Скучный миллиард? А это что такое?

«Скучный миллиард», «Средние века Земли» или «Самое скучное время в истории Земли» – этими терминами называют период в геологической истории Земли, который охватывает время от 1,8 миллиарда лет назад до 720 миллионов лет назад. Хотя, согласно другим воззрениям, он начался сразу после окончания Гуронского оледенения и длился до окончания Протерозойского оледенения. По мнению современных ученых, в этот период времени климат на Земле был стабилен, уровень кислорода в атмосфере и гидросфере был довольно низким, а эволюция живых организмов, как считается, шла очень и очень медленно, но это совсем не так. Как раз в те времена и происходили революционные изменения в строении сравнительно немногочисленных бактерий, которые в дальнейшем привели к столь невообразимому разнообразию живых организмов на нашей планете!

Нас сейчас ждет цитология и биохимия, которые могут вызвать у тебя уныние, но не узнав, как и какие чудные революционные изменения происходили в строении живых клеток того времени, невозможно будет понять, как происходило дальнейшее развитие многоклеточных организмов, и какие провидения происходили с многоклеточными организмами позже.

- Интригуешь?

- Впрочем, поскольку мы ни на шаг не отступаем от так называемой «теории эволюции», нам ненадолго надо заглянуть в архейский эон.

- Зачем?

- В архее произошло одно ничем не примечательное и вполне естественное событие, последствия которого через несколько сот миллионов лет и привело к тем самым революционным изменениям в биосфере, а произошло оно 2,5-3,5 миллиарда лет назад, когда существовал некий общий предок. Вероятнее всего, тогда из-за какой-то мутации в процессе деления этого гипотетического общего предка появились немного отличающиеся друг от друга примитивные бактерии, которые в ходе дальнейшего развития стали сильно отличаться друг от друга, а называются они сейчас археи и бактерии.

Чем археобактерии отличаются от бактерий? Как говорит история науки, на протяжении большей части ХХ века все бактерии, вернее, прокариоты считались единой группой микроорганизмов, и в те времена микробиологи пытались классифицировать этих созданий в зависимости от их формы клеток, деталей строения клеточной стенки, от потребляемых микроорганизмами веществ. Но в 1965 году было предложено устанавливать степень родства разных прокариот на основании сходства строения их генов, а для этого были выбраны рибосомные РНК. Анализ рРНК, а если быть точнее, то при сравнительном анализе 16S рРНК выяснилось, что рРНК прокариотов заметно отличаются друг от друга, но делились они на две группы, поэтому прокариотов решили разделить на два домена или, как еще называют, на два надцарства - на бактерий и архей.

Археи считаются самыми примитивными и, возможно, самыми многочисленными живыми организмами на Земле, которые способны выживать в экстремальных условиях, так что изначально архей считали экстремалофилами живущими в суровых условиях, будь то горячие источники, соленые озера. Но потом их обнаружили и в других различных местах, и в почве, и в океанах, и в болотах и даже в толстой кишке человека, поэтому сейчас их уже экстремалофилами редко считают. Бактерии также одноклеточные существа, но их клеточная стенка и цитоскелет имеют более сложное строение, чем у архей. Бактерии тоже много где обитают, вот только не во всех тех местах им хорошо живется, в которых прекрасно себя чувствуют археи.

По форме и по размерам отличить архей от бактерий не всегда удается, поскольку формы и размеры тех и других очень разные, какие-то из бактерий и архей внешне очень похожи, какие-то уникальны. То же самое касается и размножения бактерий и архей, так как какие-то из них размножаются бинарным делением, другие - фрагментацией или почкованием.

Есть, правда, у некоторых бактерий, но далеко не у всех, одна особенность: при неблагоприятных условиях окружающей среды внутри некоторых клеток бактерий могут образовываться споры, например, споры той же сибирской язвы, благодаря чему эти бактерии могут переждать довольно продолжительный промежуток времени, как говорят, несколько десятков лет. Но только споры этих бактерий, в отличие от спор растений и грибов, не служат для размножения, они служат именно для пережидания неблагоприятных условий данной бактерии. У архей таких свойств не выявлено.

