Тяжелый металл биогенеза: истоки

      Комментарии к записи Тяжелый металл биогенеза: истоки отключены

Тяжелый металл биогенеза: истоки

    Пористые преципитаты Пористые преципитаты сульфидов железа недалеко от щелочных сипов (донных геотермальных источников) в старом океане имели возможность стать колыбелью живой клетки. Fe-Ni сульфиды катализировали синтез несложных органических молекул, каковые формировали более сложные. Маленькие фрагменты РНК, появлявшиеся на минеральной подложке пирита, трудились как матрица для синтеза пептидов.
    Пептидные цепи Пептидные цепи, выраставшие так, высвобождались благодаря притоку более кислой воды океана. Пептиды покрывали стены пор, и это первенствовал ход к автономии клетки. Потом клетка,?окруженная ?оболочкой, высвобождалась.

Как раз исходя из этого таинство происхождения судьбы, которое не может быть изучено на ископаемых материалах, является предметом теоретических и экспериментальных изысканий и проблемой не столько биологической, сколько геологической. Возможно смело сообщить: истоки судьбы находятся на другой планете. И дело вовсе не в том, что первые биологические существа были принесены к нам из космоса (не смотря на то, что подобные догадки и обсуждаются).

Легко та, ранняя Почва была мало похожа на нынешнюю.

Прекрасная метафора для понимания сущности судьбы в собственности известному французскому естествоиспытателю Жоржу Кювье, что уподобил живой организм смерчу. И в действительности, торнадо имеет множество показателей, роднящих его с живым организмом. Он поддерживает определенную форму, движется, растет, что-то вбирает в себя, что-то выбрасывает — и это напоминает обмен веществ. Смерч может раздваиваться, другими словами как бы размножаться, и наконец, он преобразует среду.

Но живет он только , пока дует ветер. Иссякнет смерч и — поток энергии потеряет и форму, и перемещение. Исходя из этого главным вопросом изучения биогенеза есть поиск того потока энергии, что сумел «завести» процесс биологической судьбе и обеспечил первым метаболическим совокупностям динамическую стабильность, подобно тому как ветер поддерживает существование торнадо.

Животворящие «курильщики»

Одна из групп существующих сейчас догадок разглядывает в качестве колыбели судьбы тёплые источники на дне океанов, температура воды в которых может быть больше сотню градусов. Подобные источники существуют и сейчас в районе рифтовых территорий дна океана и именуются «тёмными курильщиками». Перегретая выше точки кипения вода выносит из недр растворенные до ионной формы минералы, каковые довольно часто тут же оседают в виде руды.

На первый взгляд эта среда думается смертельной для любой жизни, но уже в том месте, где вода охлаждается до 120 градусов, живут бактерии — так именуемые гипертермофилы.

Выносимые на поверхность сульфиды никеля и железа образуют на дне преципитат пирита и греигита- осадок в виде пористой шлакообразной породы. Кое-какие современные ученые, к примеру Майкл Рассел, выдвинули догадку о том, что именно эти насыщенные микропорами (пузырьками) породы стали колыбелью судьбы. В микроскопических пузырьках имели возможность формироваться и рибонуклеиновые кислоты, и пептиды.

Пузырьки, так, становились первичными катаклавами, в которых ранние метаболические цепочки обособились и превратились в клетку.

Догадка о происхождении судьбы в тёплых источниках занимательна не только версией происхождения клетки, ее физического обособления, но и возможностью нащупать энергетическую первооснову судьбы, направить изучения в область процессов, каковые описываются не столько языком химии, сколько терминами физики.

Потому, что океаническая вода более кислая, а в гидротермальных водах и в поровом пространстве осадка — более щелочная, появлялись разности потенциалов, что очень принципиально важно для жизни. Так как все отечественные реакции в клетках по собственной природе электрохимические. Они связаны с переносом электронов и с ионными (протонными) градиентами, каковые приводят к переносу энергии.

Полупроницаемые стены пузырьков играли роль мембраны, поддерживающей данный электрохимический градиент.

Сокровище в протеиновом футляре

Отличие сред — ниже дна (где сверхгорячей водой растворяются породы) и выше дна, где вода остывает, — кроме этого формирует разность потенциалов, результатом которой есть активное перемещение ионов и электронов. Такое явление кроме того стало называться химической батареи.

Не считая подходящей среды для образования органических наличия и молекул энергетического потока, имеется еще один фактор, разрешающий вычислять океанские гидротермы самоё вероятным местом зарождения судьбы. Это металлы.

Тёплые источники находятся, как уже говорилось, в рифтовых территориях, где дно раздвигается и близко подступает тёплая лава. Вовнутрь трещин попадает морская вода, которая после этого выходит обратно в виде раскаленного пара. При высоких температурах и огромном давлении базальты растворяются, как сахар, вынося наружу огромное количество железа, никеля, вольфрама, марганца, цинка, меди.

Все эти металлы (и другие) играются большую роль в живых организмах, потому, что имеют высокие каталитические особенности.

Реакции в отечественных живых клетках управляются ферментами. Это большие протеиновые молекулы, каковые увеличивают скорость реакции если сравнивать с подобными реакциями вне клетки время от времени на пара порядков. И что весьма интересно, в составе молекулы фермента на тысячи и тысячи атомов углерода, водорода, серы и азота подчас приходится всего 1−2 атома металла.

Но в случае если эту несколько атомов вытащить, белок перестает быть катализатором. Другими словами в паре «белок-металл» как раз последний оказывается ведущим. Для чего же нужна тогда громадная молекула белка? С одной стороны, она манипулирует атомом металла, «прислоняя» его к месту реакции. А иначе, она его бережет, защищает от соединений с другими элементами.

И в этом имеется глубочайший суть. Дело в том, что многие из тех металлов, что были в изобилии на ранней Почва, в то время, когда кислорода не было, и по сей день дешёвы — в том месте, где кислорода нет. К примеру, в вулканических источниках большое количество вольфрама. Но когда данный металл выходит на поверхность, где видится с кислородом, то тут же окисляется и оседает. То же происходит с другими металлами и железом. Так, задача громадной протеиновой молекулы — сохранить металл активным.

Все это наводит на идея, что именно металлы первичны в истории судьбы. Происхождение белков было причиной сохранения первичной среды, в которой металлы либо их простые соединения сохраняли собственные каталитические особенности, и обеспечило возможность их действенного применения в биокатализе.

Водород как валюта

К старейшему типу ферментов относятся гидрогеназы, каковые катализируют несложную из химических реакций — обратимое восстановление водорода из электронов и протонов. А активаторами данной реакции являются никель и железо, каковые в изобилии находились на ранней Почва. Много было и водорода — он выделялся при дегазации мантии. Как раз водород, наверное, был основным источником энергии для самых ранних метаболических совокупностей.

Так как и в отечественную эру большинство реакций, осуществляемых бактериями, включают в себя действия с водородом. Как первичный источник протонов и электронов водород образовывает базу энергетики микробов, являясь для них чем-то наподобие энергетической валюты.

Жизнь зарождалась в бескислородной среде. Переход к дыханию кислородом потребовал радикальных преобразований метаболических совокупностей клетки, дабы минимизировать активность этого агрессивного окислителя. Адаптация к кислороду появлялась в первую очередь на протяжении эволюции фотосинтеза. До этого же базой энергетики живого был водород и его простые соединения — сероводород, метан, аммиак.

Но это, возможно, не единственное химическое отличие нашей жизни от ранней.

Запасливые уранофилы

Быть может, самая ранняя судьба не имела того состава, что имеет нынешняя, где в качестве базисных элементов преобладают углерод, водород, азот, кислород, фосфор, сера. Дело в том, что жизнь предпочитает более легкие элементы, с которыми несложнее «играться». Но эти легкие элементы имеют мелкий ионный радиус и создают через чур прочные соединения. А жизни этого-то и не нужно.

Ей нужно мочь эти соединения легко расщеплять. на данный момент у нас для этого имеется множество ферментов, но на заре судьбы их еще не существовало. Пара лет назад мы высказали предположение, что у некоторых из этих шести главных элементов живого (макроэлементы C, H, N, O, P, S) были более тяжелые, но и более «эргономичные» предшественники. Вместо серы в качестве одного из макроэлементов, вероятнее, трудился селен, что легко соединяется и легко диссоциирует.

Место фосфора по той же причине, быть может, занимал мышьяк. Недавнее открытие бактерий, каковые применяют мышьяк вместо фосфора в собственных ДНК и РНК, усиливает отечественные позиции. Причем все это справедливо не только для неметаллов, но и для металлов.

Вместе с никелем и железом в ходе становления судьбы большую роль игрался вольфрам. Корни судьбы, так, нужно, возможно, уводить в низ таблицы Менделеева.

Для подтверждения либо опровержения догадок об изначальном составе биологических молекул нам стоит обратить внимание на бактерий, живущих в необыкновенных средах, вероятно отдаленно напоминающих Почву в древние времена. К примеру, сравнительно не так давно японские ученые изучили один из видов бактерий, обитающих в тёплых источниках, и нашли в их слизистых оболочках урановые минералы. Для чего бактерии их накапливают? Быть может, уран имеет для них какую-то метаболическую сокровище?

К примеру, употребляется ионизирующий эффект радиации. Имеется второй узнаваемый пример — магнитобактерии, каковые существуют в аэробных условиях, в довольно холодной воде, и накапливают железо в виде кристалликов магнетита, обернутых в протеиновую мембрану. В то время, когда железа в окружающей среде большое количество — они формируют эту цепочку, в то время, когда железа нет — они его тратят и «сумочки» становятся безлюдными.

Это весьма похоже на то, как у позвоночных накапливается жир в качестве энергетического запаса.

На глубине 2−3 км, в плотных осадках, оказывается, также живут бактерии и в полной мере обходятся без солнечного света и кислорода. Такие организмы найдены, к примеру, в урановых шахтах Южной Африки. Питаются они водородом, и тут его достаточно, по причине того, что уровень радиации так высок, что вода диссоциируется на водород и кислород. Генетических аналогов на поверхности Почвы у этих организмов не найдено.

Где же эти бактерии сформировались? Где их предки? Поиск ответов на эти вопросы делается для нас настоящим путешествием во времени — к истокам живого на Земле.

Создатель — академик РАН, директор Геологического университета РАН

Жизнь — это энергия

Значительно чаще ученые, занимающиеся проблемами биогенеза, ставят на первое место происхождение «живых кирпичиков», «строительных блоков», другими словами тех органических веществ, из которых состоит живая клетка.

Минеральные матрицы

Это ДНК, РНК, белки, жиры, углеводы. К примеру, деятельно разрабатываются теории минерального происхождения судьбы. И вправду, на?кристаллической решетке минерала как на матрице смогут синтезироваться различные вещества: аминокислоты, сахара, белки.

Особенный интерес воображают глинистые минералы. Благодаря собственной слоистой структуре они смогут концентрировать между слоями органические молекулы и ?превращать их в сложные.

Что вдохнуло жизнь?

Но в случае если забрать эти сложные молекулы и выложить в некоторый сосуд, из них ничего само собой не соберется. Это?не пазл. Любой организм — динамическая совокупность, находящаяся в?состоянии постоянного обмена со средой.

Кроме того в случае если забрать современный живой организм и растереть его до молекул, то никому не под силу повторно собрать из этих молекул живое существо. Но современные модели происхождения судьбы в?главном ориентируются на процессы абиогенного синтеза макромолекул — предшественников биоорганических соединений, не предлагая механизмов генерирования энергии, которая инициировала и поддерживала процессы обмена веществ.

Невыносимая воздух: Формирование отечественной планеты возможно уподобить выплавке чугуна в мартеновской печи

Мартеновская планета

В печи кокс, руда, флюсы — все это плавится, и в итоге тяжелый жидкий металл стекает вниз, а ?наверху остается затвердевшая пена шлака. Помимо этого, выделяются газы, включая пары воды. Совершенно верно так же появилось железное ядро Почвы, «стекшее» к центру планеты. В следствии данной «плавки» начался процесс, известный как дегазация мантии.

Почву 4 млрд лет назад, в то время, когда, как вычисляют, зародилась жизнь, отличал деятельный вулканизм, не идущий ни в какое сравнение с?нынешним.

Под тусклым солнцем

Поток радиации и радиогенного тепла из недр был раз в 10 замечательнее, чем в наши дни. В ?результате тектонических процессов и? интенсивной метеоритной бомбардировки узкая земная кора всегда перерабатывалась. Собственный вклад, разумеется, вносила и пребывавшая на намного более близкой орбите Луна, которая своим гравитационным полем массировала и разогревала отечественную планету.

Самое необычное, что интенсивность свечения Солнца в?те далекие времена была ниже приблизительно на 30%. Если бы Солнце в отечественную эру начало светить хотя бы на 5% не сильный, Почва мгновенно покрылась бы льдом. Но тогда у?отечественной планеты было намного больше собственного тепла, и ничего кроме того близко напоминавшего ледники на ее поверхности не виделось.

Но существовала плотная воздух, прекрасно удерживавшая тепло. По собственному составу она имела восстановительный темперамент, другими словами в ней фактически отсутствовал несвязанный кислород, но она включала в себя большое количество водорода, и парниковые газы — пар, углекислый газ и метан.

Вода из комет

Так, первая жизнь на Земле показалась в условиях, в которых из живущих сейчас организмов имели возможность бы существовать только примитивные анаэробные бактерии. Первые следы воды, в которой, как полагают, зародилась жизнь, геологи находят в?отложениях возрастом 3,5 млрд лет, не смотря на то, что, "Наверное," в жидком виде она показалась на Земле пара раньше. Вода образовывалась из насыщавшего воздух пара, в то время, когда Почва стала неспешно остывать.

Помимо этого, воду к нам приносили малые кометы, интенсивно бомбардировавшие земную поверхность.

Никто никого не ел

Первые клетки, показавшиеся в недрах океанов на очень сильно разогретой Почва, были, само собой разумеется, прокариотными, другими словами весьма примитивными по строению и не владеющими оформленным клеточным ядром. Но времена изменялись, и уже около шести миллиардов лет назад в?результате жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов в воздухе Почвы показался кислород. Он тут же принялся окислять металлы, превращая их в руду. Количество свободного железа пошло на убыль.

И тогда жизнь начала отказываться (где возможно) от железа и замещать его вторыми металлами. Очень серьёзной задачей для живых организмов стала защита собственного «внутреннего мира» от губительного окисления. Как защититься?

Имеется возможность окружить себя полупроницаемой слизью либо оставаться в? тех средах, каковые напоминают раннюю Почву. Но был еще один метод ?- «спрятаться» в второй организм, более устойчивый к изменившейся среде. Так случилась сложная эукариотная клетка — старая экосистема, свернувшаяся воедино. Многие органеллы, каковые живут в клетки, некогда были свободноживущими бактериями.

Более ранние теории происхождения эукариотных клеток предполагали, к примеру, заглатывание одного прокариотного организма вторым, но сейчас стало ясно: никто никого не ел. Эукариотная клетка стала результатом оптимизации взаимоотношений первичных прокариотных сообществ в ответ на необратимые трансформации параметров среды.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№101, март 2011).

Отрывок из мультфильма Тяжёлый Метал 2000


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: