Արևի երեխաները. Արևի լույսի էներգիայի և այն օգտագործող օրգանիզմների փոխակերպում Ինչ կենդանի օրգանիզմներ են էներգիա ստանում ուրիշներից

Պրոտերոզոյան Էոնը Երկրի պատմության ամենաերկար դարաշրջանն է: Այն սկսվել է մ.թ.ա 2,5 միլիարդ տարի: Ն.Ս. եւ ավարտվել է 541 մլն մ.թ.ա. Այս ընթացքում Երկիրը մանրէներից զերծ թթվածնից՝ պրոկարիոտներից, վերածվել է բազմաբջիջ օրգանիզմների թթվածնազուրկ մոլորակի։

1. Մեծ թթվածնային իրադարձություն

Կենսաբան Ալեքսանդր Մարկովը թթվածնային ճգնաժամի, ջերմոցային գազերի և էուկարիոտների առաջացման մասին

Վաղ պրոտերոզոյան ժամանակաշրջանում մթնոլորտում և հիդրոսֆերայում ազատ թթվածնի քանակի բավականին արագ աճ է տեղի ունեցել մի քանի հարյուր միլիոն տարվա ընթացքում: Դրա նախադրյալները ձևավորվել են Արքեյան դարաշրջանի վերջում։ Մոտ 2,45 միլիարդ տարի առաջ, այսպես կոչված, թթվածնի մեծ իրադարձությունը սկսվեց, երբ թթվածնի մակարդակը մոտ 0%-ից բարձրացավ մինչև ներկայիս թթվածնի մակարդակի մոտ 1%-ը:

Ինչո՞ւ են երկրաբանները կարծում, որ այս ժամանակահատվածում թթվածնի պարունակությունն աճել է: Դա ցույց են տալիս մի շարք նշաններ, օրինակ՝ ծծմբի իզոտոպների հարաբերակցությունը նստվածքային ապարներում։ Ըստ երևույթին, մթնոլորտ մտնող հրաբխային գազերը, եթե այս մթնոլորտում թթվածին չկա, մասնակցում են որոշակի ֆոտոքիմիական ռեակցիաների, որոնց ընթացքում տեղի է ունենում ծծմբի իզոտոպների մասնատում և ստացվում է փոփոխված իզոտոպային բաղադրություն։ Բայց երբ մթնոլորտում հայտնվում է թթվածին, այդ գործընթացները դադարում են։ Իսկ պրոտերոզոյական դարաշրջանի սկզբում այդ գործընթացները պարզապես դադարեցին։

Ա.Մարկով. 2010. Բարդության ծնունդը. Էվոլյուցիոն կենսաբանություն այսօր. անսպասելի բացահայտումներ և նոր հարցեր. M .: Astrel: CORPUS:

2. Ճգնաժամ մանրէաբանական համայնքներում

Նստվածքային ապարներում կան նաև մի շարք օգտակար հանածոներ, որոնք կարող են ձևավորվել միայն անօքսիդ պայմաններում՝ դրանք օքսիդանում են թթվածնի առկայության դեպքում: Իսկ այդպիսի չօքսիդացված միներալներ հայտնաբերվում են նաև ապարներում մինչև պրոտերոզոյան սկիզբը, իսկ հետո դրանք այլևս չեն ձևավորվում։

Այն ժամանակներում բոլոր մանրէները հարմարեցված էին կյանքին անօքսիկ պայմաններում, իսկ թթվածինը ուժեղ օքսիդացնող նյութ է, այն իրականում ուժեղ թույն է, որից պետք է հատուկ կերպով պաշտպանվել ձեզ։ Մթնոլորտում թթվածնի պարունակության ավելացումը պետք է ինչ-որ ճգնաժամ առաջացներ մանրէաբանական համայնքներում, որոնք այն ժամանակ փաստացիորեն կազմում էին Երկրի վրա կյանքի միակ ձևը:

Է.Կունին. 2014. Գործի տրամաբանությունը. Կենսաբանական էվոլյուցիայի բնույթի և ծագման մասին. Մ .: Ցենտրպոլիգրաֆ.

3. Հուրոնի սառցադաշտի պատճառները

Միևնույն ժամանակ տեղի է ունենում Երկրի վրա առաջին խոշոր սառցադաշտը` այն կոչվում է Հուրոն:
Երկրի պատմության մեջ տաք կամ ցուրտ դարաշրջանների սկզբնավորման պատճառները, ըստ երևույթին, բավականին բազմազան էին: Բայց դրանց առաջացման կարևոր պատճառներից մեկը մթնոլորտում այնպիսի ջերմոցային գազերի քանակն է, ինչպիսին են CO2, մեթանը, ջրային գոլորշիները։ Սակայն կյանքի զարգացումն ազդում է հենց բովանդակության վրա ածխաթթու գազիսկ հետո մեթան։

7 փաստ բիոգենեզի փուլերի և Երկրի վրա կյանքի ծագման խնդրի մասին

Ինչու՞ է սառցադաշտը տեղի ունենում այն ​​ժամանակ, երբ թթվածնի պարունակությունը մեծանում է: Նախ, որպեսզի թթվածնի պարունակությունը աճի, անհրաժեշտ է, որ ածխածինը հեռացվի ցիկլից: Ածխածնի կենսագեն ցիկլի ընթացքում ֆոտոսինթետիկ օրգանիզմները մթնոլորտից հեռացնում են ածխաթթու գազը և դրանից օրգանական նյութեր արտադրում։ Այնուհետև հետերոտրոֆ օրգանիզմները, որոնք սնվում են պատրաստի օրգանական նյութերով, օքսիդացնում են այս օրգանական նյութերը ֆոտոսինթետիկների կողմից թողարկված թթվածնով և այն նորից վերածում CO2-ի։ Այսպիսով, ֆոտոսինթետիկները թթվածին են թողնում և մթնոլորտից վերցնում ածխածինը, իսկ հետերոտրոֆ օրգանիզմները, ընդհակառակը, վերցնում են թթվածին և արտազատում ածխածին։

Եթե ​​ֆոտոսինթետիկների ակտիվությունը լիովին հավասարակշռված չէ հետերոտրոֆների ակտիվությամբ, այսինքն՝ օրգանական նյութերի սպառումը հետ է մնում օրգանական նյութերի արտադրությունից, ապա այդ ավելցուկային օրգանական նյութերը կթաղվեն երկրակեղևում։ Սա հանգեցնում է նրան, որ ածխածինը աստիճանաբար հեռացվում է մթնոլորտից, CO2-ի պարունակությունը մթնոլորտում նվազում է, ջերմոցային էֆեկտը թուլանում է, և այն դառնում է ավելի սառը։

Թթվածնի պարունակության արագ աճի պահին առաջացել է սառցադաշտ։ Բացի այդ, թողարկված թթվածինը կարող էր օքսիդացնել մեթանը, որն, ըստ երևույթին, այն ժամանակ դեռևս զգալի քանակությամբ առկա էր մթնոլորտում։ Իսկ մեթանը նույնպես շատ ուժեղ ջերմոցային գազ է։

Կ.Էսկով. 2000. Երկրի և նրա վրա կյանքի պատմությունը: M .: MIROS - MAIK «Science-Interperiodica».

4. Առաջին էուկարիոտիկ բջջի տեսքը

Առաջին սառցադաշտի ավարտին և թթվածնի արագ աճի շրջանի ավարտին տեղի է ունենում երկրային կյանքի էվոլյուցիայի ամենակարևոր իրադարձությունը` առաջին էուկարիոտիկ բջիջը:
Մինչ այժմ Երկրի վրա ապրել են միայն պրոկարիոտներ՝ դրանք բակտերիաներ են, որոնք չունեն բջջային միջուկ և թաղանթային այլ կառուցվածքներ, օրգանելներ։ Բջջում նրանք չունեն միտոքոնդրիաներ, պլաստիդներ և այլ բարդություններ: Բջջային կյանքի արշալույսին պրոկարիոտները բաժանվեցին երկու մեծ խմբի՝ բակտերիաներ և արխեաներ (նախկինում դրանք կոչվում էին արխեա)։

Էուկարիոտները կենդանի օրգանիզմների երրորդ մեծ խումբն են, որոնք առաջին անգամ հայտնվում են վաղ պրոտերոզոյական դարաշրջանում, ամենայն հավանականությամբ, թթվածնի ավելացման պատճառով։ Էուկարիոտները օրգանիզմներ են, որոնք ունեն միջուկ բջիջում՝ միտոքոնդրիում, և նրանք սկզբում հատուկ հարմարեցված են թթվածնային միջավայրին: Միտոքոնդրիաները էուկարիոտ բջջի օրգանելներ են, որոնք պարզապես անհրաժեշտ են թթվածնի շնչառության համար, քանի որ նրանք օգտագործում են թթվածին օրգանական նյութերը օքսիդացնելու և էներգիա առաջացնելու համար: Հենց էուկարիոտիկ բջիջն է հիմք դարձել մեր մոլորակի բազմաբջիջ կյանքի բոլոր բարդ ձևերի՝ կենդանիների, բույսերի, սնկերի զարգացման համար:

Պրոկարիոտները մի քանի անգամ փորձել են և շարունակում են փորձել երբեմն շարժվել դեպի բազմաբջիջություն, սակայն այդ փորձերը հեռու չեն գնում մի շարք տեխնիկական պատճառներով: Օրինակ՝ բազմաբջիջ օրգանիզմում տարբեր բջիջներ կատարում են տարբեր գործառույթներ, համապատասխանաբար տարբեր հյուսվածքներում ունեն տարբեր գեներ։ Էուկարիոտ օրգանիզմի գենոմը պարունակում է բոլոր գեները, որոնք անհրաժեշտ են բազմաբջիջ օրգանիզմի բոլոր հյուսվածքների ձևավորման համար, բայց դրանց միայն մի մասն է աշխատում յուրաքանչյուր հյուսվածքում՝ այն, ինչ անհրաժեշտ է: Որպեսզի դա աշխատի, անհրաժեշտ է գեների աշխատանքը կարգավորող շատ բարդ և արդյունավետ համակարգ։ Եվ դրա համար պարզապես շատ կարևոր է ունենալ բջջային միջուկ, որտեղ գեները մեկուսացված են ցիտոպլազմայում տեղի ունեցող կատաղի կենսաքիմիական գործընթացներից: Այնտեղ հնարավոր է մշակել գեների աշխատանքը կարգավորող արդյունավետ համակարգեր, որոնք չունեն պրոկարիոտները, քանի որ ունեն ավելի պարզ կարգավորիչ համակարգեր։

5. Էուկարիոտիկ բջջի կառուցվածքը

Որոշ հետազոտողներ կարծում են, որ էուկարիոտային բջիջի առաջացումը Երկրի վրա կյանքի էվոլյուցիայի ամենաառանցքային իրադարձությունն է: Եվ գուցե դա տեղի է ունեցել միայն մեկ անգամ, քանի որ բոլոր ժամանակակից էուկարիոտները, ըստ երևույթին, սերում են նույն նախնուց: Թերևս եղել են նման էվոլյուցիոն փորձերի մի քանի այլ փորձեր, բայց դրանք չեն պահպանվել մինչ օրս:

7 փաստ մարմնի ամենատարրական համակարգի մասին

Էուկարիոտիկ բջիջն իր բնույթով քիմերային է։ Այն հայտնվեց որպես նախաքեմբրյան մանրէաբանական համայնքների էվոլյուցիայի բնական արդյունք, որոնք կազմում էին կյանքի հիմնական ձևը Արքեյան դարաշրջանում և շարունակում էին գերակշռել Պրոտերոզոյում։ Եթե ​​նայեք, թե ինչ սպիտակուցներից է կազմված էուկարիոտ բջիջը, շատ հետաքրքիր բան է ստացվում։ Էուկարիոտիկ բջջի կենտրոնական համակարգը, որը կապված է ԴՆԹ-ի վերարտադրության, գենետիկ տեղեկատվության հետ աշխատանքի և սպիտակուցների սինթեզի հետ, սպասարկվում է արխեայի սպիտակուցների նմանությամբ: Բայց ծայրամասում գերակշռում են նյութափոխանակությունը, ընկալիչները, արտաքին միջավայրի հետ փոխազդեցությունը, ազդանշանի փոխանցումը՝ բակտերիաների սպիտակուցներին նմանվող սպիտակուցները։ Այսինքն՝ էուկարիոտիկ բջիջն ունի արխեալ միջուկ և բակտերիալ ծայրամաս։ Այսինքն՝ էվոլյուցիայի գործընթացում տեղի է ունեցել մի տեսակ միաձուլում՝ պրոկարիոտների երկու մեծ ճյուղերի ներկայացուցիչների գենոմների համակցություն։

Ն. Լեյն. 2014. Կյանքի սանդուղք. Էվոլյուցիայի տասը ամենամեծ գյուտերը. Մ .: ՀՍՏ: ԿՈՐՊՈՒՍ.

6. Հին մանրէների հարմարեցումը թթվածնին

Թթվածնային ճգնաժամի ժամանակ, երբ հնագույն մանրէները ստիպված էին հարմարվել նոր թույնին, որը հայտնվեց՝ ազատել թթվածին, որոշ արխեաներ, ըստ երևույթին, ակտիվորեն փոխառեցին օտար գեներ, ներառյալ բակտերիալները, և արդյունքում ձեռք բերեցին մի շարք բակտերիալ հատկություններ: Պարզվեց, որ դա մի տեսակ քիմերային միաբջիջ օրգանիզմ է, որն ընդունակ է, օրինակ, կուլ տալ այլ պրոկարիոտներին։ Թերևս նրանք դիմել են գիշատիչների, միգուցե միաձուլվել են այլ բջիջների հետ՝ գենետիկ նյութը փոխանակելու համար։ Ամենայն հավանականությամբ, այս փուլում է ձեւավորվել սեռական վերարտադրությունը։ Էուկարիոտների մեկ այլ հիմնական հատկանիշը ճշմարիտ սեռական վերարտադրությունն է, որը կապված է սեռական բջիջների միաձուլման և կրճատման բաժանման (meiosis) հետ:

Այս քիմերային օրգանիզմը ինչ-որ պահի կուլ է տվել բակտերիաները՝ ալֆա-պրոտեոբակտերիաների խմբի ներկայացուցիչներ, որոնք դարձել են միտոքոնդրիայի՝ թթվածնի շնչառության օրգանելլի նախնիները: Այսպիսով, այս օրգանիզմը, ձեռք բերելով նման սիմբիոն, պաշտպանվել է թթվածնի թունավոր ազդեցությունից։ Դրանից հետո թթվածինը օգտագործվել է այս սիմբիոտիկ միտոքոնդրիաների կողմից: Միտոքոնդրիաների ազատ ապրող նախնիները սովորեցին պայքարել թթվածնի դեմ և հայտնագործեցին թթվածնային շնչառական համակարգը: Հավանաբար, սկզբում նրանք պարզապես այրում էին օրգանական նյութերը, որպեսզի չեզոքացնեն թթվածինը, իսկ հետո սովորեցին դրանից օգուտներ քաղել էներգիայի տեսքով։

7. Օվկիանոսում միաբջիջ էուկարիոտների ֆաունայի զարգացումը

Կենսաբան Եվգենի Կունինը գեների տեսակետից վիճակագրական ֆիզիկայի, էվոլյուցիոն պարադիգմայի փոփոխության և տիեզերագիտության և կյանքի ծագման միջև կապի մասին

Հնագույն օրգանիզմների թթվածնին հարմարվելու ընթացքում մանրէները վերածվել են միտոքոնդրիաներով պրոէուկարիոտ բջիջի։ Ինչ-որ պահի բջջում միջուկ է հայտնվել։ Տեսություն կա, որ միջուկը հայտնվել է վիրուսների հետ սիմբիոզի արդյունքում։ Գիտնականները հայտնաբերել են շատ մեծ վիրուսներ, որոնք մի շարք հատկություններով նման են բջջի միջուկին, որոնցից կարելի է եզրակացնել, որ, հնարավոր է, բջջի միջուկը ձեռք է բերվել էվոլյուցիայի ժամանակ՝ սիմբիոզի միջոցով։

Պրոտերոզոյական դարաշրջանի սկզբում՝ երկու միլիարդ տարի առաջ, հայտնվում է էուկարիոտիկ բջիջ։ Առաջին էուկարիոտները եղել են միաբջիջ, հետերոտրոֆներ, այսինքն՝ սպառել են պատրաստի օրգանական նյութեր։ Որոշ ժամանակ անց որոշ էուկարիոտներ սիմբիոզի մեջ մտան ցիանոբակտերիաների հետ և կուլ տվեցին դրանք: Այսպիսով, այս ցիանոբակտերիաները առաջացրել են պլաստիդներ, որոնք հանգեցրել են բույսերի առաջացմանը։

Միջին պրոտերոզոյական դարաշրջանում մենք արդեն տեսնում ենք միաբջիջ էուկարիոտների մնացորդներ բրածոների գրառումներում։ Ֆիտոպլանկտոնն աստիճանաբար առաջացել է արդեն էուկարիոտ միաբջիջ ջրիմուռներից։ Եվ միևնույն ժամանակ, ըստ երևույթին, սկսեցին հայտնվել առաջին բազմաբջիջ ջրիմուռները։

Հաղորդագրություն

Կանաչ բույսերի դերը կենդանիներին էներգիա ապահովելու գործում

Օրգանիզմներ մեր մոլորակի վրա

Ինչպես գիտեք, երկրի վրա էներգիայի հիմնական աղբյուրը արևն է: Բայց մարդիկ և կենդանիները չեն կարողանում ուղղակիորեն օգտագործել արևային էներգիան, քանի որ նրանց մարմնում չկան այնպիսի համակարգեր, որոնց միջոցով էներգիան կսպառվեր այնպիսի ձևով, ինչպիսին կա։ Ուստի արեգակնային էներգիան մարդու կամ կենդանու օրգանիզմ է մտնում որպես օգտակար էներգիա միայն բույսերի կողմից արտադրվող նյութերի միջոցով։

Բույսերը լույսի էներգիայի միջոցով կարողանում են օրգանական նյութեր ստեղծել անօրգանական նյութերից։ Այս գործընթացը կոչվում է ֆոտոսինթեզ (հունարեն «photos» - լույս, «սինթեզ» - կապ բառերից): Ֆոտոսինթեզի ունակությունը կանաչ բույսերի ամենակարեւոր հատկությունն է։ Սա մեր մոլորակի միակ գործընթացն է, որը կապված է արևի լույսի էներգիան էներգիայի վերածելու հետ: քիմիական կապերպարփակված օրգանական նյութերի մեջ. Հետևաբար, ֆոտոսինթեզը ամենակարևոր գործընթացն է, որի միջոցով հնարավոր է կյանքը Երկրի վրա:

19-րդ դարի վերջի - 20-րդ դարի սկզբի նշանավոր ռուս գիտնական: Կլեմենտ Արկադիևիչ Տիմիրյազևը (1843-1920) Երկրի վրա կանաչ բույսերի դերն անվանել է տիեզերական: Կ.Ա. Տիմիրյազևը գրել է. «Բոլոր օրգանական նյութերը, անկախ նրանից, թե որքան բազմազան են դրանք, որտեղ էլ որ դրանք առաջանան, լինի դա բույսի, կենդանու կամ մարդու մեջ, անցնում են տերևի միջով, առաջացել են տերևի արտադրած նյութերից: Տերեւից դուրս, ավելի ճիշտ՝ քլորոֆիլի հատիկից դուրս, բնության մեջ չկա լաբորատորիա, որտեղ օրգանական նյութեր են արտազատվում։ Մնացած բոլոր օրգաններում և օրգանիզմներում այն ​​փոխակերպվում է, փոխակերպվում, միայն այստեղ այն նորից ձևավորվում է անօրգանական նյութերից»:

Բացի այդ, բույսերը հագեցնում են Երկրի մթնոլորտը թթվածնով, որը ծառայում է օրգանական նյութերի օքսիդացմանը և այդ կերպ արդյունահանելու դրանցում կուտակված քիմիական էներգիան, որը կուտակված է աերոբ բջիջների կողմից։

Ամեն տարի կանաչ բույսերը սինթեզում են մեծ քանակությամբ օրգանական նյութեր, կլանում են մոտ 600 միլիարդ տոննա ածխաթթու գազ և մթնոլորտ արտանետում 400 միլիարդ տոննա ազատ թթվածին: Ֆոտոսինթեզը ամեն տարի պահպանում է փոխակերպված արևային էներգիայի հսկայական քանակություն:

Էներգիայի կուտակումը շատ կարևոր երեւույթ է կենդանի բնության համար՝ պայմանավորված կանաչ բույսերի ֆոտոսինթեզի շնորհիվ։ Օրգանական նյութերը հիանալի էներգիայի կրող են:

Քլորոֆիլի և արևի լույսի մասնակցությամբ ստեղծված ածխաջրերը, ինչպես նաև բույսերում ձևավորված սպիտակուցներն ու ճարպերը մեծ էներգիա են պարունակում։ Այն հատկապես առատ է օսլայի և տարբեր շաքարների մեջ։

Շատ բույսեր, ինչպիսիք են շաքարեղեգը, շաքարի ճակնդեղը, սոխը, ոլոռը, եգիպտացորենը, խաղողը, արմավը, շաքարը պահում են ցողուններում, արմատներում, սոխուկներում, մրգերում և սերմերում: Հենց շաքարներն են էներգիայի հիմնական աղբյուրը բոլոր կենդանի էակների համար, քանի որ դրանք հեշտությամբ կարող են դառնալ ցանկացած կենդանի բջջի ամենաակտիվ միացություններից մեկը: Արեգակնային ճառագայթման տեսքով անընդհատ կլանելով էներգիան՝ բույսերը կուտակում են այն։ Երկրի վրա կանաչ բույսերի հսկայական քանակության պատճառով կենսոլորտում էներգիան ավելի ու ավելի է դառնում։ Մարդը լայնորեն օգտագործում է գազը, նավթը, ածուխը, վառելափայտը. բոլոր էգոն օրգանական նյութեր են, որոնք այրման ժամանակ ազատում են էներգիան, որը ժամանակին ներմուծվել է կանաչ բույսերի մեջ:

Կարելի է եզրակացնել, որ բույսերի գոյությունը շատ կարևոր և անհրաժեշտ դեր է խաղում երկրի վրա կենդանի էակների գոյատևման համար։ Տիեզերքից ստացված արևի ճառագայթների էներգիան, որը պահպանվում է կանաչ բույսերի կողմից ածխաջրերի, ճարպերի և սպիտակուցների մեջ, ապահովում է ողջ կենդանի աշխարհի կենսագործունեությունը՝ բակտերիայից մինչև մարդ:

Քորլիսը տեսություն է առաջացրել, որ հիդրոթերմալ օդափոխիչները կարող են քիմիական նյութերի կոկտեյլներ ստեղծել: Յուրաքանչյուր աղբյուր, նրա խոսքով, նախնադարյան արգանակի մի տեսակ ցողում էր:

Երբ տաք ջուրը հոսում էր ժայռերի միջով, ջերմությունն ու ճնշումը պատճառ էին դառնում, որ պարզ օրգանական միացությունները միաձուլվեն ավելի բարդ միացությունների, ինչպիսիք են ամինաթթուները, նուկլեոտիդները և շաքարները: Օվկիանոսի հետ սահմանին ավելի մոտ, որտեղ ջուրն այնքան էլ տաք չէր, նրանք սկսեցին շղթաներով կապվել՝ ձևավորել ածխաջրեր, սպիտակուցներ և ԴՆԹ-ի նման նուկլեոտիդներ: Հետո, երբ ջուրը մոտեցավ օվկիանոսին և էլ ավելի սառեց, այս մոլեկուլները հավաքվեցին պարզ բջիջների մեջ։

Հետաքրքիր էր, տեսությունը գրավեց մարդկանց ուշադրությունը։ Բայց Սթենլի Միլլերը, ում փորձը մենք քննարկեցինք առաջին մասում, չհավատաց դրան։ 1988 թվականին նա գրել է, որ խորը օդափոխիչները չափազանց տաք են։

Թեև ինտենսիվ ջերմությունը կարող է արտադրել քիմիական նյութեր, ինչպիսիք են ամինաթթուները, Միլլերի փորձերը ցույց են տվել, որ այն կարող է նաև ոչնչացնել դրանք: Հիմնական միացությունները, ինչպիսիք են շաքարները, «կարող են գոյատևել մի քանի վայրկյան, ոչ ավելին»: Ավելին, այս պարզ մոլեկուլները դժվար թե կապվեն շղթաներով, քանի որ շրջակա ջուրը անմիջապես կբաժանի դրանք:

Այս փուլում ճակատամարտին միացավ երկրաբան Մայք Ռասելը։ Նա կարծում էր, որ հիդրոթերմային օդանցքների տեսությունը կարող է բավականին ճիշտ լինել։ Ավելին, նրան թվում էր, թե այս աղբյուրները իդեալական տուն են լինելու Վախթերշաուզերի օրգանիզմի պրեկուրսորների համար։ Այս ոգեշնչումը նրան ստիպեց ստեղծել կյանքի սկզբնավորման ամենաընդունված տեսություններից մեկը:

Երկրաբան Մայքլ Ռասել

Ռասելի կարիերան շատ հետաքրքիր բաներ ուներ. նա ասպիրին էր պատրաստում, որոնում էր արժեքավոր հանքանյութեր, և 1960-ականներին մեկ ուշագրավ դեպքի ժամանակ համակարգում էր հրաբխի հնարավոր ժայթքման արձագանքը, չնայած պատրաստության բացակայությանը: Բայց նրան ավելի շատ հետաքրքրում էր, թե ինչպես է փոխվել Երկրի մակերեսը դարերի ընթացքում: Այս երկրաբանական հեռանկարը ծնեց նրա պատկերացումները կյանքի ծագման մասին։

1980-ականներին նա գտավ բրածո ապացույցներ ավելի քիչ տուրբուլենտ տեսակի հիդրոթերմալ երակի մասին, որի ջերմաստիճանը չի գերազանցում 150 աստիճան Ցելսիուսը: Այս մեղմ ջերմաստիճանները, նրա խոսքերով, կարող են թույլ տալ կյանքի մոլեկուլներին ավելի երկար ապրել, քան կարծում էր Միլլերը:

Ավելին, այս «սառը» օդանցքների բրածո մնացորդները տարօրինակ բան էին պարունակում՝ երկաթից և ծծմբից կազմված հանքային պիրիտը ձևավորվել էր 1 մմ տրամագծով խողովակներում։ Լաբորատորիայում աշխատելիս Ռասելը հայտնաբերեց, որ պիրիտը կարող է նաև գնդաձև կաթիլներ առաջացնել: Եվ նա առաջարկեց, որ առաջին բարդ օրգանական մոլեկուլները կարող էին ձևավորվել այս պարզ պիրիտի կառուցվածքների ներսում:

Երկաթի պիրիտ

Հենց այդ ժամանակ էր, որ Վախթերշաուզերը սկսեց հրապարակել իր գաղափարները, որոնք հիմնված էին հանքանյութերի միջով հոսող տաք, քիմիապես հարստացված ջրի հոսքի վրա։ Նա նույնիսկ ենթադրել է, որ պիրիտի հետ է կապված:

Ռասելը ավելացրեց երկու գումարած երկու: Նա առաջարկեց, որ ծովի խորքում ջրաջերմային օդանցքները, բավական սառը, որպեսզի պիրիտի կառուցվածքները ձևավորվեն, պարունակեն Վախթերշաուզերի օրգանիզմների պրեկուրսորներ: Եթե ​​Ռասելը ճիշտ էր, կյանքը սկսվեց ծովի հատակից, և նյութափոխանակությունը առաջին անգամ հայտնվեց:

Ռասելն այդ ամենը միավորել է մի աշխատության մեջ, որը հրապարակվել է 1993 թվականին՝ Միլերի դասական փորձից 40 տարի անց: Այն չառաջացրեց նույն մեդիա աղմուկը, բայց, անկասկած, ավելի կարևոր էր: Ռասելը միավորեց երկու թվացյալ առանձին գաղափարներ՝ Wachtershauser մետաբոլիկ ցիկլերը և Corliss հիդրոթերմային օդանցքները, ինչ-որ իսկապես գրավիչ բանի մեջ:

Ռասելը նույնիսկ բացատրություն է տվել, թե ինչպես են առաջին օրգանիզմները ստացել իրենց էներգիան: Այսինքն՝ նա հասկացավ, թե ինչպես կարող է աշխատել նրանց նյութափոխանակությունը։ Նրա գաղափարը հիմնված էր մոռացված հանճարներից մեկի աշխատանքի վրա ժամանակակից գիտ.

Պիտեր Միտչել, Նոբելյան մրցանակակիր

1960-ականներին կենսաքիմիկոս Պիտեր Միտչելը հիվանդացավ և ստիպված եղավ հեռանալ Էդինբուրգի համալսարանից։ Փոխարենը, նա մասնավոր լաբորատորիա հիմնեց Կորնուոլում գտնվող հեռավոր կալվածքում: Մեկուսանալով գիտական ​​համայնքից՝ նա ֆինանսավորեց իր աշխատանքը կաթնատու կովերի երամի հետ։ Բազմաթիվ կենսաքիմիկոսներ, այդ թվում՝ Լեսլի Օրգելը, ում աշխատանքը ՌՆԹ-ի վերաբերյալ մենք քննարկեցինք 2-րդ մասում, Միտչելի գաղափարները համարեցին լիովին ծիծաղելի։

Մի քանի տասնամյակ անց Միտչելը սպասում էր բացարձակ հաղթանակի՝ քիմիայում 1978 թ. Նա հայտնի չդարձավ, բայց նրա գաղափարներն այսօր առկա են կենսաբանության յուրաքանչյուր դասագրքում։ Միտչելն իր կարիերան անցկացրել է պարզելու, թե ինչ են անում օրգանիզմներն այն էներգիայի հետ, որը նրանք ստանում են սննդից: Հիմնականում նա զարմանում էր, թե ինչպես է մենք բոլորս կարողանում ամեն վայրկյան ողջ մնալ։

Նա գիտեր, որ բոլոր բջիջներն իրենց էներգիան պահում են մեկ մոլեկուլում՝ ադենոզին տրիֆոսֆատ (ATP): Ադենոզինին կցված է երեք ֆոսֆատներից բաղկացած շղթա։ Երրորդ ֆոսֆատի ավելացումը պահանջում է մեծ էներգիա, որն այնուհետև փակվում է ATP-ում:

Երբ բջիջը էներգիայի կարիք ունի, օրինակ, երբ մկանը կծկվում է, այն տրոհում է երրորդ ֆոսֆատը ATP-ի: Սա փոխակերպում է ATP-ն ադենոսիդիֆոսֆատի (ADP) և ազատում կուտակված էներգիան: Միտչելը ցանկանում էր իմանալ, թե ինչպես է բջիջը արտադրում ATP ընդհանրապես: Ինչպե՞ս է այն կուտակում բավարար էներգիա ADP-ում երրորդ ֆոսֆատը միացնելու համար:

Միտչելը գիտեր, որ ATP արտադրող ֆերմենտը գտնվում է թաղանթում: Հետևաբար, ես ենթադրեցի, որ բջիջը լիցքավորված մասնիկներ (պրոտոններ) մղում է մեմբրանի միջով, ուստի շատ պրոտոններ կան մի կողմում, բայց ոչ մյուս կողմից:

Այնուհետև պրոտոնները փորձում են ետ արտահոսել մեմբրանի միջով, որպեսզի հավասարակշռեն յուրաքանչյուր կողմում գտնվող պրոտոնների քանակը, բայց միակ տեղը, որտեղ նրանք կարող են անցնել, ֆերմենտն է: Այսպիսով, հոսող պրոտոնների հոսքը ֆերմենտին ապահովում էր ATP-ի ստեղծման համար անհրաժեշտ էներգիայով:

Միտչելն առաջին անգամ ներկայացրել է իր գաղափարը 1961 թվականին։ Նա անցկացրեց հաջորդ 15 տարիները՝ պաշտպանելով նրան բոլոր կողմերից, մինչև որ ապացույցներն անհերքելի դարձան։ Այժմ մենք գիտենք, որ Միտչելի գործընթացն օգտագործվում է Երկրի վրա գտնվող յուրաքանչյուր կենդանի արարածի կողմից: Այն հոսում է ձեր բջիջներում հենց հիմա: Ինչպես ԴՆԹ-ն, այն ընկած է մեր իմացած կյանքի հիմքում:

Ռասելը Միտչելից փոխառել է պրոտոնային գրադիենտի գաղափարը. մեմբրանի մի կողմում շատ պրոտոններ կան, մյուսում՝ քիչ: Բոլոր բջիջներին անհրաժեշտ է պրոտոնային գրադիենտ էներգիա կուտակելու համար:

Ժամանակակից բջիջները գրադիենտներ են ստեղծում՝ պրոտոններ մղելով թաղանթների վրայով, սակայն դրա համար անհրաժեշտ է բարդ մոլեկուլային մեխանիզմ, որը պարզապես չէր կարող ինքնուրույն առաջանալ: Այսպիսով, Ռասելը կատարեց մեկ այլ տրամաբանական քայլ. կյանքը պետք է ձևավորվեր ինչ-որ տեղ բնական պրոտոնային գրադիենտով:

Օրինակ, ինչ-որ տեղ հիդրոթերմալ օդափոխիչների մոտ: Բայց դա պետք է լինի հատուկ տեսակի աղբյուր։ Երբ Երկիրը երիտասարդ էր, ծովերը թթվային էին, իսկ թթվային ջրում շատ պրոտոններ կան: Պրոտոնային գրադիենտ ստեղծելու համար աղբյուրի ջուրը պետք է ցածր լինի պրոտոններով. այն պետք է լինի ալկալային:

Կորլիսի աղբյուրները չէին համապատասխանում։ Նրանք ոչ միայն շատ տաք էին, այլեւ թթու էին։ Սակայն 2000 թվականին Վաշինգտոնի համալսարանի Դեբորա Քելլին հայտնաբերեց առաջին ալկալային աղբյուրները:

Քելլին ստիպված էր շատ աշխատել գիտնական դառնալու համար։ Նրա հայրը մահացել է, երբ նա ավարտում էր միջնակարգ դպրոցը, և նա ստիպված էր աշխատել քոլեջում մնալու համար: Բայց նա կարողացավ և որպես իր հետաքրքրության առարկա ընտրեց ստորջրյա հրաբուխները և վառվող տաք հիդրոթերմալ աղբյուրները: Այս զույգը նրան բերել է Ատլանտյան օվկիանոսի կենտրոն։ Այս պահին երկրակեղևը ճեղքեց, և ծովի հատակից բարձրացավ լեռների մի լեռնաշղթա:

Այս լեռնաշղթայի վրա Քելլին հայտնաբերեց հիդրոթերմային օդանցքների դաշտ, որը նա անվանեց «Կորած քաղաք»: Նրանք նման չէին Քորլիսի հայտնաբերածներին։ Ջուրը դրանցից դուրս է հոսել 40-75 աստիճան Ցելսիուսի ջերմաստիճանում եւ թեթեւ ալկալային է եղել։ Այս ջրից ստացված կարբոնատային հանքանյութերը հավաքվել են միաձույլ սպիտակ «ծխի սյուների» մեջ, որոնք բարձրանում էին ծովի հատակից օրգանների խողովակների պես: Նրանք սողացող և ուրվական տեսք ունեն, բայց դա այդպես չէ. նրանք շատ միկրոօրգանիզմների տուն են:

Այս ալկալային օդափոխիչները լիովին համապատասխանում են Ռասելի գաղափարներին: Նա հաստատապես հավատում էր, որ կյանքը հայտնվել է նման «կորած քաղաքներում»։ Բայց կար մեկ խնդիր. Որպես երկրաբան՝ նա շատ բան չգիտեր այդ մասին կենսաբանական բջիջներձեր տեսությունը համոզիչ ներկայացնելու համար։

Ծխի սյուն «սև ծխելու սենյակից».

Այսպիսով, Ռասելը միացավ կենսաբան Ուիլյամ Մարտինի հետ: 2003 թվականին նրանք ներկայացրել են Ռասելի ավելի վաղ գաղափարների բարելավված տարբերակը։ Եվ սա, հավանաբար, այս պահին կյանքի առաջացման լավագույն տեսությունն է։

Քելլիի շնորհիվ նրանք այժմ գիտեին, որ ալկալային աղբյուրների ժայռերը ծակոտկեն են. դրանք կետավոր են ջրով լցված փոքրիկ անցքերով: Այս փոքրիկ գրպանները, նրանք առաջարկում էին, գործում էին որպես «բջիջներ»: Յուրաքանչյուր գրպանում հիմնականն էր քիմիական նյութերներառյալ պիրիտը: Աղբյուրներից ստացված բնական պրոտոնային գրադիենտի հետ միասին դրանք կատարյալ վայր էին նյութափոխանակությունը սկսելու համար:

Այն բանից հետո, երբ կյանքը սովորեց օգտագործել աղբյուրի ջրերի էներգիան, ասում են Ռասելը և Մարտինը, այն սկսեց ստեղծել ՌՆԹ-ի նման մոլեկուլներ: Ի վերջո, նա իր համար թաղանթ ստեղծեց և դարձավ իսկական բջիջ՝ փախչելով ծակոտկեն ժայռից դեպի բաց ջուր.

Նման սյուժեն ներկայումս համարվում է կյանքի ծագման առաջատար վարկածներից մեկը։

Բջիջները փախչում են հիդրոթերմային օդանցքներից

2016 թվականի հուլիսին նա աջակցություն ստացավ, երբ Մարտինը հրապարակեց ուսումնասիրություն, որը վերակառուցում է որոշ մանրամասներ «» (LUCA): Սա մի օրգանիզմ է, որն ապրել է միլիարդավոր տարիներ առաջ և որից բոլորը գոյություն ունեցող կյանքը.

Քիչ հավանական է, որ մենք երբևէ կգտնենք այս օրգանիզմի գոյության ուղղակի բրածո ապացույցներ, բայց, այնուամենայնիվ, մենք կարող ենք լավ ենթադրություններ անել, թե ինչ տեսք ուներ այն և ինչ էր անում մեր օրերի միկրոօրգանիզմներն ուսումնասիրելիս: Ահա թե ինչ արեց Մարտինը.

Նա ուսումնասիրեց 1930-ի ժամանակակից միկրոօրգանիզմների ԴՆԹ-ն և հայտնաբերեց 355 գեն, որոնք ունեին գրեթե բոլորը: Սա համոզիչ կերպով հուշում է այս 355 գեների փոխանցումը սերունդների և սերունդների միջոցով ընդհանուր նախահայրից՝ մոտավորապես այն ժամանակաշրջանում, երբ ապրել է վերջին համընդհանուր ընդհանուր նախնին:

Այս 355 գեները միացնում են մի քանիսին, որպեսզի օգտագործեն պրոտոնային գրադիենտը, բայց ոչ այն գեներացնեն, ինչպես կանխատեսում էին Ռասելի և Մարտինի տեսությունները: Ավելին, LUCA-ն, ըստ երևույթին, հարմարեցվել է այնպիսի քիմիական նյութերի առկայությանը, ինչպիսին է մեթանը, ինչը ենթադրում է, որ այն բնակվում էր հրաբխային ակտիվ միջավայրում, որը նման է օդափոխությանը:

«ՌՆԹ աշխարհ» վարկածի կողմնակիցները մատնանշում են այս տեսության երկու խնդիր. Կարելի է ուղղել; մյուսը կարող է մահացու լինել:

Հիդրոջերմային աղբյուրներ

Առաջին խնդիրն այն է, որ Ռասելի և Մարտինի նկարագրած գործընթացների փորձարարական ապացույցներ չկան: Նրանք ունեն քայլ առ քայլ պատմությունբայց այս քայլերից ոչ մեկը լաբորատորիայում չի նկատվել:

«Մարդիկ, ովքեր կարծում են, որ ամեն ինչ սկսվել է վերարտադրումից, անընդհատ նոր փորձնական տվյալներ են գտնում»,- ասում է Արմեն Մուլկիջանյանը։ «Այն մարդիկ, ովքեր պաշտպանում են նյութափոխանակությունը, դա չեն անում»:

Բայց դա կարող է փոխվել՝ շնորհիվ Լոնդոնի համալսարանական քոլեջի Մարտինի գործընկեր Նիք Լեյնի: Նա կառուցել է «Կյանքի ծագման ռեակտոր», որը նմանակում է ալկալային աղբյուրի ներսում պայմանները: Նա հույս ունի տեսնել նյութափոխանակության ցիկլեր, և գուցե նույնիսկ ՌՆԹ-ի նման մոլեկուլներ: Բայց դեռ վաղ է։

Երկրորդ խնդիրը ծովի խորքում աղբյուրների տեղակայումն է։ Ինչպես Միլլերը նշել է 1988 թվականին, երկար շղթայով մոլեկուլները, ինչպիսիք են ՌՆԹ-ն և սպիտակուցները, չեն կարող գոյանալ ջրում առանց օժանդակ ֆերմենտների:

Շատ գիտնականների համար սա ճակատագրական փաստարկ է։ «Եթե քիմիայից լավ ես, ապա քեզ չեն կաշառվի խոր ծովային աղբյուրների գաղափարով, քանի որ գիտես, որ այս բոլոր մոլեկուլների քիմիան անհամատեղելի է ջրի հետ»,- ասում է Մուլկիջանյանը։

Այնուամենայնիվ, Ռասելը և նրա դաշնակիցները մնում են լավատես:

Միայն վերջին տասնամյակում էր, որ երրորդ մոտեցումը հայտնվեց առաջին պլանում՝ աջակցելով մի շարք անսովոր փորձերի: Այն խոստանում է մի բան, որին ոչ ՌՆԹ աշխարհը, ոչ էլ հիդրոթերմալ օդանցքները չեն կարողացել հասնել՝ զրոյից մի ամբողջ բջիջ ստեղծելու միջոց: Այս մասին ավելի մանրամասն՝ հաջորդ մասում:

Արևի լույսի էներգիայի և այն օգտագործող օրգանիզմների փոխակերպում

Այսօր մենք կխոսենք օրգանիզմների մասին, որոնք օգտագործում են արևի էներգիան իրենց կյանքում։ Դրա համար անհրաժեշտ է անդրադառնալ այնպիսի գիտության, ինչպիսին կենսաէներգիան է։ Նա ուսումնասիրում է կենդանի օրգանիզմների կողմից էներգիայի փոխակերպման ուղիները և կյանքի գործընթացում դրա օգտագործումը: Կենսաէներգիան հիմնված է թերմոդինամիկայի վրա: Այս գիտությունը նկարագրում է տարբեր տեսակի էներգիան միմյանց փոխակերպելու մեխանիզմները։ Այդ թվում՝ տարբեր օրգանիզմների կողմից արեգակնային էներգիայի օգտագործումն ու փոխակերպումը։ Թերմոդինամիկայի օգնությամբ հնարավոր է ամբողջությամբ նկարագրել մեր շուրջը տեղի ունեցող գործընթացների էներգետիկ մեխանիզմը։ Բայց թերմոդինամիկայի օգնությամբ անհնար է հասկանալ այս կամ այն ​​գործընթացի բնույթը։ Այս հոդվածում մենք կփորձենք բացատրել կենդանի օրգանիզմների կողմից արեգակնային էներգիայի օգտագործման մեխանիզմը։

Կենդանի օրգանիզմների կամ մեր մոլորակի այլ օբյեկտների էներգիայի փոխակերպումը նկարագրելու համար պետք է դիտարկել դրանք թերմոդինամիկայի տեսանկյունից։ Այսինքն՝ համակարգ, որը էներգիա է փոխանակում շրջակա միջավայրի և առարկաների հետ։ Դրանք կարելի է բաժանել հետևյալ համակարգերի.

• Փակված;
• Մեկուսացված;
• Բաց.

Այս հոդվածում քննարկված կենդանի օրգանիզմները վերաբերում են բաց համակարգեր. Նրանք էներգիայի շարունակական փոխանակում են իրականացնում ՕՀ-ի և շրջակա օբյեկտների հետ։Ջրի, օդի, սննդի հետ միասին օրգանիզմ են մտնում բոլոր տեսակի քիմիական նյութերը, որոնք նրանից տարբերվում են քիմիական բաղադրությամբ։ Օրգանիզմում հայտնվելով՝ դրանք խորապես մշակվում են։ Նրանք ենթարկվում են մի շարք փոփոխությունների և նմանվում են մարմնի քիմիական կազմին։ Դրանից հետո նրանք ժամանակավորապես դառնում են մարմնի մաս։

Որոշ ժամանակ անց այդ նյութերը քայքայվում են եւ օրգանիզմին ապահովում էներգիայով։ Նրանց քայքայման արտադրանքը հանվում է մարմնից: Այլ մոլեկուլներ լրացնում են իրենց տեղը մարմնում։ Այս դեպքում մարմնի կառուցվածքի ամբողջականությունը չի խախտվում։ Օրգանիզմում էներգիայի նման յուրացումն ու վերամշակումն ապահովում է օրգանիզմի նորացումը։ Էներգետիկ նյութափոխանակությունը էական նշանակություն ունի բոլոր կենդանի օրգանիզմների գոյության համար: Երբ մարմնում էներգիայի փոխակերպման գործընթացները դադարում են, այն մահանում է։

Արևի լույսը Երկրի վրա կենսաբանական էներգիայի աղբյուրն է: Արեգակի միջուկային էներգիան ապահովում է ճառագայթային էներգիայի արտադրություն։ Մեր աստղի ջրածնի ատոմները ռեակցիայի արդյունքում վերածվում են He ատոմների։ Ռեակցիայի ընթացքում արձակված էներգիան արտազատվում է որպես գամմա ճառագայթներ։ Արձագանքն ինքնին այսպիսի տեսք ունի.

4H ⇒ He4 + 2e + hv, որտեղ

v ─ գամմա ճառագայթների ալիքի երկարություն;

h-ը Պլանկի հաստատունն է:

Հետագայում գամմա ճառագայթման և էլեկտրոնների փոխազդեցությունից հետո էներգիան ազատվում է ֆոտոնների տեսքով։ Այս լուսային էներգիան արտանետվում է երկնային մարմնի կողմից:

Արեգակնային էներգիան, երբ այն հասնում է մեր մոլորակի մակերեսին, գրավում և փոխակերպվում է բույսերի կողմից: Դրանցում արեւի էներգիան վերածվում է քիմիական էներգիայի, որը պահպանվում է քիմիական կապերի տեսքով։Սրանք այն կապերն են, որոնք միացնում են ատոմները մոլեկուլներում: Օրինակ՝ բույսերում գլյուկոզայի սինթեզը։ Այս էներգիայի փոխակերպման առաջին փուլը ֆոտոսինթեզն է։ Բույսերն այն ապահովում են քլորոֆիլով։ Այս պիգմենտը ապահովում է ճառագայթային էներգիայի փոխակերպումը քիմիական էներգիայի: Կա ածխաջրերի սինթեզ H 2 O-ից և CO 2-ից: Սա ապահովում է բույսերի աճը և էներգիայի փոխանցումը հաջորդ փուլ։

Էներգիայի փոխանցման հաջորդ փուլը տեղի է ունենում բույսերից կենդանիներին կամ բակտերիաներին: Այս փուլում բույսերի ածխաջրերի էներգիան վերածվում է կենսաբանական էներգիայի։ Դա տեղի է ունենում բույսերի մոլեկուլների օքսիդացման ժամանակ։ Ստացված էներգիայի քանակը համապատասխանում է այն քանակին, որը ծախսվել է սինթեզի վրա։ Այս էներգիայի մի մասը վերածվում է ջերմության: Արդյունքում էներգիան կուտակվում է ադենոզին տրիֆոսֆատի բարձր էներգիայի կապերում։ Այսպիսով, արեգակնային էներգիան, անցնելով մի շարք փոխակերպումների միջով, կենդանի օրգանիզմներում հայտնվում է այլ ձևով։

Այստեղ արժե պատասխանել հաճախ տրվող հարցին՝ «Ո՞ր օրգանոիդն է օգտագործում արևի լույսի էներգիան»։ Սրանք քլորոպլաստներ են, որոնք ներգրավված են ֆոտոսինթեզի գործընթացում: Այն օգտագործում են անօրգանական նյութերից օրգանական նյութերի սինթեզի համար։

Էներգիայի շարունակական հոսքը բոլոր կենդանի էակների էությունն է: Այն անընդհատ շարժվում է բջիջների և օրգանիզմների միջև։ Բջջային մակարդակում կան էներգիայի փոխակերպման արդյունավետ մեխանիզմներ։ Գոյություն ունեն 2 հիմնական կառուցվածք, որտեղ էներգիան փոխակերպվում է.

• Քլորոպլաստներ;
• Միտոքոնդրիա.

Մարդը, ինչպես մոլորակի մյուս կենդանի օրգանիզմները, էներգիայի պաշարները համալրում է սննդից: Ընդ որում՝ սպառված բուսական մթերքների մի մասը (խնձոր, կարտոֆիլ, վարունգ, լոլիկ), իսկ կենդանու մի մասը (միս, ձուկ և այլ ծովամթերք)։ Կենդանիները, որոնք մենք ուտում ենք, նույնպես էներգիա են ստանում բույսերից: Հետևաբար, մեր մարմնի ստացած ողջ էներգիան փոխակերպվում է բույսերից: Իսկ դա ունեն արեգակնային էներգիայի փոխակերպման արդյունքում։

Ըստ էներգիայի արտադրության տեսակի՝ բոլոր օրգանիզմները կարելի է բաժանել երկու խմբի.

• Ֆոտոտրոֆներ. Արևի լույսից էներգիա վերցնել;
• Քիմոտրոֆներ. Էներգիան ստացվում է ռեդոքս ռեակցիայի ժամանակ։

Այսինքն՝ արեգակնային էներգիան օգտագործվում է բույսերի կողմից, իսկ կենդանիները ստանում են էներգիա, որն առկա է օրգանական մոլեկուլներում բույսեր ուտելիս։

Ինչպե՞ս է էներգիան փոխակերպվում կենդանի օրգանիզմներում:

Օրգանիզմների կողմից փոխակերպվող էներգիայի 3 հիմնական տեսակ կա.

• Ճառագայթային էներգիայի փոխակերպում. Այս տեսակի էներգիան կրում է արևի լույս: Բույսերում ճառագայթային էներգիան գրավում է պիգմենտի քլորոֆիլը: Ֆոտոսինթեզի արդյունքում այն ​​վերածվում է քիմիական էներգիայի։ Սա իր հերթին օգտագործվում է թթվածնի սինթեզի և այլ ռեակցիաների գործընթացում։ Արևի լույսը կրում է կինետիկ էներգիա, իսկ բույսերում այն ​​վերածվում է պոտենցիալ էներգիայի։ Ստացված էներգիայի պաշարը պահվում է սննդանյութերում։Օրինակ, ածխաջրերի մեջ;
• Քիմիական էներգիայի փոխակերպում. Ածխաջրերից և այլ մոլեկուլներից այն վերածվում է բարձր էներգիայի ֆոսֆատային կապերի էներգիայի։ Այս փոխակերպումները տեղի են ունենում միտոքոնդրիայում:
• Բարձր էներգիայի ֆոսֆատային կապերի էներգիայի փոխակերպում: Այն սպառվում է կենդանի օրգանիզմի բջիջների կողմից՝ տարբեր տեսակի աշխատանքներ կատարելու համար (մեխանիկական, էլեկտրական, օսմոտիկ և այլն)։

Այս փոխակերպումների ժամանակ էներգիայի մատակարարման մի մասը կորչում և ցրվում է ջերմության տեսքով։

Պահպանված էներգիայի օգտագործումը օրգանիզմների կողմից

Նյութափոխանակության գործընթացում օրգանիզմը ստանում է կենսաբանական աշխատանքի վրա ծախսվող էներգիայի պաշար։ Դա կարող է լինել թեթև, մեխանիկական, էլեկտրական, քիմիական աշխատանք։ Իսկ օրգանիզմն իր էներգիայի շատ մեծ մասը ծախսում է ջերմության տեսքով։

Մարմնի էներգիայի հիմնական տեսակները ամփոփված են ստորև.

• Մեխանիկական. Այն բնութագրում է մակրոմարմինների շարժումը, ինչպես նաև դրանց շարժման մեխանիկական աշխատանքը։ Այն կարելի է բաժանել կինետիկ և պոտենցիալ: Առաջինը որոշվում է մակրոմարմինների շարժման արագությամբ, իսկ երկրորդը որոշվում է նրանց դիրքով միմյանց նկատմամբ.
• Քիմիական. Այն որոշվում է մոլեկուլում ատոմների փոխազդեցությամբ։ Դա էլեկտրոնների էներգիան է, որոնք շարժվում են մոլեկուլների և ատոմների ուղեծրերում.
• Էլեկտրական. Դա լիցքավորված մասնիկների փոխազդեցությունն է, որը ստիպում է նրանց շարժվել էլեկտրական դաշտում;
• Օսմոտիկ. Այն սպառվում է նյութի մոլեկուլների կոնցենտրացիայի գրադիենտին հակառակ շարժվելիս.
• Կարգավորող էներգիա.
• Ջերմային. Այն որոշվում է ատոմների և մոլեկուլների քաոսային շարժումով։ Այս շարժման հիմնական բնութագիրը ջերմաստիճանն է։ Էներգիայի այս տեսակը վերը թվարկվածներից առավել զեղչվածն է:

Ատոմի ջերմաստիճանի և կինետիկ էներգիայի միջև կապը կարելի է նկարագրել հետևյալ բանաձևով.

Е h = 3 / 2rT, որտեղ

r ─ Բոլցմանի հաստատունը (1.380 * 10 -16 erg / deg):

Տիեզերքը լի է էներգիայով, սակայն դրա տեսակներից միայն մի քանիսն են հարմար կենդանի օրգանիզմների համար։ Մեր մոլորակի կենսաբանական գործընթացների ճնշող մեծամասնության էներգիայի հիմնական աղբյուրը արևի լույսն է: Արեգակի ճառագայթման հզորությունը միջինում գնահատվում է 4 × 10 33 Էրգ/վրկ, ինչը մեր աստղին արժենում է 10 -15 -10 -14 զանգվածի տարեկան կորուստներով: Կան նաև շատ ավելի հզոր արտանետիչներ։ Օրինակ՝ դարում 1-2 անգամ գերնոր աստղերի պայթյուններ են տեղի ունենում մեր գալակտիկայում, որոնցից յուրաքանչյուրին ուղեկցվում է հզոր պայթյուն՝ ավելի քան 1041 Էրգ/վրկ հզորությամբ: Իսկ քվազարները (մեզնից հարյուր միլիոնավոր լուսային տարի հեռավորության վրա գտնվող գալակտիկաների միջուկները) արձակում են էլ ավելի մեծ ուժեր՝ 10 46 -10 47 erg/v:

Բջիջը կյանքի հիմնական միավորն է, այն անընդհատ աշխատում է իր կառուցվածքը պահպանելու համար, հետևաբար կարիք ունի ազատ էներգիայի մշտական ​​հոսքի: Տեխնոլոգիապես նրա համար հեշտ չէ լուծել նման խնդիր, քանի որ կենդանի բջիջը պետք է էներգիա թողարկի և օգտագործի կայուն (և, ավելին, բավականին ցածր) ջերմաստիճանում նոսր ջրային միջավայրում: Էվոլյուցիայի ընթացքում հարյուր միլիոնավոր տարիների ընթացքում ձևավորվել են էլեգանտ և կատարյալ մոլեկուլային մեխանիզմներ, որոնք ունակ են անսովոր արդյունավետորեն գործել շատ մեղմ պայմաններում: Արդյունքում՝ արդյունավետությունը Պարզվում է, որ բջջային էներգիան շատ ավելի բարձր է, քան մարդու կողմից հայտնագործված ցանկացած ինժեներական սարքի:

Բջջային էներգիայի տրանսֆորմատորները կենսաբանական թաղանթներում ներկառուցված հատուկ սպիտակուցների համալիրներ են: Անկախ նրանից՝ այն դրսից է մտնում խուց ազատ էներգիաուղղակիորեն լույսի քվանտաների հետ (ֆոտոսինթեզի գործընթացում) կամ օդի թթվածնով սննդի օքսիդացման արդյունքում (շնչառության գործընթացում) սկսում է էլեկտրոնների շարժումը։ Արդյունքում արտադրվում են ադենոզին տրիֆոսֆատի (ATP) մոլեկուլներ, և կենսաբանական թաղանթների վրա էլեկտրաքիմիական պոտենցիալների տարբերությունը մեծանում է։ ATP-ն և թաղանթային ներուժը էներգիայի երկու համեմատաբար անշարժ աղբյուրներ են ներբջջային աշխատանքի բոլոր տեսակների համար:

Բջիջների և օրգանիզմների միջով նյութի շարժումը մեր գիտակցության կողմից հեշտությամբ ընկալվում է որպես սննդի, ջրի, օդի և թափոնների հեռացման կարիք: Էներգիայի շարժումը գործնականում աննկատ է։ Բջջային մակարդակում այս երկու հոսքերն էլ փոխազդում են համատեղ քիմիական ռեակցիաների այդ չափազանց բարդ ցանցում, որը կազմում է բջջային նյութափոխանակությունը: Կյանքի գործընթացները ցանկացած մակարդակում՝ սկսած կենսոլորտից մինչև առանձին բջիջ, ըստ էության կատարում են նույն խնդիրը. դրանք սննդանյութերը, էներգիան և տեղեկատվությունը վերածում են բջիջների, թափոնների և ջերմության աճող զանգվածի:

Էներգիան գրավելու և այն տարբեր տեսակի աշխատանք կատարելու համար հարմարեցնելու կարողությունը, թվում է, հենց կյանքի ուժն է, որը անհիշելի ժամանակներից անհանգստացրել է փիլիսոփաներին: XIX դարի կեսերին։ ֆիզիկան ձևակերպեց էներգիայի պահպանման օրենքը, ըստ որի էներգիան պահպանվում է մեկուսացված համակարգում. որոշակի պրոցեսների արդյունքում այն ​​կարող է փոխակերպվել այլ ձևերի, բայց դրա քանակը միշտ մշտական ​​կլինի։ Այնուամենայնիվ, կենդանի օրգանիզմները բաց համակարգեր են: Յուրաքանչյուր կենդանի բջիջ դրա մասին «լավ գիտի» հարյուր միլիոնավոր տարիներ և շարունակաբար համալրում է իր էներգիայի պաշարները։

Մեկ տարվա ընթացքում ցամաքային և օվկիանոսային բույսերը շահարկում են հսկայական քանակությամբ նյութ և էներգիա. նրանք կլանում են 1,5 × 10 11 տոննա ածխաթթու գազ, քայքայում են 1,2 × 10 11 տոննա ջուր, ազատում 2 × 10 11 տոննա ազատ թթվածին և կուտակում 6 × 10 տոննա։ Արեգակի 20 կալորիա էներգիան ֆոտոսինթեզի արտադրանքի քիմիական էներգիայի տեսքով: Շատ օրգանիզմներ, ինչպիսիք են կենդանիները, սնկերը և բակտերիաների մեծ մասը, ունակ չեն ֆոտոսինթեզի. նրանց կենսագործունեությունը ամբողջովին կախված է օրգանական նյութերից և թթվածնից, որոնք արտադրվում են բույսերի կողմից: Հետևաբար, մենք կարող ենք վստահորեն ասել, որ կենսոլորտը որպես ամբողջություն գոյություն ունի արևային էներգիայի շնորհիվ, և հին իմաստունները բոլորովին չէին սխալվել՝ հայտարարելով, որ արևը կյանքի հիմքն է:

Համաշխարհային էներգիայի հոսքի հելիոկենտրոն տեսակետից բացառություն են կազմում որոշ բակտերիաներ, որոնք ապրում են անօրգանական գործընթացներով, ինչպիսիք են ածխաթթու գազի վերածումը մեթանի կամ ջրածնի սուլֆիդի օքսիդացման: Այս «քիմիոլիտոտրոֆ» արարածներից մի քանիսը լավ հետազոտված են (օրինակ՝ մեթանոգեն բակտերիաները, որոնք ապրում են կովերի ստամոքսում), բայց նրանցից շատերը անհայտ են նույնիսկ մանրէաբանության մասնագետներին։ Քիմոլիտոտրոֆների մեծ մասն ընտրել է չափազանց անհարմար բնակավայրեր, որոնք շատ դժվար է ուսումնասիրել՝ զուրկ թթվածնից, չափազանց թթվային կամ շատ շոգից: Այս օրգանիզմներից շատերը չեն կարող աճել մաքուր մշակույթի մեջ: Մինչև վերջերս քիմիոլիտոտրոֆները սովորաբար համարվում էին ինչ-որ էկզոտիկ, կենսաքիմիական տեսանկյունից հետաքրքիր, բայց մոլորակի էներգետիկ բյուջեի համար քիչ նշանակություն: Հետագայում այս դիրքորոշումը կարող է սխալ լինել երկու պատճառով. Նախ, բակտերիաները ավելի ու ավելի են հայտնաբերվում այն ​​վայրերում, որոնք նախկինում համարվում էին ստերիլ՝ երկրակեղևի չափազանց խորը և տաք ապարներում: Մեր օրերում երկրաքիմիական պրոցեսներից էներգիա կորզելու ընդունակ օրգանիզմների համար այնքան շատ բնակավայրեր են հայտնաբերվել, որ նրանց բնակչությունը կարող է դառնալ մոլորակի ընդհանուր կենսազանգվածի զգալի մասը: Երկրորդ, հիմքեր կան ենթադրելու, որ առաջին կենդանի էակները կախված են եղել էներգիայի անօրգանական աղբյուրներից: Եթե ​​այս ենթադրություններն իրականանան, մեր տեսակետները ինչպես էներգիայի գլոբալ հոսքի, այնպես էլ կյանքի ծագման հետ դրա կապի վերաբերյալ կարող են զգալիորեն փոխվել: