Figli del sole. Conversione dell'energia solare e degli organismi che la utilizzano Quali organismi viventi ricevono energia dagli altri
L'Eone Proterozoico è l'epoca più lunga nella storia della Terra. Cominciò 2,5 miliardi di anni aC. NS. e finì 541 milioni aC. Durante questo periodo, la Terra si è trasformata da un pianeta privo di ossigeno di microbi, procarioti in un pianeta privo di ossigeno di organismi multicellulari.
1. Grande evento di ossigeno
Il biologo Alexander Markov sulla crisi dell'ossigeno, i gas serra e l'emergere degli eucarioti
Nel primo Proterozoico, si è verificato un aumento abbastanza rapido della quantità di ossigeno libero nell'atmosfera e nell'idrosfera per diverse centinaia di milioni di anni. I prerequisiti per questo si sono formati alla fine dell'era Archean. Circa 2,45 miliardi di anni fa iniziò il cosiddetto grande evento dell'ossigeno, quando i livelli di ossigeno salirono da quasi lo 0% a circa l'1% degli attuali livelli di ossigeno.
Perché i geologi credono che il contenuto di ossigeno sia aumentato durante questo periodo? Ciò è indicato da una serie di segni, ad esempio il rapporto degli isotopi di zolfo nelle rocce sedimentarie. Apparentemente, i gas vulcanici che entrano nell'atmosfera, se non c'è ossigeno in questa atmosfera, partecipano a determinate reazioni fotochimiche, durante le quali si verifica il frazionamento degli isotopi di zolfo e si ottiene una composizione isotopica modificata. Ma quando l'ossigeno appare nell'atmosfera, questi processi si fermano. E all'inizio del Proterozoico questi processi si fermarono.
A.Markov. 2010. La nascita della complessità. La biologia evoluzionistica oggi: scoperte inaspettate e nuove domande. M.: Astrel: CORPUS.
2. Crisi nelle comunità microbiche
Ci sono anche un certo numero di minerali nelle rocce sedimentarie che possono formarsi solo in condizioni anossiche - si ossidano in presenza di ossigeno. E tali minerali non ossidati si trovano anche nelle rocce prima dell'inizio del Proterozoico, e quindi non si formano più.
A quei tempi, tutti i microbi erano adattati alla vita in condizioni anossiche e l'ossigeno è un forte agente ossidante, è in realtà un forte veleno, dal quale è necessario proteggersi in qualche modo speciale. L'aumento del contenuto di ossigeno nell'atmosfera avrebbe dovuto provocare una sorta di crisi nelle comunità microbiche, che allora costituivano praticamente l'unica forma di vita sulla Terra.
E. Kunin. 2014. La logica del caso. Sulla natura e l'origine dell'evoluzione biologica. M.: Tsentrpoligraf.
3. Cause della glaciazione degli Huron
Allo stesso tempo, si verifica la prima grande glaciazione sulla Terra - si chiama Huron.
Le ragioni dell'inizio di epoche calde o fredde nella storia della Terra, a quanto pare, erano piuttosto varie. Ma uno dei motivi importanti per il loro verificarsi è la quantità di tali gas serra nell'atmosfera come CO2, metano, vapore acqueo. Tuttavia, lo sviluppo della vita influisce proprio sul contenuto diossido di carbonio e poi metano.
7 fatti sulle fasi dell'abiogenesi e il problema dell'origine della vita sulla Terra
Perché la glaciazione si verifica in un momento in cui il contenuto di ossigeno aumenta? In primo luogo, affinché il contenuto di ossigeno cresca, è necessario rimuovere il carbonio dal ciclo. Durante il ciclo del carbonio biogenico, gli organismi fotosintetici rimuovono l'anidride carbonica dall'atmosfera e ne ricavano materia organica. Quindi gli organismi eterotrofi, che si nutrono della materia organica finita, ossidano questa materia organica con l'ossigeno rilasciato dai fotosintetici e lo riconvertono in CO2. Pertanto, i fotosintetici rilasciano ossigeno e assorbono carbonio dall'atmosfera, mentre gli organismi eterotrofi, al contrario, assorbono ossigeno e rilasciano carbonio.
Se l'attività dei fotosintetici non è completamente bilanciata dall'attività degli eterotrofi, cioè il consumo di materia organica è in ritardo rispetto alla produzione di materia organica, allora questa materia organica in eccesso sarà sepolta nella crosta terrestre. Ciò porta al fatto che il carbonio viene gradualmente rimosso dall'atmosfera, il contenuto di CO2 nell'atmosfera diminuisce, l'effetto serra si indebolisce e diventa più freddo.
Al momento del rapido aumento del contenuto di ossigeno, si è verificata la glaciazione. Inoltre, l'ossigeno rilasciato potrebbe ossidare il metano, che, a quanto pare, era ancora presente in quantità significativa nell'atmosfera in quel momento. E il metano è anche un gas serra molto forte.
K. Eskov. 2000. Storia della Terra e della vita su di essa. M .: MIROS - MAIK "Scienza-Interperiodica".
4. La comparsa della prima cellula eucariotica
Alla fine della prima glaciazione e alla fine del periodo di rapida crescita dell'ossigeno, si verifica l'evento più importante nell'evoluzione della vita terrestre: appare la prima cellula eucariotica.
Fino ad ora, solo i procarioti hanno vissuto sulla Terra: si tratta di batteri che non hanno un nucleo cellulare e altre strutture a membrana, organelli. Nella cellula, non hanno mitocondri, plastidi e altre complessità. Anche agli albori della vita cellulare, i procarioti erano divisi in due grandi gruppi: batteri e archei (in precedenza erano chiamati archeobatteri).
Gli eucarioti sono il terzo grande gruppo di organismi viventi che compaiono per la prima volta nel Proterozoico primitivo, molto probabilmente a causa dell'aumento dell'ossigeno. Gli eucarioti sono organismi che hanno un nucleo in una cellula, i mitocondri, e sono inizialmente adattati specificamente a un ambiente di ossigeno. I mitocondri sono organelli di una cellula eucariotica che sono necessari solo per la respirazione dell'ossigeno, poiché usano l'ossigeno per ossidare la materia organica e generare energia. È la cellula eucariotica che è diventata la base per lo sviluppo di tutte le forme complesse di vita multicellulare sul nostro pianeta: animali, piante, funghi.
I procarioti hanno provato più volte e continuano a tentare a volte di passare alla multicellularità, ma questi tentativi non vanno lontano per una serie di motivi tecnici. Ad esempio, in un organismo multicellulare, cellule diverse svolgono funzioni diverse, rispettivamente, in tessuti diversi hanno geni diversi. Il genoma di un organismo eucariotico contiene tutti i geni necessari per la formazione di tutti i tessuti di un organismo multicellulare, ma solo una parte di essi funziona in ciascun tessuto, quella necessaria. Affinché ciò funzioni, è necessario un sistema molto complesso ed efficace per regolare il lavoro dei geni. E per questo, è solo molto importante avere un nucleo cellulare in cui i geni siano isolati dai violenti processi biochimici che si verificano nel citoplasma. Lì è possibile sviluppare sistemi efficaci per regolare il lavoro dei geni, che i procarioti non hanno, poiché hanno sistemi di regolazione più semplici.
5. La struttura della cellula eucariotica
Alcuni ricercatori ritengono che l'emergere di una cellula eucariotica sia l'evento più importante nell'evoluzione della vita sulla Terra. E forse è successo solo una volta, dal momento che tutti gli eucarioti moderni apparentemente discendono dallo stesso antenato. Forse ci sono stati altri tentativi di tali esperimenti evolutivi, ma non sono sopravvissuti fino ad oggi.
7 fatti sul sistema corporeo più elementare
La cellula eucariotica è di natura chimerica. Apparve come un risultato naturale dell'evoluzione delle comunità microbiche precambriane, che costituirono la principale forma di vita nell'era Archea e continuarono a dominare nel Proterozoico. Se guardi di che proteine è fatta una cellula eucariotica, ottieni una cosa molto interessante. Il sistema centrale di una cellula eucariotica, associato alla replicazione del DNA, al lavoro con l'informazione genetica e alla sintesi proteica, è servito da proteine simili a quelle dell'archaea. Ma alla periferia - metabolismo, recettori, interazione con l'ambiente esterno, trasmissione del segnale - dominano le proteine, simili alle proteine dei batteri. Cioè, una cellula eucariotica ha un nucleo arcaico e una periferia batterica. In altre parole, nel processo di evoluzione, c'è stata una sorta di fusione, una combinazione dei genomi dei rappresentanti dei due grandi rami dei procarioti.
N. corsia. 2014. La scala della vita. Le dieci più grandi invenzioni dell'evoluzione. M.: AST: CORPUS.
6. Adattamento di antichi microbi all'ossigeno
Durante la crisi dell'ossigeno, quando i microbi antichi dovettero adattarsi a un nuovo veleno emergente - per liberare l'ossigeno, alcuni archaea, apparentemente, presero in prestito attivamente geni estranei, compresi quelli batterici, e di conseguenza acquisirono una serie di proprietà batteriche. Risultò essere una specie di organismo unicellulare chimerico, capace, ad esempio, di ingoiare altri procarioti. Forse si sono rivolti alla predazione, forse si sono fusi con altre cellule per scambiare materiale genetico. Molto probabilmente, la riproduzione sessuale si è formata in questa fase. Un'altra caratteristica fondamentale degli eucarioti è la vera riproduzione sessuale associata alla fusione delle cellule germinali e alla divisione di riduzione (meiosi).
Questo organismo chimerico a un certo punto ha ingoiato batteri, rappresentanti del gruppo alfa-proteobatteri, che sono diventati gli antenati dei mitocondri, un organello per la respirazione dell'ossigeno. Pertanto, questo organismo, avendo acquisito un tale simbionte, si è protetto dagli effetti tossici dell'ossigeno. Successivamente, l'ossigeno è stato utilizzato da questi mitocondri simbionti. Gli antenati dei mitocondri a vita libera impararono a combattere l'ossigeno e inventarono il sistema di respirazione dell'ossigeno. Probabilmente, all'inizio hanno semplicemente bruciato materia organica per neutralizzare l'ossigeno, e poi hanno imparato a trarne benefici sotto forma di energia.
7. Sviluppo della fauna degli eucarioti unicellulari nell'oceano
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Durante l'adattamento di antichi organismi all'ossigeno, i microbi si trasformarono in una cellula proto-eucariotica con mitocondri. Ad un certo punto, nella cellula è apparso un nucleo. C'è una teoria secondo cui il nucleo è apparso come risultato della simbiosi con i virus. Gli scienziati hanno scoperto virus molto grandi, che in una serie di proprietà assomigliano al nucleo cellulare, da cui si può concludere che, forse, anche il nucleo cellulare è stato acquisito durante l'evoluzione attraverso la simbiosi.
All'inizio del Proterozoico, due miliardi di anni fa, appare una cellula eucariotica. I primi eucarioti erano unicellulari, eterotrofi, cioè consumavano materia organica già pronta. Qualche tempo dopo, alcuni eucarioti entrarono in simbiosi con i cianobatteri e li inghiottirono. Pertanto, questi cianobatteri hanno dato origine ai plastidi, che hanno portato alla nascita delle piante.
Durante il Proterozoico medio, vediamo già i resti di eucarioti unicellulari nei reperti fossili. Il fitoplancton si è sviluppato gradualmente da alghe unicellulari già eucariotiche. E allo stesso tempo, a quanto pare, iniziarono ad apparire le prime alghe multicellulari.
Messaggio
Il ruolo delle piante verdi nel fornire energia ai viventi
Organismi sul nostro pianeta
Come sai, il sole è la principale fonte di energia sulla terra. Ma le persone e gli animali non sono in grado di utilizzare direttamente l'energia solare, perché nei loro corpi non esistono sistemi attraverso i quali l'energia venga consumata in tale forma. Pertanto, l'energia solare entra nel corpo umano o animale come energia utile solo attraverso sostanze prodotte dalle piante.
Le piante sono in grado di creare sostanze organiche da sostanze inorganiche utilizzando l'energia della luce. Questo processo è chiamato fotosintesi (dalle parole greche "foto" - luce, "sintesi" - connessione). La capacità di fotosintetizzare è la proprietà più importante delle piante verdi. Questo è l'unico processo sul nostro pianeta associato alla conversione dell'energia solare in energia. legami chimici racchiuso nella sostanza organica. Pertanto, la fotosintesi è il processo più importante attraverso il quale è possibile la vita sulla Terra.
Eccezionale scienziato russo della fine del XIX - inizio del XX secolo. Clement Arkadievich Timiryazev (1843-1920) definì cosmico il ruolo delle piante verdi sulla Terra. K.A. Timiryazev ha scritto: “Tutte le sostanze organiche, non importa quanto diverse siano, ovunque si trovino, sia in una pianta, in un animale o in una persona, sono passate attraverso la foglia, hanno avuto origine dalle sostanze prodotte dalla foglia. Al di fuori della foglia, o meglio, al di fuori del grano di clorofilla, non esiste in natura un laboratorio dove si libera materia organica. In tutti gli altri organi e organismi, si trasforma, si trasforma, solo qui si ricompone da materia inorganica".
Inoltre, le piante saturano l'atmosfera terrestre di ossigeno, che serve a ossidare le sostanze organiche ed estrarre in questo modo l'energia chimica in esse immagazzinata dalle cellule aerobiche.
Ogni anno le piante verdi sintetizzano una grande quantità di materia organica, assorbono circa 600 miliardi di tonnellate di anidride carbonica e rilasciano nell'atmosfera 400 miliardi di tonnellate di ossigeno libero. Attraverso la fotosintesi, ogni anno viene immagazzinata un'enorme quantità di energia solare convertita.
L'accumulo di energia è un fenomeno molto importante per la natura vivente, dovuto alla fotosintesi delle piante verdi. La materia organica è un ottimo vettore energetico.
I carboidrati creati con la partecipazione di clorofilla e luce solare, così come proteine e grassi formati nelle piante, contengono molta energia. È particolarmente abbondante in amido e vari zuccheri.
Molte piante, come la canna da zucchero, le barbabietole da zucchero, le cipolle, i piselli, il mais, l'uva, i datteri, immagazzinano lo zucchero in steli, radici, bulbi, frutti e semi. Sono gli zuccheri che servono come principale fonte di energia per tutti gli esseri viventi, poiché possono facilmente diventare uno dei composti più attivi in qualsiasi cellula vivente. Assorbendo costantemente energia sotto forma di radiazione solare, le piante la accumulano. A causa dell'enorme numero di piante verdi sulla Terra, l'energia nella biosfera diventa sempre di più. L'uomo fa largo uso di gas, petrolio, carbone, legna da ardere: tutti ego sono sostanze organiche che rilasciano durante la combustione l'energia che un tempo veniva introdotta nelle piante verdi.
Si può concludere che l'esistenza delle piante svolge un ruolo molto importante e necessario per la sopravvivenza degli esseri viventi sulla terra. L'energia dei raggi solari ricevuti dallo spazio, immagazzinata dalle piante verdi in carboidrati, grassi e proteine, fornisce l'attività vitale dell'intero mondo vivente, dai batteri agli umani.
Corliss ha teorizzato che gli sfiati idrotermali potrebbero creare cocktail di sostanze chimiche. Ogni fonte, disse, era una specie di spruzzo di brodo primordiale.
Mentre l'acqua calda scorreva attraverso le rocce, il calore e la pressione facevano fondere semplici composti organici in altri più complessi, come amminoacidi, nucleotidi e zuccheri. Più vicino al confine con l'oceano, dove l'acqua non era così calda, iniziarono a legarsi in catene - per formare carboidrati, proteine e nucleotidi come il DNA. Poi, quando l'acqua si è avvicinata all'oceano e si è raffreddata ancora di più, queste molecole si sono riunite in cellule semplici.
È stato interessante, la teoria ha catturato l'attenzione della gente. Ma Stanley Miller, il cui esperimento abbiamo discusso nella prima parte, non ci credeva. Nel 1988 scrisse che le prese d'aria profonde erano troppo calde.
Sebbene il calore intenso possa produrre sostanze chimiche come gli amminoacidi, gli esperimenti di Miller hanno dimostrato che può anche distruggerli. I composti di base come gli zuccheri "potrebbero sopravvivere per un paio di secondi, non di più". Inoltre, è improbabile che queste semplici molecole si leghino in catene, poiché l'acqua circostante le spezzerebbe all'istante.
In questa fase, il geologo Mike Russell si unì alla battaglia. Credeva che la teoria delle bocche idrotermali potesse essere del tutto corretta. Inoltre, gli sembrava che queste fonti sarebbero state la sede ideale per i precursori dell'organismo Wachtershauser. Questa ispirazione lo ha portato a creare una delle teorie più ampiamente accettate sulle origini della vita.
Il geologo Michael Russell
La carriera di Russell ha avuto molte cose interessanti - ha prodotto l'aspirina, alla ricerca di minerali preziosi - e in un notevole incidente negli anni '60 ha coordinato la risposta a una possibile eruzione vulcanica, nonostante la mancanza di preparazione. Ma era più interessato a come la superficie terrestre cambiava nel corso degli eoni. Questa prospettiva geologica gli ha permesso di formulare le sue idee sull'origine della vita.
Negli anni '80, ha trovato prove fossili di un tipo meno turbolento di vena idrotermale, dove le temperature non superavano i 150 gradi Celsius. Queste temperature miti, ha detto, potrebbero consentire alle molecole della vita di vivere più a lungo di quanto pensasse Miller.
Inoltre, i resti fossili di queste bocche "fredde" contenevano qualcosa di strano: il minerale pirite, composto da ferro e zolfo, si era formato in tubi di 1 mm di diametro. Mentre lavorava in laboratorio, Russell scoprì che la pirite poteva anche formare goccioline sferiche. E ha suggerito che le prime molecole organiche complesse potrebbero essersi formate all'interno di queste semplici strutture di pirite. 
pirite di ferro
Fu in questo periodo che Wachtershauser iniziò a pubblicare le sue idee, basate sul flusso di acqua calda e arricchita chimicamente che scorreva attraverso i minerali. Ha anche suggerito che fosse coinvolta la pirite.
Russell ha aggiunto due più due. Ha suggerito che le bocche idrotermali nelle profondità del mare, abbastanza fredde da consentire la formazione di strutture di pirite, ospitassero precursori degli organismi Wachtershauser. Se Russell aveva ragione, la vita è iniziata in fondo al mare e il metabolismo è apparso per la prima volta.
Russell ha messo tutto insieme in un articolo pubblicato nel 1993, 40 anni dopo il classico esperimento di Miller. Non ha generato lo stesso clamore mediatico, ma è stato probabilmente più importante. Russell ha combinato due idee apparentemente separate - i cicli metabolici di Wachtershauser e le bocche idrotermali di Corliss - in qualcosa di veramente avvincente.
Russell ha anche offerto una spiegazione su come i primi organismi hanno ottenuto la loro energia. Cioè, ha capito come potrebbe funzionare il loro metabolismo. La sua idea era basata sul lavoro di uno dei geni dimenticati scienza moderna.
Peter Mitchell, premio Nobel
Negli anni '60, il biochimico Peter Mitchell si ammalò e fu costretto a ritirarsi dall'Università di Edimburgo. Invece, ha creato un laboratorio privato in una remota tenuta in Cornovaglia. Isolato dalla comunità scientifica, ha finanziato il suo lavoro con una mandria di vacche da latte. Molti biochimici, tra cui Leslie Orgel, il cui lavoro sull'RNA abbiamo discusso nella Parte 2, pensavano che le idee di Mitchell fossero completamente ridicole.
Pochi decenni dopo, Mitchell aspettava una vittoria assoluta: in chimica nel 1978. Non è diventato famoso, ma le sue idee sono in ogni libro di testo di biologia oggi. Mitchell ha trascorso la sua carriera a capire cosa fanno gli organismi con l'energia che ottengono dal cibo. Fondamentalmente, si chiedeva come riusciamo tutti a rimanere vivi ogni secondo.
Sapeva che tutte le cellule immagazzinano la loro energia in una molecola: l'adenosina trifosfato (ATP). Una catena di tre fosfati è attaccata all'adenosina. L'aggiunta di un terzo fosfato richiede molta energia, che viene quindi bloccata nell'ATP.
Quando una cellula ha bisogno di energia, ad esempio quando un muscolo si contrae, scompone un terzo fosfato in ATP. Questo converte l'ATP in adenosidifosfato (ADP) e rilascia l'energia immagazzinata. Mitchell voleva sapere come una cellula produce ATP in generale. Come immagazzina energia sufficiente nell'ADP per attaccare il terzo fosfato?
Mitchell sapeva che l'enzima che produce l'ATP era nella membrana. Pertanto, ho ipotizzato che la cellula pompa particelle cariche (protoni) attraverso la membrana, così tanti protoni sono da un lato, ma non dall'altro.
I protoni quindi cercano di fuoriuscire attraverso la membrana per bilanciare il numero di protoni su ciascun lato, ma l'unico punto in cui possono passare è l'enzima. Il flusso di protoni in movimento ha quindi fornito all'enzima l'energia necessaria per creare ATP.
Mitchell presentò per la prima volta la sua idea nel 1961. Trascorse i successivi 15 anni a difenderla da tutte le parti, finché le prove non furono inconfutabili. Ora sappiamo che il processo Mitchell è utilizzato da ogni essere vivente sulla Terra. Sta scorrendo nelle tue cellule proprio ora. Come il DNA, è alla base della vita che conosciamo.
Russell ha preso in prestito da Mitchell l'idea del gradiente protonico: la presenza di un gran numero di protoni su un lato della membrana e pochi sull'altro. Tutte le cellule hanno bisogno di un gradiente protonico per immagazzinare energia.
Le cellule moderne creano gradienti pompando protoni attraverso le membrane, ma ciò richiede un meccanismo molecolare complesso che semplicemente non potrebbe apparire da solo. Quindi Russell fece un altro passo logico: la vita doveva formarsi da qualche parte con un gradiente protonico naturale.
Ad esempio, da qualche parte vicino a bocche idrotermali. Ma deve essere un tipo speciale di fonte. Quando la Terra era giovane, i mari erano acidi e ci sono molti protoni nell'acqua acida. Per creare un gradiente protonico, l'acqua della sorgente deve essere povera di protoni: deve essere alcalina.
Le fonti di Corliss non corrispondevano. Non erano solo troppo calde, ma anche acide. Ma nel 2000, Deborah Kelly dell'Università di Washington ha scoperto le prime fonti alcaline. 
Kelly ha dovuto lavorare sodo per diventare uno scienziato. Suo padre è morto mentre lei stava finendo il liceo ed è stata costretta a lavorare per rimanere al college. Ma è riuscita e ha scelto i vulcani sottomarini e le calde sorgenti idrotermali come soggetto del suo interesse. Questa coppia l'ha portata al centro dell'Oceano Atlantico. A questo punto, la crosta terrestre si è incrinata e dal fondo del mare si è alzata una cresta di montagne.
Su questa cresta, Kelly scoprì un campo di bocche idrotermali, che chiamò "The Lost City". Non erano come quelli trovati da Corliss. L'acqua ne usciva a una temperatura di 40-75 gradi Celsius ed era leggermente alcalina. I minerali carbonatici di quest'acqua si aggregavano in ripide "colonne di fumo" bianche che si alzavano dal fondo del mare come canne d'organo. Sembrano inquietanti e spettrali, ma non lo sono: ospitano molti microrganismi.
Queste prese d'aria alcaline si adattano perfettamente alle idee di Russell. Credeva fermamente che la vita apparisse in tali "città perdute". Ma c'era un problema. Come geologo, non ne sapeva molto cellule biologiche per presentare la tua teoria in modo convincente. 
Una colonna di fumo dalla "sala fumatori nera"
Così Russell ha collaborato con il biologo William Martin. Nel 2003, hanno presentato una versione migliorata delle idee precedenti di Russell. E questa è probabilmente la migliore teoria dell'emergere della vita in questo momento.
Grazie a Kelly, ora sapevano che le rocce delle sorgenti alcaline erano porose: erano punteggiate da minuscoli fori pieni d'acqua. Queste minuscole tasche, suggerivano, fungevano da "cellule". Ogni tasca conteneva il principale sostanze chimiche, compresa la pirite. In combinazione con il gradiente protonico naturale dalle sorgenti, erano il luogo perfetto per avviare il metabolismo.
Dopo che la vita ha imparato a sfruttare l'energia delle acque sorgive, dicono Russell e Martin, ha iniziato a creare molecole come l'RNA. Alla fine, ha creato una membrana per se stessa ed è diventata una vera cellula, fuggendo dalla roccia porosa per acqua aperta.
Tale trama è attualmente considerata come una delle ipotesi principali sull'origine della vita. 
Le cellule fuggono dalle bocche idrotermali
Nel luglio 2016, ha ricevuto supporto quando Martin ha pubblicato uno studio che ricostruisce alcuni dettagli "" (LUCA). Questo è un organismo vissuto miliardi di anni fa e da cui tutto vita esistente.
È improbabile che troveremo mai prove fossili dirette dell'esistenza di questo organismo, ma tuttavia possiamo fare ipotesi plausibili su come appariva e cosa stava facendo mentre studiavamo i microrganismi dei nostri giorni. Questo è quello che ha fatto Martino.
Esaminò il DNA di 1930 microrganismi moderni e identificò 355 geni che quasi tutti possedevano. Questa è una prova convincente del trasferimento di questi 355 geni, attraverso generazioni e generazioni, da un antenato comune, nel periodo in cui viveva l'ultimo antenato comune universale.
Questi 355 geni attivano alcuni per utilizzare il gradiente protonico, ma non per generarlo, come prevedevano le teorie di Russell e Martin. Inoltre, LUCA sembra essere stato adattato alla presenza di sostanze chimiche come il metano, suggerendo che abitasse in un ambiente vulcanicamente attivo, simile a una bocca.
I sostenitori dell'ipotesi del "mondo a RNA" indicano due problemi con questa teoria. Uno può essere corretto; l'altro può essere fatale. 
Sorgenti idrotermali
Il primo problema è che non ci sono prove sperimentali per i processi descritti da Russell e Martin. Loro hanno storia passo dopo passo ma nessuno di questi passaggi è stato osservato in laboratorio.
"Le persone che credono che tutto sia iniziato con la riproduzione trovano costantemente nuovi dati sperimentali", afferma Armen Mulkidzhanyan. "Le persone che sostengono il metabolismo no."
Ma questo potrebbe cambiare, grazie al collega di Martin Nick Lane dell'University College London. Ha costruito un "reattore dell'origine della vita" che simula le condizioni all'interno di una fonte alcalina. Spera di vedere cicli metabolici e forse anche molecole come l'RNA. Ma è troppo presto.
Il secondo problema è la localizzazione delle sorgenti nel mare profondo. Come notò Miller nel 1988, le molecole a catena lunga come l'RNA e le proteine non possono formarsi in acqua senza enzimi ausiliari.
Per molti scienziati, questo è un argomento fatale. "Se sei bravo in chimica, non sarai corrotto con l'idea di sorgenti di acque profonde, perché sai che la chimica di tutte queste molecole è incompatibile con l'acqua", afferma Mulkidzhanian.
Eppure Russell ei suoi alleati rimangono ottimisti.
Solo nell'ultimo decennio è emerso un terzo approccio, supportato da una serie di esperimenti insoliti. Promette qualcosa che né il mondo dell'RNA né le bocche idrotermali sono stati in grado di ottenere: un modo per creare un'intera cellula da zero. Maggiori informazioni su questo nella parte successiva.
Conversione dell'energia solare e degli organismi che la utilizzano
Oggi parleremo di organismi che utilizzano l'energia solare nella loro vita. Per questo, è necessario toccare una scienza come la bioenergia. Studia le modalità di trasformazione dell'energia da parte degli organismi viventi e il suo utilizzo nel processo della vita. La bioenergia si basa sulla termodinamica. Questa scienza descrive i meccanismi di conversione di vari tipi di energia l'uno nell'altro. Compreso l'uso e la conversione dell'energia solare da parte di vari organismi. Con l'aiuto della termodinamica è possibile descrivere compiutamente il meccanismo energetico dei processi che avvengono intorno a noi. Ma con l'aiuto della termodinamica è impossibile capire la natura di questo o quel processo. In questo articolo cercheremo di spiegare il meccanismo di utilizzo dell'energia solare da parte degli organismi viventi.
Per descrivere la trasformazione dell'energia negli organismi viventi o in altri oggetti sul nostro pianeta, bisogna considerarli dal punto di vista della termodinamica. Cioè, un sistema che scambia energia con l'ambiente e gli oggetti. Possono essere suddivisi nei seguenti sistemi:
- Chiuso;
- Isolato;
- Aprire.
Dopo un po ', queste sostanze vengono distrutte e forniscono energia al corpo. I loro prodotti di degradazione vengono rimossi dal corpo. Altre molecole riempiono il loro posto nel corpo. In questo caso, l'integrità della struttura corporea non viene violata. Tale assimilazione ed elaborazione dell'energia nel corpo assicura il rinnovamento del corpo. Il metabolismo energetico è essenziale per l'esistenza di tutti gli organismi viventi. Quando i processi di conversione dell'energia nel corpo si fermano, questo muore.
La luce solare è la fonte di energia biologica sulla Terra. L'energia nucleare del Sole fornisce la generazione di energia radiante. Gli atomi di idrogeno nella nostra stella vengono convertiti in atomi di He come risultato della reazione. L'energia rilasciata durante la reazione viene rilasciata sotto forma di raggi gamma. La reazione stessa assomiglia a questa:
4H ⇒ He4 + 2e + hv, dove
v ─ lunghezza d'onda dei raggi gamma;
h è la costante di Planck.
Successivamente, dopo l'interazione della radiazione gamma e degli elettroni, l'energia viene rilasciata sotto forma di fotoni. Questa energia luminosa viene emessa da un corpo celeste.
L'energia solare, quando raggiunge la superficie del nostro pianeta, viene catturata e convertita dalle piante. In essi, l'energia del sole viene convertita in energia chimica, che viene immagazzinata sotto forma di legami chimici. Questi sono i legami che collegano gli atomi nelle molecole. Un esempio è la sintesi del glucosio nelle piante. La prima fase di questa conversione di energia è la fotosintesi. Le piante gli forniscono clorofilla. Questo pigmento fornisce la trasformazione dell'energia radiante in energia chimica. C'è una sintesi di carboidrati da H 2 O e CO 2. Ciò garantisce la crescita delle piante e il trasferimento di energia alla fase successiva.
La fase successiva del trasferimento di energia avviene dalle piante agli animali o ai batteri. In questa fase, l'energia dei carboidrati nelle piante viene convertita in energia biologica. Ciò si verifica durante l'ossidazione delle molecole vegetali. La quantità di energia ricevuta corrisponde alla quantità spesa per la sintesi. Parte di questa energia viene convertita in calore. Di conseguenza, l'energia viene immagazzinata nei legami ad alta energia dell'adenosina trifosfato. Quindi l'energia solare, passando attraverso una serie di trasformazioni, appare negli organismi viventi in una forma diversa.
Qui vale la pena dare una risposta alla domanda più frequente: "Quale organoide utilizza l'energia della luce solare?" Questi sono cloroplasti coinvolti nel processo di fotosintesi. Lo usano per la sintesi di sostanze organiche da sostanze inorganiche.
L'essenza di tutti gli esseri viventi è nel flusso continuo di energia. Si muove costantemente tra cellule e organismi. A livello cellulare esistono meccanismi efficaci per la conversione dell'energia. Ci sono 2 strutture principali in cui viene convertita l'energia:
- cloroplasti;
- Mitocondri.
L'uomo, come altri organismi viventi sul pianeta, reintegra le riserve energetiche dal cibo. Inoltre, parte dei prodotti vegetali consumati (mele, patate, cetrioli, pomodori) e parte dell'animale (carne, pesce e altri frutti di mare). Anche gli animali che mangiamo ricevono energia dalle piante. Pertanto, tutta l'energia ricevuta dal nostro corpo viene convertita dalle piante. E lo hanno come risultato della conversione dell'energia solare.
In base al tipo di produzione di energia, tutti gli organismi possono essere suddivisi in due gruppi:
- Fototrofi. Attingere energia dalla luce solare;
- Chemiotrofi. L'energia si ottiene durante una reazione redox.
Cioè, l'energia solare viene utilizzata dalle piante e gli animali ricevono energia, che si trova nelle molecole organiche mentre mangiano le piante.
Come viene convertita l'energia negli organismi viventi?
Esistono 3 tipi principali di energia convertita dagli organismi:
- Conversione dell'energia radiante. Questo tipo di energia trasporta la luce solare. Nelle piante, l'energia radiante viene catturata dal pigmento clorofilla. Come risultato della fotosintesi, viene convertito in energia chimica. Questo, a sua volta, viene utilizzato nel processo di sintesi dell'ossigeno e in altre reazioni. La luce solare trasporta energia cinetica e nelle piante si trasforma in energia potenziale. La riserva di energia risultante viene immagazzinata nei nutrienti. Ad esempio, nei carboidrati;
- Conversione di energia chimica. Da carboidrati e altre molecole, si trasforma in energia di legami fosfato ad alta energia. Queste trasformazioni avvengono nei mitocondri.
- Conversione di energia di legami fosfato ad alta energia. Viene consumato dalle cellule di un organismo vivente per svolgere vari tipi di lavoro (meccanico, elettrico, osmotico, ecc.).
Durante queste trasformazioni, parte dell'apporto energetico viene perso e dissipato sotto forma di calore.
L'uso dell'energia immagazzinata dagli organismi
Nel processo del metabolismo, il corpo riceve una riserva di energia spesa per il lavoro biologico. Può essere un lavoro leggero, meccanico, elettrico, chimico. E il corpo spende una parte molto grande dell'energia sotto forma di calore.
I principali tipi di energia nel corpo sono riassunti di seguito:
- Meccanico. Caratterizza il movimento dei macro-corpi, così come il lavoro meccanico per spostarli. Può essere diviso in cinetico e potenziale. Il primo è determinato dalla velocità di movimento dei macrocorpi e il secondo è determinato dalla loro posizione l'uno rispetto all'altro;
- Chimico. È determinato dall'interazione degli atomi in una molecola. È l'energia degli elettroni che si muovono nelle orbite delle molecole e degli atomi;
- Elettrico. È l'interazione di particelle cariche che le fa muovere in un campo elettrico;
- Osmotica. Si consuma quando si muove contro il gradiente di concentrazione delle molecole della sostanza;
- Energia normativa.
- Termico. È determinato dal movimento caotico di atomi e molecole. La caratteristica principale di questo movimento è la temperatura. Questo tipo di energia è la più scontata tra tutte quelle sopra elencate.
Е h = 3 / 2rT, dove
r ─ costante di Boltzmann (1.380 * 10 -16 erg/deg).
L'universo è pieno di energia, ma solo alcuni dei suoi tipi sono adatti agli organismi viventi. La principale fonte di energia per la stragrande maggioranza dei processi biologici sul nostro pianeta è la luce solare. La potenza di radiazione del Sole è mediamente stimata in 4 × 10 33 erg/s, che costa alla nostra stella in perdite annuali di 10 -15 -10 -14 massa. Ci sono anche emettitori molto più potenti. Ad esempio, 1-2 volte al secolo, nella nostra galassia si verificano esplosioni di supernova, ognuna delle quali è accompagnata da una potente esplosione con una potenza superiore a 1041 erg / s. E i quasar (i nuclei delle galassie distanti centinaia di milioni di anni luce da noi) emettono potenze ancora maggiori - 10 46 -10 47 erg/s.
La cellula è l'unità base della vita, lavora continuamente per mantenere la sua struttura, e quindi necessita di un flusso costante di energia libera. Tecnologicamente, non è facile per lei risolvere un tale problema, poiché una cellula vivente deve rilasciare e utilizzare energia a una temperatura costante (e, inoltre, piuttosto bassa) in un mezzo acquoso diluito. Nel corso dell'evoluzione, nel corso di centinaia di milioni di anni, si sono formati meccanismi molecolari eleganti e perfetti in grado di agire in modo insolitamente efficiente in condizioni molto miti. Di conseguenza, l'efficienza l'energia cellulare risulta essere molto superiore a quella di qualsiasi dispositivo ingegneristico inventato dall'uomo.
I trasformatori di energia cellulare sono complessi di proteine speciali incorporate nelle membrane biologiche. Indipendentemente dal fatto che entri nella cella dall'esterno energia gratis direttamente con quanti di luce (nel processo di fotosintesi) o come risultato dell'ossidazione del cibo con l'ossigeno nell'aria (nel processo di respirazione), avvia il movimento degli elettroni. Di conseguenza, vengono prodotte molecole di adenosina trifosfato (ATP) e aumenta la differenza nei potenziali elettrochimici sulle membrane biologiche. L'ATP e il potenziale di membrana sono due fonti di energia relativamente stazionarie per tutti i tipi di lavoro intracellulare.
Il movimento della materia attraverso le cellule e gli organismi è facilmente percepito dalla nostra coscienza come un bisogno di cibo, acqua, aria e smaltimento dei rifiuti. Il movimento dell'energia è quasi impercettibile. A livello cellulare, entrambi questi flussi interagiscono di concerto in quella rete estremamente complessa di reazioni chimiche che costituisce il metabolismo cellulare. I processi vitali a qualsiasi livello, dalla biosfera alla singola cellula, svolgono essenzialmente lo stesso compito: convertono nutrienti, energia e informazioni in una massa crescente di cellule, prodotti di scarto e calore.
La capacità di catturare l'energia e adattarla per realizzare diversi tipi di lavoro sembra essere la vera forza vitale che da tempo immemorabile preoccupa i filosofi. A metà del XIX secolo. la fisica ha formulato la legge di conservazione dell'energia, secondo la quale l'energia si conserva in un sistema isolato; a seguito di determinati processi, può essere trasformato in altre forme, ma la sua quantità sarà sempre costante. Tuttavia, gli organismi viventi sono sistemi aperti. Ogni cellula vivente lo “sa” bene per centinaia di milioni di anni e reintegra continuamente le sue riserve di energia.
Per un anno, le piante terrestri e oceaniche manipolano quantità colossali di materia ed energia: assorbono 1,5 × 10 11 tonnellate di anidride carbonica, decompongono 1,2 × 10 11 tonnellate di acqua, rilasciano 2 × 10 11 tonnellate di ossigeno libero e immagazzinano 6 × 10 20 calorie energia del Sole sotto forma di energia chimica dei prodotti della fotosintesi. Molti organismi, come animali, funghi e la maggior parte dei batteri, non sono in grado di effettuare la fotosintesi: la loro attività vitale dipende interamente dalla materia organica e dall'ossigeno, prodotti dalle piante. Pertanto, possiamo tranquillamente affermare che la biosfera nel suo insieme esiste grazie all'energia solare, e gli antichi saggi non si sbagliavano affatto nel proclamare che il sole è la base della vita.
Eccezioni alla visione eliocentrica del flusso energetico globale sono alcuni tipi di batteri che vivono attraverso processi inorganici, come la riduzione dell'anidride carbonica a metano o l'ossidazione dell'idrogeno solforato. Alcune di queste creature "chemolitotrofiche" sono ben studiate (ad esempio, batteri metanogeni che vivono nello stomaco delle mucche), ma un numero enorme di esse è sconosciuto anche agli specialisti in microbiologia. La maggior parte dei chemolitotrofi ha scelto habitat estremamente scomodi che sono molto difficili da esplorare: privi di ossigeno, troppo acidi o troppo caldi. Molti di questi organismi non possono essere coltivati in coltura pura. Fino a poco tempo fa, i chemolitotrofi erano generalmente considerati una sorta di esotico, interessante da un punto di vista biochimico, ma di scarsa importanza per il bilancio energetico del pianeta. In futuro, questa posizione potrebbe rivelarsi errata per due motivi. Innanzitutto, i batteri si trovano sempre più in luoghi che prima erano considerati sterili: nelle rocce estremamente profonde e calde della crosta terrestre. Al giorno d'oggi, sono stati identificati così tanti habitat per organismi in grado di estrarre energia dai processi geochimici che la loro popolazione può diventare una parte significativa della biomassa totale del pianeta. In secondo luogo, c'è motivo di credere che i primissimi esseri viventi dipendessero da fonti di energia inorganiche. Se questi presupposti si avverassero, la nostra visione sia del flusso globale di energia che della sua relazione con l'origine della vita potrebbe cambiare in modo significativo.