнью, какой мы ее знаем, я бы сказал, на грани невозможности»

Дисциплинарное разделение

Если присмотреться, то различие между теми, кто поддерживает земное и океаническое происхождение, разделяется между дисциплинами. Химики-синтетики обычно отдают предпочтение континентальному происхождению, а геологи и биологи — преимущественно глубоководным гидротермальным источникам. Химики утверждают, что невозможно провести химию в гидротермальных источниках, в то время как биологи утверждают, что предлагаемая земная химия просто не похожа ни на что из того, что можно увидеть в биохимии, и не сокращает разрыв между геохимией и биохимией.

Так есть ли способ объединить дисциплины? «На данный момент между этими идеями не так много общего, — говорит Лейн. Димер соглашается. «На данный момент все, что мы можем сказать, это то, что каждый имеет право судить о правдоподобии на основе своих идей, но тогда он также должен проводить экспериментальные и наблюдательные тесты».

Небольшие проблемы будут решаемы – это то, что поднимает меня с постели по утрам

Что необходимо, так это убийственное доказательство или эксперимент, который мог бы соединить точки воедино и объяснить, как и где зародилась жизнь в добиотическом мире. «Было бы действительно большим прорывом, если бы мы смогли найти рибозим среди всех этих триллионов случайных полимеров, которые мы производим», — предполагает Димер. Рибозимы — это РНК-катализаторы, которые являются частью клеточного механизма синтеза белка, но являются кандидатами на роль первых самовоспроизводящихся молекул.

Дальнейшие доказательства происхождения жизни в глубоководных гидротермальных жерлах основаны на показе правдоподобного набора метаболических стадий, ведущих к сложным молекулам. По словам Баржа, в JPL они смотрят, как аминокислоты ведут себя в своих химических садах. «Мы работаем над созданием аминокислоты, а затем смотрим, застревают ли [аминокислоты] в дымоходах, и можно ли их сконцентрировать и, возможно, сделать какие-то пептиды».

«Есть проблемы и трудности, — признает Лейн. «Можем ли мы заставить углекислый газ реагировать с водородом, чтобы образовать более сложные молекулы, такие как аминокислоты и нуклеотиды? Я вполне уверен, что мы можем это сделать, но я знаю, что мы еще не продемонстрировали этого». Другие сложные вопросы включают в себя возможность стабилизации липидных мембран в морской воде с высокой концентрацией ионов кальция и магния. Но, по словам Лейн, гидротермальные источники решают большую проблему термодинамической движущей силы. «Это вселяет в меня уверенность, что более мелкие проблемы будут решаемы и в этом контексте, даже если сейчас они кажутся трудными — это то, что заставляет меня вставать с постели по утрам» 9.0005

Конечно, есть еще одна возможность — жизнь вообще не зародилась на Земле. Панспермия — теория о том, что жизнь зародилась из космоса, кажется эксцентричной, но не все ее учитывают. «Можно возразить, что жизнь на самом деле зародилась на Марсе», — говорит Димер, потому что он первым остыл до температур, которые могли поддерживать жизнь.

Независимо от того, так это или нет, жизнь в другом месте определенно возможна. Спутник Юпитера Европа и спутник Сатурна Энцелад являются кандидатами, потому что у них обоих есть океаны под ледяными панцирями. В ближайшие пять лет НАСА планирует отправить космический зонд к обеим этим лунам для поиска признаков жизни. Понимание нашей собственной истории происхождения может помочь нам понять, где искать.

Ссылки

1 M J Russell, R M Daniel и A J Hall, Terra Nova , 1993, 5 , 343 (DOI: 10.1111/j.1365-3121.1993.tb00267. x)

2 В. Мартин и М. Дж. Рассел , Филос. Транс. Р. Соц. Б: биол. Sci., 2003, 358 , 59 (DOI: 10.1098/rstb.2002.1183)

3 L M Barge et al , Angew. хим. Междунар. Эд. англ. , 2015, 54 , 8184 (DOI: 10.1002/anie.201501663)

4 B Herschy et al , Дж. Мол. Эвол. , 2014, 79 , 213 (DOI: 10.1007/s00239-014-9658-4)

5 F Klein et al , Proc. Натл акад. науч. USA , 2015, 112 , 12036 (DOI: 10.1073/pnas.1504674112)

6 L Da Silva, MC Maurel and D Deamer, J. Mol. Эвол. , 2015, 80 , 86 (DOI: 10.