Если копнуть глубже в различие архей от бактерий, то клеточные стенки бактерий содержат муреин, который больше известен как пептидогликан, в клеточных же стенках архей пептидогликан отсутствует, а вместо него в их состав входит псевдомуреин. Эта особенность роднит археи с эукариотами, у которых если и есть клеточная стенка, то в ее состав муреин никогда не входит. В то же время у бактерий и эукариот мембраны состоят главным образом из глицерин-сложноэфирных липидов, тогда как у архей они сложены из глицерин-эфирных липидов.

У прокариотов, как и у эукариотов, существуют рибосомы, необходимые для синтеза белков, но рибосомы прокариот меньше эукариотических. Рибосомы архей по некоторым признакам похожи на бактериальные, а по некоторым – на эукариотические. Например, на рибосомы архей не действует антибиотик хлорамфеникол, связывающий рибосомы бактерий, в то время как дифтерийный токсин, останавливающий биосинтез белка у эукариотов, действует и на архей.

- Брр...

- Молекула ДНК, как у бактерий, так и у архей, замкнута в кольцо, которую сейчас стали называть кольцевой хромосомой, а у эукариотов молекулы ДНК линейные. Различия в организации генетического материала для этих групп не ограничиваются лишь его расположением и тем, замкнута ли ДНК в кольцо. Процессы транскрипции и трансляции у каждой группы имеют свои особенности. Например, для поддержания структуры ДНК и регуляции экспрессии генов в клетках эукариот и архей есть специальные белки – гистоны, которых нет у бактерий. А вот белки, обеспечивающие обмен веществ в цитоплазме эукариотов, оказались в большой степени унаследованными от бактерий, причем, как говорят ученые, от разных бактерий...

- Это все очень интересно, но для чего ты мне сейчас это все рассказываешь?

- На основе анализа последовательностей генов рибосомных РНК, ученые изобразили эволюционное древо жизни. И, согласно этим научным исследованиям, получается, что 2,5-3,5 миллиарда лет назад произошла развилка в эволюционном древе жизни - появились микроорганизмы, далекие-далекие потомки которых дожили до нашего времени в виде бактерий и архей. С тех самых пор разнообразие и численность бактерий сильно увеличились, но они как были примитивными бактериями, так ими и остались. А вот археи... их численность и разнообразие тоже увеличилось, а строение и функции этих микроорганизмов тоже не усложнились, но 1,6-2,1 миллиарда лет назад, по словам ученых, появились какие-то археи, от которых произошли эукариоты.

На первый взгляд, в этой истории нет никаких загадок, произошли и произошли, но! По некоторым показателям эукариоты очень близки к археям, но в то же время у эукариотов есть много чего общего с бактериями, хотя бактерии отделились за несколько сот миллионов лет от линии жизни, которая привела к появлению эукариотов.

- И что здесь удивительного? Ты же сам говорил, что существует горизонтальный перенос генов...

- Попробуй представить микромир Мирового океана в архейский эон.

- Извини?

- Если в нем еще существовали протоклетки, которые питались веществами «первичного бульона», то они так же ими и питались, ведь Мировой океан большой, а необходимых для жизнедеятельности протоклеток запасов веществ должно было быть много, к тому же их запасы потихоньку возобновлялись. Вымерли же первые формы жизни не от голода, их убило появление свободного кислорода!

Солнечный свет, тепло, вода и углекислый газ были тогда тоже в переизбытки, а это то необходимое, что нужно фотосинтезирующим организмам для их жизнедеятельности. Так что и здесь не было никаких предпосылок для начала конкурентной борьбы в живом мире! В те времена, вероятнее всего, еще не было жертв, хищников и падальщиков! Не было тогда и предпосылок для увеличения или уменьшения в размерах микроорганизмов! Все формы жизни, как твердит логика, были тогда по размерам такими же, каких размеров сейчас археи и бактерии!

- И какое отношение это все имеет к нашему разговору?

- Горизонтальный перенос генов чаще всего встречается у бактерий, гораздо реже, отметь, у архей. Насколько я знаю, еще горизонтальный перенос генов происходит у грибов и высших растений. Как происходит горизонтальный перенос генов? Он происходит либо благодаря плазмидам при непосредственном контакте клетки-хозяина с другой клеткой в процессе конъюгации, но плазмиды могут всего лишь содержать гены, которые повышают приспособленность бактерий к окружающей среде. Учеными, например, было установлено, что такие гены содержат информацию о белках, которые помогут обеспечить устойчивость этого прокариота к какому-либо антибиотику, вот только плазмиды не несут в себе все свойства или информацию о строении других организмов!

Горизонтальный перенос генов может происходить и благодаря вирусам, которые хоть и попали внутрь клетки, но смертельно опасными для этих бактерий они не являются. Только и в этом случае бактериям вирусы не передают какие-либо чудодействующих свойств!

Еще горизонтальный перенос генов происходит тогда, когда бактерия поглотила чужеродную ДНК, а и такое бывает, но! Перед поглощением мелкая чужеродная молекула ДНК обязательно подвергается химическому воздействию белками клеточной стенки, поэтому поглощаемая молекула ДНК или фрагмент этой молекулы ДНК частично разрушается! Так что даже при самых фантастических условиях эта частично переваренная чужеродная молекула ДНК не может нести в себе каких-то особых свойств или информации, которые могут изменить строение и функции нашей гипотетической клетки!

А вывод из сказанного очень прост: горизонтальный перенос генов – это горизонтальный перенос генов! При горизонтальном переносе генов не происходит перенос генома другого организма или его части! Если допустить, что за время своей жизни тот самый прапредок всех эукариотов, который произошел от архей, подвергся многократному горизонтальному переносу генов, то это никак не может объяснить, почему у эукариотов появились биохимические и генетические особенности бактерий!

- А мутации?

- И причем здесь мутации? Или ты думаешь, что после мутаций в какой-либо архебактерии у ее потомков могли появиться специфические свойства строения двух абсолютно разных организмов, которые принадлежат к двум разным надцарствам?

- И как же ученые объясняют появление эукариотов?

- Ученые уверяют, что это произошло благодаря эндосимбиозу...

- Благодаря чему?

- Эндосимбионты – это микроорганизмы, живущие внутри других организмов-хозяев, но не паразиты. Эндосимбионты находятся со своими хозяевами во взаимовыгодных взаимоотношениях, что отличает их от паразитов, если же привести грубую аналогию, то это археи в организмах живых существ. С бактериями немного сложнее, потому что среди них есть патогенные, а вот археи вроде как безвредны. А эндосимбиоз – это такой симбиоз, при котором один из участников живет внутри другого, принося пользу своему хозяину.

По мнению большинства современных ученых, эукариоты произошли в результате поглощения, но одни ученые считают, что какая-то архея съела бактерию, другие, наоборот, считают, что какая-то бактерия проглотила архею...

- Как в истории появления пластидов у сине-зеленых водорослей?

- Я тебя тогда чуть-чуть обманул...

- То есть?

- У прокариотов, к которым относятся цианобактерии, органелл не существует, а хлоропласты это органеллы. Фотосинтез в цианобактериях происходит в тилакоидах, а тилакоиды – это... своеобразные отсеки во внутриклеточной цитоплазматической мембране, в которых идет не только процесс фотосинтеза, а еще и множество других сверхсложных биохимических процессов, поэтому нередко их называют химическими фабриками цианобактерий. Но у тилакоидов нет ни РНК, ни ДНК, ни рибосом...

- А зачем надо было обманывать?

- Так я не обманывал, просто хотел проверить тебя на внимательность! И этот тест тобою был провален! Нельзя слепо верить всему, что говорят! Тем более, если это все легко проверить!

- Ой, ладно...

- Так что там с появлением эукариотов? Ведь не зря же ты вспомнил их столь длинную предысторию...

- Как ты думаешь, какого цвета был Мировой океан во времена появления эукариотов?

- Наверное, такого же цвета он был, как и сейчас...

- Э, нет!

- ...но какое отношение...

- В архее Мировой океан, скорее всего, был серого цвета, поскольку тогда сине-зеленых бактерий еще было не так много, как сейчас, а именно они придают цвет водам морей и океанов. Ближе к Гуронскому оледенению...

- ...цвет вод стал сине-зеленый...

- ...цвет вод Мирового океана, вероятно, оставался серым, но к этому цвету добавились еще сине-зеленый цвет и красно-бурый или оранжево-бурый...

- Почему?

- Сине-зеленый цвет водам придавали сине-зеленые бактерии, численность которых к тому времени уже заметно увеличилась, а вот красно-бурый или оранжево-бурый...

...вырабатываемый цианобактериями кислород стал окислять железо, которое в больших количествах было растворено в водах Мирового океана, так что образующиеся оксиды железа, которых в обиходе называют ржавчиной, и придавали воде эти цвета.

Во времена Гуронского оледенения численность сине-зеленых бактерий должна была запредельно сократиться, поэтому, как твердит логика, в атмосферу и в гидросферу молекулярного кислорода тогда практически не поступало, а вот оставшийся свободный кислород продолжал расходоваться на различные окислительные реакции, в результате чего свободного кислорода в атмосфере и гидросфере после Гуронского оледенения, вероятнее всего, не осталось. Цвет же Мирового океана тогда, похоже, опять стал серого цвета, поскольку численность цианобактерий сильно сократилась, а оксиды железа осели на дно.

А теперь один нюанс: наверное, с моих слов тебе могло показаться, что цианобактерии это какой-то один вид бактерий, но это совсем не так! Цианобактерий очень и очень много, их уже насчитали около 1500 видов в почти 175 родах, а питаться они могут чем угодно, так что не все виды цианобактерий потребляют углекислый газ, а выделяют кислород. Так вот, есть предположение, что по окончанию Гуронского оледенения, после которого океаны были лишены кислорода и важных питательных веществ, зато были они перенасыщены продуктами глобальной вулканической деятельности, временными доминантами в биосфере стали цианобактерии, которые для своей жизнедеятельности потребляли сероводород вместо воды и производили они серу вместо кислорода...

...и если это было так, то тогда океаны должны были быть темно-бирюзового вместо привычного нам сине-зеленого цвета, но, повторюсь, это всего лишь гипотеза. Позже, когда доминантами опять стали сине-зеленые бактерии, поглощающие углекислый газ и выделяющие кислород, цвет Мирового океана стал потихоньку приобретать знакомый нам цвет, соответственно, и доля свободного кислорода в гидросфере и атмосфере стала расти.

Какое отношение имеет цвет Мирового океана после Гуронского оледенения к нашему разговору? Абсолютно никакого! А вот содержание свободного кислорода в атмосфере и в гидросфере имеет! Одной из основных загадок появления эукариотов, на мой взгляд, является стремительное и значительное увеличение в объеме прапредка эукариотов. А чтобы попытаться объяснить сей феномен, надо попробовать рассмотреть с научной точки зрения все естественные причины, из-за которых это могло произойти...

...ведь в истории биосферы существовали периоды, в которых отдельные виды или даже целые рода живых организмов вдруг начинали стремительно увеличиваться, достигая гигантских размеров, а говорю я сейчас не только о динозаврах, существовали, например, гигантские стрекозоподобные насекомые, были гигантскими предки современных скорпионов и тараканов, но об этом, возможно, мы поговорим попозже.

В чем могла быть причина стремительного увеличения в габаритах организмов? Одна из устаревших научных гипотез говорит, что причиной гигантизма в отдельные геологические периоды могла быть связана с большим количеством свободного кислорода, правда, многие современные ученые не согласны с этой гипотезой. Другая гипотеза объясняет это тем, что появлялась большая кормовая база, и благодаря обильному питанию вид или даже род начинал доминировать, заодно увеличиваясь в размерах...

Источник: vk.com

Комментарии: