?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry | Next Entry

Жизнь представляет собой цепь взаимосвязанных исторических случайностей, непредвиденных поворотов и неожиданных возможностей.
Пол Фальковски.
Как известно, все в нашем мире зависит от бактерий. Долгое время – почти 4 миллиарда лет – Земля была в их полном распоряжении. Именно эти микроскопические двигатели жизни изменили химический состав нашей планеты и сделали мир пригодным для обитания растений, животных и людей. Откуда взялись эти поразительные микроорганизмы? Как они устроены и какие тайны скрывают? Почему жизнь без них невозможна?

рис 1 - Обложка книги.jpg


Пол Фальковски - известный американский биолог-океанограф, родился в 1951 году в Нью-Йорке. Окончил Городской колледж Нью-Йорка, защитил диссертацию по биологии и биофизике. В 1976 году стал сотрудником океанографического отделения Брукхейвенской национальной лаборатории. В настоящее время — профессор Ратгерского университета (Нью-Джерси, США). К его научным интересам относятся фитопланктон и первичная продукция, эволюция, палеоэкология, фотосинтез, биогеохимические циклы и астробиология.

2.jpg
                                                     Пол Фальковский.

Пол Фальковски в своей книге «Двигатели жизни: как бактерии сделали наш мир обитаемым» рассказывает, как и почему бактерии смогли пережить все катаклизмы и приспособиться к меняющейся среде, а также демонстрирует читателю, что все наше существование стало возможным только благодаря их эволюции, и они – наши истинные предки и настоящие двигатели жизни на Земле.

Как развивалась жизнь на Земле? Первые главы современной истории эволюции жизни на нашей планете были написаны в основном в XIX столетии учеными, изучавшими ископаемые останки животных и растений – останки, которые они могли с легкостью видеть. Наблюдавшиеся ими природные закономерности не учитывали микроорганическую жизнь. Инструментов для обнаружения ископаемых микроорганизмов почти не существовало, и роль их в формировании эволюции Земли не могла быть должным образом оценена.

Когда ученые стали исследовать геологические породы, то были обнаружены ископаемые останки животных. Изучение горных пород привело ученых к мысли о том, какие огромные временные масштабы лежат в зарождении жизни на Земле. Если древнейшие останки находятся на глубине многих метров под другими, сколько времени могло уйти, чтобы сверху отложились такие толщи?

И хотя время возникновения жизни на Земле до сих пор точно не определено, понятно, что развитие жизни на Земле занял очень долгое время. Однако как происходило это развитие? Еще в 1837 году Чарльз Дарвин изобразил генеалогическое древо жизни, в котором выразил радикальную идею о том, что организмы связаны между собой общими предками и что это родство может прослеживаться благодаря сходным чертам в их внешнем виде.

рис 4 - репродукция наброска Дарвина.jpg

Известно, что самыми простыми живыми организмами являются бактерии – организмы, о существовании которых Дарвин, несомненно, знал, однако не включил в свою теорию, так как не имел способов к их изучению.

Charles Darwin in 1881
   Чарльз Дарвин в 1881 г.

Прошло уже много лет со времени публикации книги Чарльза Дарвина «Происхождение видов», но мы так и не знаем, где конкретно зародилась жизнь. Что могло положить ей начало? Как она развивалась? Как бактерии эволюционировали до растений и животных? Ученые прошлого упускали их из виду из-за предвзятости наблюдений. А ведь бактерии существовали на этой планете за миллиарды лет до того, как на ней появилось первое животное. Их открытие было связано с развитием новых технологий и прошло долгий путь – от микроскопа до генного секвенсора современности, способного выполнять анализ генетических последовательностей.

рис 6 - Происхождение видов - издание на английском языке.jpg
«Происхождение видов» Чарльза Дарвина.

Еще в XIV веке в Европе изготавливались линзы для коррекции зрения. В начале XVII столетия двое голландских мастеров, вставив вогнутую и выпуклую линзы внутрь трубы, сконструировали телескоп. После телескопа в скором времени пришло время изобретения и микроскопа. Открытие микроскопического царства произошло в 1665 году, когда Королевское научное общество опубликовало первый общедоступный научный труд под названием «Микрография».

Автором книги был Роберт Гук – энциклопедист и один из основателей Королевского общества. В своей книге Гук предлагал вниманию читателей строение организма блохи, семени тимьяна, глаза муравья, внутреннее устройство губок, микроскопические грибы и мельчайшие «кирпичики», из которых состоят растения. «Микрография» переиздавалась множество раз; она пользуется спросом и сегодня.

рис 7 - Обложка книги Роберта Гука - Микрография.jpg
  «Микрография» Роберт Гук.

Другой любитель микромира – Антон ван Левенгук, голландец из Дельфта, сконструировал более 500 микроскопов. В них он увидел одноклеточные организмы, включая «анималькули» (маленькие зверушки), которые впоследствии стали называться микробами.

рис 8 - рисунок аминалькулей - маленьких животных.jpg
                                          Анималькули.

Это было великое открытие нового мира – микромира. Левенгук зарисовал новую жизнь и записал: «Я увидел огромное множество живых существ в одной капле воды, количеством не менее восьми или десяти тысяч, и в микроскопе они предстали перед моим взором столь же обыденными, каким песок выглядит для невооруженного глаза».

Впоследствии Левенгук занялся описанием различных форм и относительных размеров микробов, обнаруженных им в различных водных средах. Так его простая зарисовка позднее стала основой для систематизации микроорганизмов.

В середине XIX века, благодаря усовершенствованию микроскопов и пытливому уму ученых, интерес к микроорганизмам снова возродился. Одним из таких ученых был Фердинанд Юлиус Кон, который создал классификацию бактерий в их связи с другими организмами. Юлиус Кон также работал над бактериальными заболеваниями растений и животных.

рис 9 - Фердинанд Юлиус Кон.jpg
                                  Фердинанд Юлиус Кон.

Одним из нововведений, внесенных Коном в микробиологию, был способ изоляции отдельных штаммов, то есть генетически однородных вариаций видов микроорганизмов. Он разработал методику выращивания бактерий в жидкой среде с добавлением определенного питательного вещества, побуждавшего тот или иной штамм к быстрому росту.

В 1977 году Карл Везе и Джордж Фокс – биохимики и генетики из Иллинойского университета – сообщили о том, что все живые организмы могут быть разделены на три основные категории в зависимости от вида их внутриклеточных структур, называемых рибосомами. К тому моменту было широко известно, что рибосомы существуют у всех микроорганизмов, однако некоторые организмы не содержат внутри своих клеток структуры, покрытые оболочкой, в то время как у других такие структуры есть.

Еще более важной оказалась очевидная взаимосвязь организмов друг с другом. Поскольку рибосомы имеются у всех организмов, Везе и его коллеги приняли как аксиому мнение о том, что все организмы на Земле являются потомками одного, ныне вымершего общего предка. В 1990 году, основываясь на последовательности нуклеиновых кислот в рибосомах, над которыми он и его коллеги работали несколько лет, Карл Везе нарисовал универсальное филогенетическое древо жизни.

рис 10 - древо жизни Везе.jpg
Карл Везе. Универсальное филогенетическое древо жизни.

Оказалось, что подавляющее большинство живых существ на Земле – это микроорганизмы! Эта базовая структура древа жизни помогла нам понять, что вся ныне существующая на Земле жизнь произошла от одного вымершего микроорганизма. Когда же этот предок мог появиться на Земле?

Одной из областей, где найдены органические останки, является формация Стрелли-Пул в Западной Австралии, содержащая свидетельства существования микроорганизмов в породах возрастом около 3,4 млрд. лет. В случае микроорганизмов лучше всего сохраняются следы липидов – жиров, из которых слагаются оболочки их клеток. Эти молекулярные ископаемые были найдены в породах, сформировавшихся за первые 2,7 млрд. лет существования Земли.

Очень трудно найти более древние породы, которые не были бы переплавлены или изменены и смогли бы благодаря этому сохранить хотя бы какие-то сложные органические соединения. К несчастью, ни рибосомы, ни какие-либо другие нуклеиновые кислоты, ни белки не сохранились в горных породах за прошедшие миллиарды лет. В более молодых образованиях существуют убедительные свидетельства микроорганической жизни. Уже в породах возрастом приблизительно 2,6 млрд. лет имеются ясные, четкие органические останки микроорганизмов и вариации в составе изотопов углерода, азота и серы, являющиеся бесспорным свидетельством наличия в океанах того времени богатой микроорганической жизни.

Как и почему микроорганизму превратились в организованные макроскопические организмы – животных и растений? Появление многоклеточных животных было зафиксировано в геологических породах еще в докембрийский период. Ископаемые этого периода, названные эдиакарской фауной, были найдены в 1957 году в Эдиакарских холмах Южной Австралии, а впоследствии были найдены в нескольких других местах земного шара, включая Белое море в России и Мистейкен-Пойнт на Ньюфаундленде.

Древнейшие ископаемые останки, принадлежащие к эдиакарскому периоду, не имеют очевидной связи с какой-либо из современных форм животной жизни, однако изучение молекулярного состава показывает, что губки, сохранившиеся в геологическом разрезе начиная с кембрия, являются древнейшим из существующих типов животных.

рис 11 – ископаемое в Эдиакарских холмах.jpg

На Земле время от времени случаются катастрофические события, ведущие к массовой гибели целых видов. Однако микроорганизмы спокойно переживают такие катастрофы, потому что инструкции по воспроизводству основных наномеханизмов закодированы в генах. Вычислено, что в любой момент времени на Земле живет приблизительно 1000 000 000 000 000 000 000 000 (т.е. 1024) микроорганизмов. Каждый микроорганизм содержит в себе примерно 10000 генов.

Посредством технологий генного секвенирования и компьютерного анализа людям удалось идентифицировать более 25 миллионов существующих в природе генов, и каждый год добавляются миллионы новых. По приблизительным оценкам, число генов составляет от 60 до 100 миллионов. Биологическое разнообразие организмов имеет критическое значение для переноса генов, кодирующих ключевые, необходимые для поддержания жизни наномеханизмы.

рис 12 – база геномов ДНК.jpg
                                  База геномов ДНК.

Еще в начале 1980-х годов перед биологами была поставлена задача: секвенировать человеческий геном - определить последовательность нуклеотидов, которые составляют ДНК. С тех пор зарождающаяся отрасль молекулярной биологии начала стремительно развиваться. Успехи в этой области привели к тому, что сегодня биологи могут намеренно внедрять гены практически в любой организм по своему выбору.

Теперь стало возможным массовое секвенирование ДНК микроорганизмов в океанах, ледниках, почвах, воздухе, горных породах – практически во всех возможных местах обитания. Уже идентифицированы десятки миллионов новых генов. Эта информация содержит биологический потенциал, который может быть мобилизован с целью выполнения любых поставленных нами задач в области генной инженерии микроорганизмов.

ГЕНОМ. Синтетическая ГЕНОМИКА. Минимальный ГЕНОМ
                                  Технология создания бактерии.

Уже в наше время появилась отдельная научная отрасль – синтетическая биология, посвященная попыткам перестроить метаболизм микроорганизмов так, чтобы они могли служить целям и потребностям человечества: синтезировать белок, найти замену нефтепродуктам. Теперь мы можем сами программировать микроорганизмы. Ученые пытаются перемещать, совершенствовать или блокировать гены с целью заставить микроорганизмы работать на нас без необходимости считаться с естественным отбором.

ГЕНОМ. Синтетическая ГЕНОМИКА. Минимальный ГЕНОМ
Электронная микрофотография синтетической  бактерии.

Одна из отраслей биологической науки сейчас ищет способы конструировать микроорганизмы, направлять обмен веществ и запускать внутри микроорганизмов новые процессы, чтобы добиться от них большей эффективности или придать им новые качества, которых они не имели прежде. Например, создать организм, перерабатывающий пластмассу, или способный нейтрализовать радиоактивные вещества в почве. А может быть удастся разработать альтернативный вид топлива? Будущее покажет, а пока приглашаем всех желающих познакомиться с этими незаметными микроорганизмами и убедиться, какую огромную роль они сыграли в том, чтобы наша планета стала обитаемой. Бактерии – настоящие двигатели жизни, которые сотворили для нашей планеты Чудо – подарили нам Жизнь.

Приятного Вам чтения!

Резник Марина Васильевна,
библиотекарь отдела городского абонемента
Май 2015
kraevushka
Красноярская краевая научная библиотека
САЙТ



Счетчик тИЦ и PR
Разработано LiveJournal.com
Designed by Lilia Ahner