Без чего невозможна жизнь на земле: Почему без растений невозможна жизнь? |

Содержание

Почему без растений невозможна жизнь?

Растения

Содержание

8 причин, почему без растений невозможна жизнь на Земле
Значение растений в жизни человека. Культурные растения

Растения играют огромную роль в существовании нашей планеты, а также непосредственном существовании жизни на Земле. Однако почему без растений невозможна жизнь на Земле, ведь, казалось бы, отсутствие деревьев в плотных городских массивах и современных мегаполисах сказывается лишь на том, что районы становятся не совсем уютными, а также не имеют мест для отдыха. В данном вопросе мы сегодня и разберемся.

Значение зеленых растений в природе исключительно велико. В процессе фотосинтеза в хлорофилловых зернах под воздействием солнечных лучей из углекислого газа и воды автотрофами (растениями) создаются органические вещества. Эти органические вещества используются на питание всех органов растений, а также на образование клеток растения. Животные и человек потребляют готовые органические вещества, которые образуются только в зеленых растениях.

Без зеленых растений на Земле не было бы пищи, необходимой для жизни всех живых существ.

Но этим не ограничивается значение зеленых растений. Они обогащают атмосферу кислородом, необходимым для дыхания всех живых организмов, очищают загрязненный воздух, поглощая из него углекислый газ.

Много лет назад в зарубежной печати появилась статья, автор которой пророчил человечеству и всему живому на Земле гибель от углекислого газа. В статье говорилось, что количество углекислого газа в воздухе из года в год будет увеличиваться, так как его выделяют в атмосферу многочисленные заводы и фабрики, увеличивающееся людское население, животный мир и сами растения.

Но ученые, изучающие жизнь растений, доказали, что пока на Земле существует достаточное количество зеленых растений, запасы кислорода не иссякнут. Удушье от углекислого газа никогда не наступит. Потребляя углекислый газ, необходимый для образования органических веществ, растения тем самым очищают воздух. Они пополняют его кислородом, после чего воздух становится пригодным для жизни.

8 причин, почему без растений невозможна жизнь на Земле

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Выработка кислорода

Еще со школьной скамьи большинство из нас помнит о том, что растения служат людям и всему земному шару тем, что вырабатывают кислород. Однако к данному факту большинство людей относится достаточно скептически, не задумываясь о том, что такая «помощь» со стороны растений может быть существенной. Впрочем, если же посмотреть на фактические данные, можно узнать, что всего лишь одно единственное дерево способно в течение суток выделить такое количество кислорода, которого будет достаточно трем людям для жизни в течение все тех же суток. А теперь представьте себе, сколько кислорода за сутки/за месяц/за год вырабатывает целый лес или даже небольшая лесополоса.

Фотосинтез – уникальный процесс создания органических веществ из неорганических. Это единственный на нашей планете процесс, связанный с превращением энергии солнечного света в энергию химических связей, заключённую в органических веществах. Таким способом поступившая из космоса энергия солнечных лучей, запасённая зелёными растениями в углеводах, жирах и белках, обеспечивает жизнедеятельность всего живого мира – от бактерий до человека. Выдающийся русский ученый конца ХIХ – начала ХХ в. Климент Аркадьевич Тимирязев (1843-1920) роль зелёных растений на Земле назвал космической. Он писал:

Все органические вещества, как бы они ни были разнообразны, где бы они ни встречались, в растении ли, в животном или человеке, прошли через лист, произошли от веществ, выработанных листом. Вне листа или, вернее, вне хлорофиллового зерна в природе не существует лаборатории, где бы выделялось органическое вещество. Во всех других органах и организмах оно превращается, преобразуется, только здесь оно образуется вновь из вещества неорганического.
Ласка
Китовая акула
34 фактов про енотов
Гривистый волк
Крапива
Лось

Поглощение углекислого газа (CO2)

Еще одной важнейшей функцией, за которую на нашей планете отвечают растения, является поглощение углекислого газа. Из всех присутствующих на Земле объектов именно растения способны выполнять такую «работу» и очищать нашу атмосферу от непригодных для использования газов CO2, ведь если бы его уровень в атмосфере превысил допустимые нормы, это все привело бы к неблагоприятному исходу для всего живого.

Почвообразование

Органические вещества, образованные зелёными растениями, потребляются живыми существами суши. Отходы процессов жизнедеятельности организмов, продукты гниения и разложения мёртвых тел (растений, животных, грибов, бактерий) и их отдельных частей (опавшие листья, отмершие корни, корневые волоски, обильные корневые выделения), попадая в верхний слой земной поверхности, разлагаются там и принимают участие в создании уникального природного образования – почвы.

Почва образуется и развивается на поверхности Земли в результате взаимодействия элементов живой и неживой природы. Без органических соединений почва не образуется. От количества органических веществ – гумуса – зависит плодородие почвы.

Животный мир

Нужно уделить внимание и животному миру, ведь он также не мог бы существовать без растений на Земле. Дело в том, что очень многие животные, в том числе и дикие, питаются растениями, являясь травоядными. То есть, если бы на планете не было для них пищи – они бы попросту вымерли. Однако затрагивают растения и хищных животных, ведь они, в свою очередь, питаются другими представителями животного царства, которых, как мы уже сказали, без растений не было бы. Соответственно, вымирание ожидало бы и хищников.

Накопление органической массы

Все живые организмы могут жить, лишь потребляя в виде пищи ту энергию, которую зелёные растения с помощью хлорофилла получили от Солнца и заключили в углеводах и других органических соединениях. Углеводы – важный продукт фотосинтеза.

Многие растения, такие как сахарный тростник, сахарная свёкла, лук, горох, кукуруза, виноград, финик, запасают сахара в стеблях, корнях, луковицах, плодах и семенах. Именно сахара служат главным источником энергии для всех живых существ, так как легко могут стать одним из наиболее активных соединений в любой живой клетке.

Однако не все растения имеют зеленую окраску. Грибы, бактерии и некоторые из высших растений лишены хлорофилла и потому неспособны сами вырабатывать для себя органическую пищу из веществ неорганических. Подобные не зелёные растения (сапрофиты), часто невидимые простым глазом, в изобилии поселяются на мертвом органическом веществе, остающемся после гибели растений и животных, используют его для своего питания, разрушают, минерализуют и таким образом приводят в состояние, доступное для использования зелеными растениями. В этом заключается положительная роль незеленых – бесхлорофильных растений.

Накопление энергии

Постоянно поглощая энергию в виде солнечного излучения, растения её накапливают. Накопление энергии – очень важное для живой природы явление, обусловленное фотосинтезом зелёных растений. Органические вещества – отличный энергоноситель. Человек широко пользуется газом, нефтью, углем, дровами – все это органические вещества, которые выделяют при сгорании энергию, некогда занесённую в зелёных растениях.

Влияние на климат

Растительный покров оказывает огромное влияние на формирование и изменение климата, исключительна роль растений в почвообразовательном процессе, в повышении плодородия почв. Лес смягчает резкие колебания температуры, улучшает водно-воздушный режим почв, задерживает ветер. Лесные насаждения скрепляют почву на склонах и препятствуют движению сыпучих песков, предотвращают развитие эрозионных процессов.

Очистительная функция

Не менее важна санитарно-гигиеническая и эстетическая роль растений. Они убивают болезнетворные организмы, очищают воду и воздух (на них оседает более 70% взвешенной в воздухе пыли и до 60% сернистого газа), служат преградой для распространения звуковых волн. Любая растительность украшает ландшафт и оздоровляет атмосферу.

Значение растений в жизни человека. Культурные растения

Растения являются первоисточником существования, процветания и развития жизни на Земле и в первую очередь благодаря их свойству осуществлять фотосинтез.

Формирование газового состава атмосферного воздуха, как известно, также находится в прямой зависимости от растений. Один гектар кукурузы выделяет за год 15 т кислорода, что достаточно для дыхания 30 человек. Весь кислород атмосферы проходит через зеленое вещество примерно за 2000 лет. За 300 лет растения усваивают столько углерода, сколько его содержится в атмосфере и водах. Годовая химическая энергия продуктов фотосинтеза в 1000 раз превышала выработку энергии в конце XX в. всеми электростанциями мира. Установлено, что растения Земли в процессе фотосинтеза ежегодно образуют более 177 млрд т органического вещества.

Растительность оказывает большое влияние на климат, водоемы, животный мир и другие элементы биосферы, с которыми она тесно взаимосвязана. От характера растительности во многом зависит и характер биоценоза, экосистемы, их морфологическая и функциональная структура, биогеоценотическая деятельность компонентов. Велико значение растений в жизни человека. Прежде всего растительность представляет необходимую среду жизни людей. Дикорастущая флора является неоценимым генетическим фондом в селекционной работе при создании новых сортов сельскохозяйственных культур. По Н.М. Черновой и др. (1995) большая часть растений, которые обеспечивают сегодня около 90% продовольствия в мире, появились путем окультирования диких растений

Сотрудниками Всероссийского института растениеводства (ВИР) установлено наличие в России около 600 диких видов, являющихся сородичами культурных растений. Многие из них послужили базой для выведения более 1500 новых сортов.

Отрицательное же значение растительности по сравнению с приносимой ею пользой незначительно. Так, некоторые виды диких растений растут в качестве сорняков на обрабатываемых землях и пастбищах. В отдельных местах приходится бороться с зарастанием водоемов, каналов. Иногда массовое развитие водной растительности вызывает появление летних заморов рыбы в озерах. Известны и некоторые другие случаи вредного воздействия растений на человека (отравления, грибковые заболевания) и хозяйство (обрастание днищ судов, зарастание дорог и т. п.).

Культурные растения – растения, выращиваемые человеком для получения пищевых продуктов, кормов в сельском хозяйстве, лекарств, промышленного и иного сырья и других целей.

Согласно восьмому изданию Международного кодекса номенклатуры культурных растений в настоящее время признаются три категории культурных растений: сорт, грекс (только для Орхидных) и группа.

Культурные растения, полученные из диких путём гибридизации, селекции или генной инженерии. В процессе поиска диких растений для превращения их в культурные и использования возникло учение о центрах происхождения культурных растений. В 1926 – 1939 годах Н. И. Вавилов обобщил накопленные знания и выделил семь основных центров происхождения культурных растений. В отличие от декоративных видов, культурные растения не имеют естественных ареалов.

Видео

Источники

Основные потребности живых существ (растений и животных)

Содержание

Солнечный свет
Значение для растений
Значение для животных
Вода
Значение для растений
Значение для животных
Воздух
Значение для растений
Значение для животных
Пища (питательные вещества)
Значение для растений
Значение для животных
Среда обитания (температура)
Значение для растений
Значение для животных

Каждый живой организм на планете, чтобы поддерживать основные функции жизнедеятельности нуждается в определенных потребностях. Количество, способ получения, форма или тип этих потребностей индивидуальны для каждого организма.

Например, вода является неотъемлемой частью выживания живых существ. Но, количество воды необходимое для поддержания жизни лягушки отличается от потребностей в воде у кактуса – растения пустыни.

Ниже перечислены пять основных потребностей живых организмов без которых не возможна жизнь на Земле:

Солнечный свет

Это, вероятно, самая важная потребность для всех живых существ, так как солнце является источником энергии, тепла и света. Количество солнечного света определяет возможность выживания того или иного организма.

Например, верхняя часть моря или океана получает много солнечного света, поэтому она теплее дна океана, которое имеет ограниченное количество света или он вовсе отсутствует. Таким образом, живые организмы, предпочитающие поверхность воды, сильно отличаются от обитателей дна океанов.

Значение для растений

Различные растения требуют разное количество солнечного света. Например, папоротникам нужно меньше света, а одуванчикам – много прямых солнечных лучей.

Все растения используют солнечный свет для фотосинтеза. Они сохраняют питательные вещества и энергию в своих листьях, которые поступают к животным, питающимся этими растениями. Когда листья опадают, редуценты (бактерии и грибы) превращают их в органические соединения.

Значение для животных

Солнечный свет имеет жизненно важное значение для всех животных, хотя различные виды нуждаются в разном количестве солнечного света. Например: многие млекопитающие и рептилии (такие как змеи, черепахи и ящерицы) выходят в течение дня, чтобы погреться на солнышке, увеличить температуру тела и стать более активными. В то же время, такие животные, как летучие мыши, избегают прямых лучей и прячутся в тени, чтобы спастись от жары.

Однако, многим ночным животным тоже нужен солнечный свет. Во время ночной активности, они питаются организмами, которые накопили энергию солнца днем.

Вот еще один пример: Животные океанов зависят от органических соединений (мертвых растений и организмов), которые оседают на дне. Такие органические вещества содержат энергию, полученную от Солнца.

Количество солнечного света, влияет на миграцию птиц, цветение и опыление растений, а также поддерживает баланс экосистем.

Вода

Вода – необходимое условие существования всех живых существ на планете. Для многих видов микроорганизмов, животных и растений, вода служит естественной средой обитания, поддерживающей их существование.

Значение для растений

Растения нуждаются в достаточной гидратации для осуществления фотосинтеза. Они получают необходимую воду, из почвы через корни. Вода распространяет питательные вещества во все части растения и позволяет сохранять вертикальное положение. Если доступа к воде прекратится, растение завянет, а затем погибнет.

Некоторые растения, такие как водоросли поглощают углекислый газ, растворенный в воде.

Значение для животных

Животные также нуждаются в воде для обеспечения жизнедеятельность. Они регулярно пьют воду, чтобы гидратироваться и переваривать пищу. Некоторым рыбам необходима соленая вода, а другим – пресная. Большинство видов рыб, получают кислород из воды.

Для одних животных, вода является естественной средой обитания. Другим – как лягушки и черепахи – вода необходима, чтобы откладывать яйца и размножаться. Анаконды, наряду со многими рептилиями обитают в воде. Свежая вода часто несет растворенные питательные вещества, от которых зависят многие живые организмы.

Воздух

Земля окружена воздухом, смесью чрезвычайно важных газов, таких как кислород, углекислый газ и азот. Эти газы позволяют животным дышать, а также обеспечивают зеленые растения диоксидом углерода, который участвует в фотосинтезе.

Значение для растений

Растения поглощают углекислый газ (вместе с солнечным светом и водой), вырабатывают энергию и выделяют кислород в качестве побочного продукта, через очень крошечные поры в листьях. Кислород является жизненно необходимым газом практически для всех животных.

Воздух также имеет важное значение для живых организмов почв, позволяя выживать и нормально функционировать под землей. Без аэрации почвы, растения не будут перерабатываться в органические вещества. Перемещение воздуха (ветер) помогает в опылении некоторых растений.

Значение для животных

Животным, включая человека, жизненно необходим кислород. Мы вдыхаем кислород и выдыхаем углекислый газ. Есть также воздушные карманы в почве и воде, которые помогают крошечным живым существам выжить под землей и в воде. Например, рыбы поглощают кислород из воды, используя жабры. Все животные адаптируются к поглощению кислорода с помощью специализированных органов или частей тела.

Пища (питательные вещества)

Нам нужна еда, чтобы расти, не так ли? Пища, которую мы едим, содержит питательные вещества, позволяющие оставаться здоровыми и сильными. Этот процесс схожий для каждого живого организма. Пища имеет много различных форм, а у растений и животных есть специальные органы или части тела, поглощают.

Значение для растений

Растения используют углеводы, жиры и белки, чтобы расти и поддерживать жизнедеятельность. Они производят их сами с помощью солнечного света, воды и углекислого газа. Полученные питательные вещества сохраняются в растениях, а затем передаются животным, которые ними питаются.

Когда растения погибают и начинают перегнивать, питательные вещества, содержащиеся в них, попадают в почву, а корни растений их поглощают. К таким веществам относятся: соли, калий, минералы, крахмал, фосфаты и азотные кислоты.

Значение для животных

Животные также нуждаются в пище или питательных веществах, чтобы выживать. Многие из них, получают питательные вещества из растений.

Более крупные животные едят более мелких. Водные представители (такие как рыбы), питаются мелкими насекомыми, червями и планктоном.

Некоторые организмы (как грибы), получают пищу в виде органических веществ (когда-то живых организмов). Все они содержат конкретные питательные вещества, так необходимые тому или иному виду животных.

Среда обитания (температура)

Каждый живой организм нуждается в доме, приюте или естественной среде обитания, обеспечивающей безопасность, идеальную температуру и основные потребности, необходимые для выживания.

Одной из важных функций дома (среды обитания или окружающей среды) каждого организма является обеспечение идеальной температуры, в которой организм может нормально существовать.

Изобретения помогают поддерживать людям нормальную температуру тела или помещения, если становится слишком холодно или жарко. Но, остальные живые организмы полностью зависят от условий окружающей среды. Если для растений становится слишком жарко или холодно, они могут погибнуть.

Это же касается и животных. Идеальная температура очень важна. Экстремальные изменения климата могут уничтожить целую экосистему. Температура окружающей среды зависит от воды, воздуха, почвы и солнечного света.

На всей планете, температура разная. В некоторых местах, таких, как северный и южный полюса очень холодно (до -88 ° C ). Другие регионы, особенно тропические, имеют высокую температуру (приблизительно до 50 ° C). Животные, которые приспособлены к низким температурам не могут выжить в жарких условиях.

Значение для растений

В некоторых местах слишком холодно для жизни растений. К ним относятся: высокие горные вершины и ледники.

Значение для животных

Животные, такие как белые медведи и пингвины приспособлены жить только в очень холодном климате. Они не выживут, если попадут в горячий, сухой, тропический климат.

Метаболическая и ферментативная активность животных требует правильной температуры окружающей среды, в противном случае, такие процессы замедляются и оказывают негативное влияние на живой организм.

Ручьевая форель – предпочитает температуру воды от 4 ° C до 20 ° C и откладывает яйца, когда температура воды ниже 13 ° C.

Некоторые рыбы живут только в мелководных теплых водах тропических морей, где подходящая температура поддерживается круглый год.

Отдельные факторы в окружающей среде живого организма способны препятствовать нормальной жизни. Они называются «ограничивающими факторами» и включают в себя: почву, температуру воды, солнечный свет и физические барьеры. Физическими барьерами могут выступать человеческие строения, формы рельефа и водоемы. Они часто являются препятствиями для перемещения животных в места, более подходящее для жизни.

Каждая потребность является чрезвычайно важной для всех живых организмов планеты, и потеря или ухудшение одной из них, влечет за собой отрицательные последствия.

Гугломаг

Спрашивай! Не стесняйся!

Задать вопрос

Не все нашли? Используйте поиск по сайту

Search for:

Исследование показывает, что жизнь на «суперземлях» практически невозможна

Масса исходного каменного ядра определяет, является ли последняя планета потенциально обитаемой. В верхнем ряду диаграммы ядро имеет массу, более чем в 1,5 раза превышающую массу Земли. В результате он удерживает плотную атмосферу водорода (H), дейтерия (h3) и гелия (He). Нижний ряд показывает эволюцию ядра меньшей массы, от 0,5 до 1,5 массы Земли. Он удерживает гораздо меньше легких газов, что повышает вероятность создания атмосферы, подходящей для жизни. Предоставлено: НАСА / Х. Ламмер

Недавно опубликованное исследование показывает, что многие сверхземные планеты, открытые за последние двадцать лет, возможно, захватили в 100-1000 раз больше водорода, чем содержится в земных океанах, но могут потерять лишь несколько процентов его за их жизни, что делает практически невозможным существование жизни в том виде, в каком мы ее знаем.

За последние 20 лет поиск похожих на Землю планет вокруг других звезд ускорился благодаря запуску таких миссий, как космический телескоп Кеплер. С помощью этих и наземных обсерваторий астрономы нашли множество миров, на первый взгляд имеющих сходство с Землей. Некоторые из них находятся даже в «обитаемой зоне», где температура как раз подходит для того, чтобы вода находилась в жидкой форме, и поэтому являются главными целями в поисках жизни в других местах Вселенной.

Теперь группа ученых изучила, как формируются эти миры, и предположила, что многие из них могут быть гораздо менее мягкими, чем считалось. Они обнаружили, что планеты, которые формируются из менее массивных ядер, могут стать благоприятной средой обитания для жизни, в то время как более крупные объекты вместо этого превращаются в «мини-Нептуны» с плотной атмосферой и, вероятно, остаются стерильными. Исследователи под руководством доктора Гельмута Ламмера из Института космических исследований (IWF) Австрийской академии наук опубликовали свои результаты в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 9. 0006 .

Планетарные системы, включая нашу собственную Солнечную систему, как полагают, формируются из водорода, гелия и более тяжелых элементов, которые вращаются вокруг своих родительских звезд в так называемом протопланетном диске. Считается, что пыль и каменистый материал со временем слипаются, в конечном итоге образуя каменные ядра, которые впоследствии становятся планетами. Гравитация этих ядер притягивает водород из окружающего их диска, часть которого уносится ультрафиолетовым светом молодой звезды, вокруг которой они вращаются.

Доктор Ламмер и его команда смоделировали баланс захвата и удаления водорода для планетарных ядер массой от 0,1 до 5 масс Земли, расположенных в обитаемой зоне солнцеподобной звезды. В своей модели они обнаружили, что протопланеты с такой же плотностью, как у Земли, но менее чем в 0,5 раза больше ее массы, не захватят много газа с диска.

В зависимости от диска и при условии, что молодая звезда намного ярче в ультрафиолетовом свете, чем сегодняшнее Солнце, ядра планет с такой же массой, как у Земли, могут захватывать, но также и терять окружающий их водород. Но ядра с самой высокой массой, подобные «суперземлям», обнаруженным вокруг многих звезд, удерживают почти весь свой водород. Эти планеты превращаются в «мини-Нептуны» с гораздо более плотной атмосферой, чем наша родная планета.

Результаты показывают, что для некоторых недавно открытых суперземель, таких как Kepler-62e и -62f, нахождения в обитаемой зоне недостаточно, чтобы сделать их обитаемыми.

Доктор Ламмер комментирует: «Наши результаты показывают, что миры, подобные этим двум суперземлям, могли уловить в 100–1000 раз больше водорода, чем содержится в земных океанах, но могут потерять лишь несколько процентов его за свою жизнь. С такой толстой атмосферой давление на поверхности будет огромным, что сделает существование жизни практически невозможным».

Продолжающееся открытие суперземель с низкой (средней) плотностью подтверждает результаты исследования. Ученым придется приложить еще больше усилий, чтобы найти места, где может быть обнаружена жизнь, что ставит задачу перед астрономами, использующими гигантские телескопы, которые войдут в обиход в следующем десятилетии.

Исследование было проведено исследователями из австрийской исследовательской сети FWF «Пути к обитаемости».

Публикация : Х. Ламмер и др., «Происхождение и потеря водородных оболочек, захваченных туманностями, от «суб» до «суперземли» в обитаемой зоне солнцеподобных звезд», MNRAS, 2014; doi: 10.1093/mnras/stu085

PDF-копия исследования : Происхождение и потеря захваченных туманностями водородных оболочек от «суб» до «суперземли» в обитаемой зоне солнцеподобных звезд

«Невозможная» химия может раскрыть происхождение жизни на Земле

Маркус Ральсер никогда не собирался изучать происхождение жизни. Его исследования были сосредоточены в основном на том, как клетки питаются сами, и на том, как эти процессы могут пойти не так в организме, который испытывает стресс или болен. Но около десяти лет назад по чистой случайности Ралсер и его команда сделали шокирующее открытие.

Группа, работавшая в то время в Кембриджском университете, изучала гликолиз — процесс расщепления сахара в ходе серии химических реакций с высвобождением энергии, которую могут использовать клетки. Когда они использовали чувствительные методы для отслеживания многих этапов процесса, они были удивлены, обнаружив, что некоторые реакции, казалось, «происходят спонтанно», — говорит Ралсер, который сейчас работает в Институте Фрэнсиса Крика в Лондоне. В контрольных экспериментах, в которых отсутствовали некоторые молекулы, необходимые для реакций, часть гликолиза все равно происходила.

«Это не может быть правдой», — вспоминает Ральсер слова других ученых.

Каждая живая клетка имеет в своей основе своего рода химический двигатель. Это верно как для нейрона в человеческом мозгу, так и для простейшей бактерии. Эти химические двигатели управляют метаболизмом, процессами, которые превращают источник энергии, такой как пища, в полезные части и строят клетку. По общему мнению, метаболические процессы, включая гликолиз, требуют множества сложных микроскопических механизмов. Но команда Ральсера обнаружила, что один из этих двигателей может работать сам по себе, без нескольких сложных молекул, которые, по мнению ученых, были необходимы.

После этой случайной находки среди исследователей, изучающих происхождение жизни, прокатилась волна волнения. В конце концов, если это могло произойти в пробирке, возможно, это могло произойти и миллиарды лет назад в глубоководном вулканическом жерле, или на суше в термальных бассейнах, или где-то еще с высокой химической активностью и органическим материалом. Возможно даже, что метаболические реакции положили начало цепи событий, приведших к зарождению жизни.

Некоторые группы сейчас работают над созданием этих химических двигателей с нуля. В дополнение к гликолизу ученые воссоздали части других фундаментальных клеточных процессов, включая обратный цикл лимонной кислоты или обратный цикл Кребса, который, как полагают, впервые появился в очень древних клетках.

Эта захватывающая новая область исследований заставила ученых переосмыслить шаги, которые могли привести к первому живому организму, и заставила их еще раз столкнуться с давним вопросом: как мы вообще определяем жизнь?

Загадочное происхождение

Как зародилась жизнь — одна из величайших загадок науки. Мы знаем, что это произошло в начале истории нашей планеты, потому что в горных породах, отложенных 3,5 миллиарда лет назад, всего через миллиард лет после образования Земли, есть ископаемые микроорганизмы. Но как и где это произошло, остается неясным.

Основная проблема заключается в том, что живые организмы чрезвычайно сложны. Даже простейшая бактериальная клетка имеет сотни генов и тысячи различных молекул. Все эти строительные блоки работают вместе в замысловатом танце, доставляя пищу в клетку и выводя отходы, восстанавливая повреждения, копируя гены и многое другое.

Масштабы этой сложности иллюстрирует опубликованное в 2021 году исследование, в котором сравниваются ДНК 1089 бактерий, простейших живых организмов. Исследователи во главе с биоинженером Джоаной К. Ксавье, которая в то время работала в Дюссельдорфском университете имени Генриха Гейне в Германии, искали белковые семейства, которые были общими для всех видов бактерий, поскольку они, вероятно, были действительно древними — более трех лет назад. миллиардов лет до последнего общего предка всех бактерий. Они обнаружили 146 таких белковых семейств, показав, что даже самые ранние бактерии были чрезвычайно сложными и являлись продуктом длительного периода эволюции.

Все гипотезы о происхождении жизни пытаются отбросить эту сложность и представить нечто гораздо более простое, что могло возникнуть спонтанно. Трудность заключается в том, чтобы решить, на что была бы похожа эта прото-жизнь. Какие части живых клеток, которые мы видим сегодня, образовались первыми?

Было выдвинуто множество идей, включая молекулу, которая может копировать себя, такую как цепь РНК, или жировой «пузырь» или «капля», которые могли действовать как фундаментальная структура клетки. Но растущая группа ученых считает, что до генов или клеточных стенок первой вещью, в которой нуждалась жизнь, был двигатель.

Первый метаболизм

Жизнь в своей основе активна. Даже в кажущихся неподвижными организмах, таких как деревья, наблюдается бешеная активность в микроскопическом масштабе.

Ксавьер, который сейчас работает в Университетском колледже Лондона, сравнивает живую клетку с чашкой воды с отверстием в дне и краном. Если два потока равны, объем воды в чашке остается прежним. то же самое, «но происходит трансформация».

Точно так же каждое живое существо получает питательные вещества и использует их для построения и восстановления своего тела. Для людей это означает употребление пищи, а затем использование нашей пищеварительной системы для расщепления ее на простые химические вещества, которые наш организм может использовать.

Другие организмы получают энергию от солнечного света или химических веществ, таких как метан, но действует тот же принцип. Тысячи реакций постоянно превращают одно вещество в другое и доставляют вещи туда, где они нужны. Все эти процессы составляют обмен веществ в организме. Если обмен веществ останавливается, организм погибает.

Химия метаболизма настолько важна для жизни, что многие исследователи полагают, что она должна была лежать в основе первых живых клеток. Считается, что как только метаболический двигатель заработает, он сможет создавать другие химические вещества, необходимые для жизни, и постепенно клетки будут собираться самостоятельно, говорит Джозеф Моран из Страсбургского университета во Франции.

Однако все гипотезы происхождения жизни, основанные на метаболизме, сталкиваются с одной и той же проблемой: метаболизм, как и сама жизнь, чрезвычайно сложен. В исследовании последнего общего предка бактерий Ксавье подсчитала, что гены этого древнего организма могли производить 243 химических вещества посредством метаболических процессов, а также преобразовывать химические вещества друг в друга.

Даже отдельные пути метаболизма сложны. Возьмите цикл лимонной кислоты или цикл Кребса, который является одним из способов, с помощью которых клетки могут извлекать энергию из питательных веществ. Как следует из названия, он начинается с лимонной кислоты, химического вещества, которое придает цитрусовым их острый вкус. Это преобразуется во второе вещество, называемое цис-аконитатом, а затем в еще семь химических веществ, прежде чем на последнем этапе воссоздается лимонная кислота. Попутно производится множество биологических химических веществ, которые распределяются по остальной части клетки.

Трудно представить, как такой сложный процесс мог начаться сам по себе. Еще больше усложняет ситуацию то, что каждый шаг контролируется молекулой, называемой ферментом, которая ускоряет рассматриваемые химические реакции. Для работы такого процесса, как цикл Кребса, необходимы ферменты. Но ферменты — это сложные молекулы, которые могут образовываться только посредством метаболизма под контролем генов.

Итак, ученые сталкиваются с биохимической дилеммой «курица или яйцо»: что появилось раньше: химический двигатель для создания клетки или клеточные механизмы, необходимые для создания двигателя?

Запуск двигателя жизни

После того, как Ралсер и его команда сделали свое первое открытие в начале 2010-х годов, они решили продолжить исследование метаболических реакций, которые могли бы протекать самостоятельно. Они растворили 12 различных химических веществ, которые используются в гликолизе, каждое по отдельности, в чистой воде. Затем они нагревали образцы до 70°C в течение пяти часов, имитируя условия вблизи подводного вулкана. В экспериментах начали происходить семнадцать химических реакций либо в результате гликолиза, либо в результате родственного метаболического пути.

Затем Ральсер связался с Александрой Турчин, геохимиком из Кембриджского университета, которая дала ему список химических веществ, которые, как считается, были растворены в первозданном океане, включая такие металлы, как железо и натрий. Команда добавила их в свои смеси, чтобы посмотреть, улучшат ли они реакцию.

«Мы получили одно попадание, которое было железным», — говорит Ральсер. К 2014 году у них было 28 рабочих реакций, включая полный метаболический цикл. Команда основывалась на своих первоначальных результатах, показав в 2017 году, что они могут создать версию цикла лимонной кислоты, управляемую сульфатом, и что они могут производить сахара из более простых химических веществ в процессе, называемом глюконеогенезом, хотя последний должен был быть сделан во льду. .

Идею метаболических циклов без ферментов затем подхватил Моран из Страсбургского университета в сотрудничестве со своей бывшей ученицей Камилой Муховской. Они совершили аналогичные прорывы в других метаболических процессах, таких как путь ацетил-КоА, который превращает углекислый газ в ацетил-КоА — одно из наиболее важных химических веществ в метаболизме.

Но из многих механизмов жизни ученые снова и снова возвращаются к обратному циклу лимонной кислоты. Этот процесс, который по существу представляет собой обратный цикл лимонной кислоты, используется некоторыми бактериями для образования сложных углеродных соединений из углекислого газа и воды. И есть данные, что он чрезвычайно древний.

Как и Ральсер, Моран и Муховска использовали металлы, такие как железо, для запуска химических реакций в лаборатории. В 2017 году им удалось запустить шесть из 11 реакций в обратном цикле лимонной кислоты, а два года спустя они обнаружили дополнительные реакции.

«Мы никогда не производили весь цикл, — говорит Моран. Но они приближаются.

Не совсем биология

Несмотря на волнение, ученые расходятся во мнениях относительно того, могут ли целые клеточные циклы действительно происходить без ферментов, облегчающих этот процесс. Для Раманараянана Кришнамурти из Научно-исследовательского института Скриппса в Ла-Хойя, Калифорния, неубедительно воспроизводить только части цикла.

«Это все равно что разбить стеклянную банку на кусочки, а потом сказать: осколки вышли из банки, значит, я могу собрать банку», — говорит он.

Кришнамурти и его коллеги пробуют другой подход. «Мы отключаем себя от биологии», — говорит он, потому что то, что происходит в клетках сегодня, является неполным руководством к тому, что произошло миллиарды лет назад. «Я просто позволю химии вести меня».

В 2018 году команда Кришнамурти продемонстрировала новый метаболический двигатель, состоящий из двух циклов и работающий без ферментов. «Мы обходим некоторые из самых нестабильных молекул, некоторые из самых сложных шагов, которые биология может сделать прекрасно благодаря очень сложным эволюционным ферментам», — говорит Кришнамурти. Он предполагает, что полученный в результате процесс мог быть древним предшественником обратного цикла Кребса.

Совсем недавно его команда экспериментировала с добавлением цианида, которого, как полагают, было много на древней Земле. Предыдущие исследования показали, что цианид может производить многие химические вещества жизни, потому что он очень реактивен, но неясно, действительно ли цианид сыграл роль в происхождении жизни, потому что он ядовит для реальных организмов. Тем не менее команда Кришнамурти показала, что цианид может запускать метаболические механизмы, напоминающие некоторые жизненные функции.

Моран скептически относится к этому подходу, потому что эти альтернативные двигатели не производят некоторые из ключевых химических веществ жизни. «Я не понимаю, почему вы хотите это сделать», — говорит он.

Еще предстоит выяснить, можно ли заставить работать полные версии всех сегодняшних метаболических циклов без ферментов, или же первой жизни приходилось обходиться альтернативными и упрощенными версиями, подобными тем, что сделал Кришнамурти.

Живой двигатель?

Возможность имитировать жизненные процессы в упрощенных формах вообще привела к глубокому вопросу: в какой момент мы стали бы называть эти химические системы «жизнью»? Если метаболический двигатель гудит в стеклянном флаконе, значит ли это, что он живой?

Большинство ученых сказали бы, что нет. Чтобы что-то было живым, «нам нужна достаточно сложная система, чтобы она могла метаболизироваться и воспроизводиться», — говорит Ральсер. Метаболический двигатель сам по себе этого не делает, но это шаг на пути к тому, что может.

«Никто на самом деле не определил жизнь», — говорит Кришнамурти, и существует так много крайних случаев. Например, во многих определениях жизни указывается, что организм должен быть способен к размножению, но отдельные половые животные не могут размножаться без партнера, поэтому согласно этим строгим определениям одинокий кролик не жив.

«Все, что существует между неживым и живым, — это градиент, — говорит Муховска.