САМАЯ РАННЯЯ ЖИЗНЬ НА ЗЕМЛЕ (5)

МЕНЮ


Искусственный интеллект
Поиск
Регистрация на сайте
Помощь проекту
Архив новостей

ТЕМЫ


Новости ИИРазработка ИИВнедрение ИИРабота разума и сознаниеМодель мозгаРобототехника, БПЛАТрансгуманизмОбработка текстаТеория эволюцииДополненная реальностьЖелезоКиберугрозыНаучный мирИТ индустрияРазработка ПОТеория информацииМатематикаЦифровая экономика

Авторизация



RSS


RSS новости


Продолжаю представлять перевод книги:

David Wacey «Early Life on Earth. A Practical Guide». [РАННЯЯ ЖИЗНЬ НА ЗЕМЛЕ. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ] © 2009 Springer Science + Business Media B.V

ГЛАВА 1

ЧТО МЫ МОЖЕМ ОЖИДАТЬ НАЙТИ В САМЫХ ДРЕВНИХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ДАННЫХ (Rock Record)?

1.1 ВВЕДЕНИЕ

Самая ранняя сохранившаяся геологическая запись (Rock Record), хотя бы фрагментарная, предоставляет нам уникальные доказательства для тестирования моделей, когда и где впервые появилась жизнь на Земле. Широко известно, что жизнь появилась на нашей планете до 3000 млн. лет назад, но в настоящее время существуют и не согласные с самыми ранними ископаемыми доказательствами жизни на земле. Для того, чтобы исследователи могли выйти на последовательный базовый уровень, мы должны сначала определить «Что такое жизнь?» Это сама по себе не простая задача (см. Cleland и Chyba, 2002). Например, текущее определение жизни NASA как: “a system which is self-sustained by utilising external energy or nutrients owing to its internal process of component production and coupled to the medium via adaptive change that persist

during the time history of the system” («Система, которая является

самодостаточной, используя внешнюю энергию или питательные вещества вследствие внутреннего процесса самовоспроизводства и соединена с средой через адаптивные изменения, которые сохраняются в течение времени истории системы "(Luisi, 1998) - является как расплывчатым, так и нескладным.

Для решения задач этой книги требуется более четкое и, если потребуется, более строгое (рестриктивное) определение, адаптированное к доказательствам, которые могут быть получены из геологических данных ((Rock Record).

А именно, ископаемая жизнь - “a complex structure that encodes evidence of biological behaviour and processing (e.g., growth, decay, and community tiering), and who’s distribution and abundance is controlled by biologically significant variables such as light levels, temperature and nutrient gradients.” [«комплексная структура, которая кодирует доказательства биологического поведения и переработки (например, рост, распад и многоуровневую общность), а распределение и изобилие контролируется биологически значимыми переменными такими как уровень света, температура и питательные вещества»].

Такое определение позволяет признакам жизни проявляться тремя способами в геологических данных:

ВО-ПЕРВЫХ, как морфологические останки (окаменелости тела). Здесь целый организм или его часть были сохранены в горной породе. В большинстве в породах сохраняются только тяжелые минерализованные части организмов (например, оболочки, кости), но в исключительных обстоятельствах, например, быстрое захоронение или быстрая минерализация, мягкие части тела также могут быть эффективно сохраненны. До 3 млрд. лет, жизнь была присуща при абсолютном доминировании самым примитивным микроорганизмам, не имеющим каких-либо твердых составляющих. Это означает, что мы можем только надеяться, чтобы найти мягкие компоненты в виде ячеек, оболочек и ассоциированных секретируемых полимерных веществ, сохранившихся в породах возрастом > 3 млрд. лет. Отсюда следует, что любой поиск окаменелостей организмов должен сосредоточиться на лучших законсервированных горных породах.

ВО-ВТОРЫХ, как и окаменелости - морфологические следы. То есть, сохраняется не само тело организма, что в самый широком смысле указывает на активность организма (например, обиталище, следы пищи).

В-ТРЕТЬИХ, как химические окаменелости. Это следы биологической активности, указывающие на специфические химические сигналы, оставленные в породах, включая: изотопные вариации, например, углерод, сера, азот или железо; отличительные соотношения элементов; или молекулярные соединения, которые могут быть привязаны к определенной группе организмов.

1.2 ОКАМЕНЕЛЫЕ СЛЕДЫ ОРГАНИЗМОВ

Организмы делятся на две большие группы, прокариоты и эукариоты.

Основная разница состоит в том, что клетки последних содержат ядро. Эукариоты - все многоклеточные организмы, такие как растения и животные, а также некоторые одноклеточные организмы, такие как амеба. Прокариоты являются более простыми организмами, которые не имеют не только ядра, но также митохондрий и организованной функции клетки. Они, несомненно простейшие и самые примитивные из организмов, включающие бактерии и археи, и предсказывают однозначные клетки эукариот в окаменелостях возрастом, пожалуй, 2 млрд. лет или больше. Было явно много важных предшествующих шагов, ведущих к истокам жизни в первых прокариотах. Эти шаги могут включать разработку механизма передачи информации и внешний вид клеточной стенки, чтобы удерживать и концентрировать пребиотические химические вещества. Обнаружение этих пребиотиков в геологической информации по своей природе сложно и находится в его младенческом состоянии (информационный обзор пребиотической химии можно найти в Walde, 2005). Для наших целей здесь достаточно осознавать, что любые окаменелости тела, сохранившиеся в самых ранних геологичесих записях, должны содержать эти очень простые (и очень маленькие) прокариотические микробные клетки. Прокариотическая ячейка имеет очень простую внутреннюю структуру (РИС. А1А).

Она не имеет мембранного ядра и вместо того, чтобы иметь хромосомную ДНК, ее генетическая информация находится в центральной области, называемой нуклеидом. Прокариотические клетки - очень маленькие, обычно около 1-2 мкм в диаметре и длиной до 10 мкм и представлены тремя основными формами: Bacillus (стержень), кокк (сфера) и спирилла (спираль) (РИС. А1b). Прокариоты имеют одно отличительное преимущество в более высоких формах жизни в том, что они воспроизводятся бесполым путем. Вместо того, чтобы пройти разработанные процессы репликации, в таких организмах как эукариоты, бактериальные клетки разделяются бесполым путем двоичными делениями или почкованием. Этот тип репродукции позволяет дублировать большое количество индивидуумов быстрым и простым способом.

Окаменелые остатки организмов раннего архея (> 3 млрд. лет) палеобиологи объясняют консервативным парадоксом. Микробные клетки и оболочки, которые замечательно консервированы в конце архея, редко находят в начале

архея. Когда их находят, они почти всегда противоречивы. В поисках объяснить этот парадокс, мы должны сначала рассмотреть консервационный потенциал прокариотической клетки, единственный вероятный морфологический признак жизни в это время. Потенциал сохранения каждой из особенностей клетки довольно разный. Клеточная характеристика имеет самые низкие шансы на сохранение репродукции и связанной с ним репродуктивным аппаратом. Это может быть плохое сохранение, потому что молекулы РНК и ДНК потрясающе нестабильны и легко деградировали под действием тепла и давления. В эукариотах ядро иногда может быть сохранено, но, конечно, в прокариотах ядро отсутствует.

Высокое разрешение геохимических методов теперь позволяет идентифицировать относительно высокие концентрации азота в клеточных структурах, однако, и это может быть связано с деградацией репродуктивных материалов в процессе эксперимента. Сохранение клеточной мембраны в ранней ископаемой записи кажется, имеет достаточно низкую вероятность. Клеточная мембрана бактерий в значительной степени выполнена из серии фосфолипидов, часто в сочетании с жирными кислотами. Мембрана действует как барьер проницаемости для транспортировки молекул из ячейки, но эффективность этого процесса все еще слабая и может быть легко ухудшена, хотя и менее быстро, чем в клетке. Эта деградация является естественным следствием бактериальной необходимости для быстрой переработки сырья (химическая экспрессия клеточной мембраны может быть более легко сохранена). Сотовая стенка имеет наилучшую вероятность сохранения. В бактериях это однозначно состоит из пептидогликана, полимера, состоящего из сахаров и аминокислот, и действует как барьер против внешних сил. Для максимальной вероятности сохранения клетки бактерии существует требование для быстрой инкапсуляции клеточной стенки внутри консервационной среды. Наиболее стабильными носителями для этой цели являются кремнезем (например, ~ 1900 млн. лет Gunflint Hearflint, РИС. А4; Barghoorn и Tyler, 1965), сульфид железа (например, Sulphur Springs гидротермальная залежь ~ 3200 млн. лет; Rasmussen, 2000) или фосфат кальция (например, Формация Доушаньто (Китай); Xiao и Knoll, 1999). Это сохранение может возникнуть из метаболических процессов самой ячейки, пассивных осаждений Authigenic Mineral Matrix (электронная связь) или быстрого захоронения, что защищает клетку от окислительной деградации. Например, инкрустация организма с минеральным осадком может выступать в качестве УФ-щита или служить для увеличения протонной движущей силы через клеточную мембрану, как с некоторыми бактериями окисления железа (например, Chan и др., 2004); или наоборот, осадок может быть метаболическим побочным продуктом, который в противном случае был бы вредным для метаболизма клетки.

Во многих прокариотах клеточная колония часто защищается экстраклеточными полимерными веществами (EPS), которые имеют относительно высокую вероятность сохранения. EPS имеет хороший шанс на сохранение, потому что он содержит несколько активных групп (например, карбоксил), на которых могут зародиться минеральные ионы, чтобы образовать минерализованные биопленки.

Хорошим примером является экстраклеточные цитоплазматические оболочки или конверты, найденные вокруг клеток цианобактерий. Оболочка часто сохраняется, когда сами клетки разлагаются (например, 850 млн. лет Bitter Springs Formation; Outler и др., 2006). Клейкие вещества, которые включают EPS, также могут иметь адгезивные качества захвата и связывающие частицы осадка на биопленках и биоагрегатах, что приводит к образованию складчатых структур и строматолитов. Эти структуры имеют хороший шанс сохранения в ископаемой записи, но, с самыми ранними примерами необходимо быть осторожным, чтобы не путать не биологические процессы формирования, такие как ранние диагенетические цементы и осажденный гидротермальный силикагель. При сохранении строматолитные структуры, построенные с помощью EPS, должны также показать геохимические доказательства концентраций биологически значимых элементов (например, C, N, P, S, плюс элементы трассировки, которые могут обычно включать Co, Fe, Ni и Zn).

Со всеми сотовыми и внеклеточными компонентами сохранению способствует быстрая окклюзия пористости и проницаемости, поскольку вследствии миграции окисляющих жидкостей возникает опасность уничтожения следов клеточных останков, введение молодых останков и/или изменение основной минералогии пород. Это было экспериментально продемонстрировано (Westall и др., 1995), которое показало, что окаменение бактерий может привести к полной замене органических останков минеральной корочкой или минерализации организма в целом. Большие бактерии, такие как цианобактерии с более толстыми точками EPS, имеют больше шансов сохранить некоторые органические материалы во время длительной фоссилизации. Несмотря на то, что этот тип фоссилизации сохраняет размер, форму и образ жизни (living habit) бактерий, тем не менее это затрудняет различать минеральные артефакты от настоящей минерализации

ископаемых. В этих случаях требуется технология высокого разрешения для идентификации любых выживших биологических следов. Даже технология с самым высоким разрешеним в настоящее время проверяется за счет увеличения количества данных по нанобактериям. Они могут быть такими же маленькими, как 30 нм и быть зарегистрированными из горячих источников карбонатов

и глины (например, Folk, 1999) и вулканических песков (Folk и Rasbury, 2002), где кластеризация и осадки, кажется, свидетельствуют о своем биологическом происхождении. Uwins и др. (1998) даже нашли доказательства ДНК в современных нанобактериях в австралийском песчанике.

ПОДРИСУНОЧНАЯ НАДПИСЬ - РИС. A1 Прокариотная ячейка. (a) Структура и функция ячейки. Информация РНК транскрибируются от ДНК внутри нуклеида; Эти сообщения преобразуются в белки в рибосомах. Клеточный метаболизм осуществляется белками и пигментами в цитоплазме клетки.

(b) Изменение формы и расположения прокариотных клеток. Это ключевые формы для распознавания при поиске клеточных доказательств в ранних архейских породах.

***

(продолжение следует)

Комментарии: