Генетики реконструировали образ жизни последнего общего предка всех живых организмов. Оказалось, что он проводил жизнь у подводных вулканов, окисляя выделяющийся из них водород.

К такому выводу пришли немецкие специалисты из Университета Дюссельдорфа, чья статья опубликована в журнале Nature Microbiology.

Современная эволюционная теория постулирует, что у всех трех групп ныне живущих организмов - бактерий, архей и эукариот - имелся общий предок. В англоязычной литературе его обозначают аббревиатурой «LUCA». Известно, что LUCA хранил генетическую информацию в виде ДНК и запасал энергию в молекулах аденозинтрифосфата. Однако об особенностях его образа жизни до сих пор можно было лишь строить догадки.

Авторы статьи решили восполнить этот пробел, вычислив, какие гены современные организмы могли унаследовать от LUCA. Они проанализировали более 6,1 миллионов генов ныне живущих бактерий. Из 286 000 семейств, к которым относятся эти гены, исследователи выделили 355 наиболее распространенных. Их универсальность может указывать на то, что такие гены имелись у общего предка всех живых организмов.

Выяснилось, что эти 355 генетических семейств не представляют собой чисто случайный набор, а связаны с определенным типомметаболизма. По словам ученых, он был построен на окислении водорода, которое происходило в бескислородных условиях. В наши дни водород выделяют многие бактерии, но в те времена, скорее всего, он имел неорганическое происхождение. Водород мог поступать из гидротермальных источников в океане, рядом с которыми и жил LUCA.

Как отмечают исследователи, LUCA существовал около 4 миллиардов лет назад, когда Земля подвергалась бомбардировке крупными астероидами. Вода в океане периодически вскипала, так что термофильность была этому древнему микробу только на руку. В наши дни схожий образ жизни ведут некоторые метаногенные археи.

Источник: infox.ru

Подимперия: Клеточные организмы

Эволюция клеточных организмов

Появление первых клеточных организмов: более 4 млрд лет назад

Первые простейшие одноклеточные организмы (прокариоты) появились более 4 млрд лет назад. Недавно в самых древних на Земле осадочных породах времен архея, найденных в юго-западной части Гренландии, были обнаружены следы сложных клеточных структур, возраст которых составляет по крайней мере 3,86 млрд лет.

Рис. 1. Колония цианобактерий в фумароле вулкана Дзендзур. Камчатка. (Фото Антоненко А.С., Мир дикой природы)По одной из теорий около 4,1 - 3,6 млрд лет назад во времена эоархейского периода из существовавшего в то время разнообразия одноклеточных живых существ (прокариот) (рис. 1) проживавший тогда первый наш общий предок разделился на несколько ветвей, которые в последствии в свою очередь разделились на ныне существующие царства (животных, растений, грибов, протистов, хромистов, бактерий, архей и вирусов). Со временем остальные жители того периода не выдержали с ними конкуренции и исчезли с лица Земли.

По другой теории - как такового общего предка не существовало, а первые обитавшие в то времы простейшие с помощью горизонтального переноса генов между собой, постояно эволюционировали. Предполагается, что на самых ранних этапах эволюции существовало некое общее генное "коммунальное хозяйство". Картина эволюционных связей в мире предковых прокариот представляла собой не столько дерево, сколько своего рода мицелий с переплетенной сетью горизонтальных переносов в самых разнообразных и неожиданных направлениях. По мере усложнения организмов и развития механизмов полового размножения и репродуктивной изоляции горизонтальный перенос становился более редким явлением (рис. 2). В это же время благодаря вирусам-бактериофагам у бактерий появляется и простейшая имуная система [1].

В это же время произошёл симбиогенез - митохондрии и пластиды в виде существовавших в те времена самостоятельных одноклеточных организмов вошли в состав более крупной клетки став эндосимбионтами. Постепенно они утратили способность к самостоятельному существованию и превратились в органоиды. Развиваясь совместно,  эндосимбионт постепенно оттачивал одно умение — синтез АТФ. Внутренняя клетка уменьшалась в размерах и передавала часть своих второстепенных генов в ядро. Так митохондрии оставили у себя лишь ту часть исходной ДНК, что была им необходима для работы в качестве "живой электростанции" [2].

Рис. 2. Эволюционное дерево отображающее горизонтальный перенос генов

Это привело к появлению в палеопротерозойской эре (более 2 млрд. лет назад) первых эукариотов обладающих ядром и явившихся предками современных животных, растений, протистов и хромистов.

Последующие почти 1,5 млрд лет на нашей планете безукоризненно царствовали одноклеточные организмы, пока в эдикарском периоде около 630 млн. лет назад не появились первые многоклеточные существа. Первоначально в многоклеточные структуры объединялись простейшие хоанофлагеллаты, которые, как полагают, стоят на грани между одноклеточностью и многоклеточностью, образуют зародышеобразные колонии только с помощью бактериального липида, который получают из съеденных бактерий [3]. Следующим щагом было появление в этом же периоде первых настоящих многоклеточных макроогранизмов - эти организмы появились на Земле сразу после Мариноанского оледенения – одной из стадий глобального оледенения, когда нашу планету в течение многих миллионов лет сплошь покрывали льды. Таких необычных форм в природе не появится уже никогда. В основном это мягкотелые организмы, состоящие из отдельных фракталов. Размеры их тела варьировались от одного сантиметра до одного метра. Выглядели они настолько необычно, что долгое время ученые спорили, к какому царству – растений или животных их можно отнести.

Рис. 3. Силурийское мелководьеОколо 480-460 млн лет назад в силурийском периоде на суше появились первые растения (по другим данным это произошло в верхнем кембрии 499-488 млн. лет назад), а еще спустя 50 млн лет в девонском периоде вслед за растениями на сушу вышли и первые животные (хотя существуют некоторые данные, показывающие, что первые сухопутные животные жили в силурийском (рис. 3) или даже вендском периодах). После этого начало бурное развитие всевозможных живых существ потомками, которых являемся и мы [4].

Разделение классификации:

Последний общий предок всех ныне живущих существ на нашей планете обитал 3,6—3,8 млрд лет назад в эоархейскую эру.

Подробнее...

Последний всеобщий предок (также переводится как «Последний универсальный предок») (англ. last universal ancestor, LUA), иначе Последний универсальный общий предок (англ. last universal common ancestor, LUCA) — ближайший общий предок всех ныне живущих на Земле живых организмов. Последний общий предок жил совместно с другими различными обитателями архея предположительно 3,6—3,8 млрд лет назад в эоархейскую эру. Это были уже довольно сложно эволюционированные организмы, его появлению предшествовала долгая эволюция (первая жизнь на нашей планете зародилась более 4 млрд. лет назад во времена катаархея). Предполагается, что все современники последнего всеобщего предка вымерли и до сегодняшнего дня дошло только его генетическое наследство. Или, как было предложено Карлом Вёзе, возможно, никакой из отдельных организмов не может рассматриваться в качестве последнего всеобщего предка, но генетическое наследие всех современных организмов произошло посредством горизонтального переноса генов среди древнего сообщества организмов

Рис. 1. Филогенетическое дерево живых организмов на основе РНК данных и теории Карла Вёзе (википедия)В конце 1970-х годов когда Карл Вёзе предложил трехдоменную классификацию организмов (рис. 1). Полагая, что представители первой из выделенных им групп прокариот могут быть более древними, чем собственно бактерии, Вёзе назвал их архебактериями, или археями. Это утверждение было подкреплено тем, что все известные археи обладали крайне высокой устойчивостью к экстремальным состояниям окружающей среды, таким как высокая солёность, температура и кислотность, и привело некоторых учёных к предположению, что последний всеобщий предок развивался в таких местах, как чёрные курильщики, где такие крайности господствуют поныне. Однако впоследствии он пришёл к выводу о том, что обе группы произошли от общего предка и предложил термин «прогенот» для обозначения примитивной предковой формы. Кроме того, были открыты археи, существующие в менее враждебных средах, на основе чего был сделан вывод, что последний всеобщий предок предпочитал температуры, не превосходящие 50 °C. Теперь многие систематики полагают, что они более тесно связаны с эукариотами и бактериями, хотя это остаётся спорным вопросом.

 Черты присущие последнему общему предку

Трехдоменное филогенетическое дерево жизни. Эукариоты красного, археи - зеленого и бактерии синего цветов (википедия)Черты присущие последнему всеобщему предку сформулированы на основе черт, свойственных всем независимо существующим организмам на Земле.

• Рис. 3. Филогенетическое дерево жизни по трехдоменной системе, показывающее связь между видами, чьи геномы были упорядоченные до 2006г. В самом центре Последний общий предок. Розовый цвет - эукариоты, зеленый - археи и синий - бактерии (википедия)Генетическая информация основана на ДНК.
  1. ДНК состоит из четырёх нуклеотидов (аденин, гуанин, тимин, цитозин).
  2. Генетический код составляют состоящие из трёх нуклеотидов кодоны, образуя 64 различных триплета. Поскольку используется только 20 аминокислот, то разные кодоны кодируют одни и те же аминокислоты. Такое соответствие случайно и существует как среди эукариотов, так и прокариотов. Археи и митохондрии используют похожее кодирование с небольшими отличиями.
  3. ДНК остаётся состоящей из двух нитей благодаря зависимости от шаблона ДНК-полимеразы.
  4. Целостность ДНК обеспечивается группой обслуживающих ферментов, включая топоизомеразу, ДНК-лигазу и другие ферменты репарации ДНК. Помимо этого ДНК защищена связывающими её белками, таким как гистоны.
• Генетическая информация отображается через промежуточные РНК, состоящие из одной нити.
  1. РНК производится зависимой от ДНК РНК-полимеразой с использованием нуклеотидов, сходных с нуклеотидами ДНК, за исключением тимидина ДНК, вместо которого в РНК служит уридин.
• Рис. 4. Филогенетическое дерево объединяющая 5 царств с горизонтальным переносом генов (википедия).Генетическая информация отображается в белки. Все другие свойства организма (такие как синтез липидов или углеводов) — результат работы белков-ферментов.
• Белки собираются из свободных аминокислот, путём трансляции мРНК с помощью рибосом, тРНК и группы родственных белков.
  1. Рибосомы составлены из двух субъединиц, большой и малой.
  2. Каждая субъединица рибосомы включает ядро рибосомных рибонуклеиновых кислот и окружена рибосомными белками.
  3. Молекулы РНК (рРНК и тРНК) играют важную роль в каталитическом действии рибосом.
• Используется только 20 аминокислот, это лишь малая часть от бесчисленного множества нетипичных аминокислот. Используются только L-изомеры.
  1. Аминокислоты должны синтезироваться из глюкозы группой особых ферментов. Направления синтеза являются произвольными и сохраняющимися.
• Возможно использование глюкозы как источника энергии и углерода. Для этого используются D-изомеры.
  1. Гликолиз идёт по пути произвольного расщепления.
• АТФ используется как переносчик энергии.
• Клетка окружена клеточной стенкой состоящей из двойного липидного слоя — грамотрицательного типа.
• Внутри клетки концентрация натрия ниже, а калия — выше, чем снаружи. Отклонение поддерживается особенным ионным насосом.
• Клетка размножается путём репродуцирования всего своего содержания, за чем следует деление клетки.

Империя: Живые организмы

Что такое жизнь? Определение жизни

Вопросы о происхождении жизни, закономерностях исторического развития в различные геологические эпохи всегда интересовали человечество. Понятие жизнь охватывает совокупность всех живых организмов на Земле и условия их существования. Сущность жизни заключается в том, что живые организмы оставляют после себя потомство. Наследственная информация передается из поколения в поколение, организмы саморегулируются и восстанавливаются при воспроизводстве потомства. Жизнь — это особая качественная, наивысшая форма материи, способная, оставляя потомство, к самовоспроизведению.

Понятию жизнь в разных исторических периодах давались различные определения. Первое научно правильное определение дал Ф. Энгельс: "Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел". При прекращении процесса обмена веществ между живыми организмами и окружающей средой белки распадаются, и жизнь исчезает. Опираясь на современные достижения биологической науки, русский ученый М. В. Волькенштейн дал новое определение понятию жизнь: "Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров — белков и нуклеиновых кислот". Это определение не отрицает наличие жизни и на других планетах космического пространства. Жизнь называется открытой системой, на что указывает непрерывный процесс обмена веществ и энергии с окружающей средой. На основании последних научных достижений современной биологической науки дано следующее определение жизни: "Жизнь — это открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы совокупностей живых организмов, построенные из сложных биологических полимеров — белков и нуклеиновых кислот". Основой всего живого считаются нуклеиновые кислоты и белки, так как они функционируют в клетке, образовывают сложные соединения, которые входят в структуру всех живых организмов.

Живые организмы отличаются от неживой природы присущими им свойствами. К характерным свойствам живых организмов относятся: единство химического состава, обмен веществ и энергии, сходство уровней организации. Для живых организмов характерны также размножение, наследственность, изменчивость, рост и развитие, раздражимость, дискретность, саморегуляция, ритмичность и др. 

 Появление живых существ на Земле и их эволюция

Рис. 1. Колония цианобактерий в фумароле вулкана Дзендзур. Камчатка. (Фото Антоненко А.С., Мир дикой природы)Более 4 млрд лет назад на Земле возникла первая жизнь. За это время жизнь прошла большой путь развития, начавшийся спростейших молекулярных  живых растворов появившихся задолго до простейших организмов – каоцерватных капель и заканчивая современными млекопитающими. Параллельно с эволюцией живых существ шла эволюция составляющих их молекул, так первые белки входившие в живые существа обладали более низкой скоростью сворачивания [1].

Первые живые организмы появившиеся на нашей планете не имели ни ДНК, ни даже РНК и обитали в виде живых растворов находившиеся в крошечных полостях, которые часто встречаются в минералах. Роль РНК у первых самовоспровоизводящихся живых обитателей одновременно являвшейся и носителем наследственной информации, и средством её дальнейшего воспроизводства выполняла пептидная нуклеиновая кислота, остовом которой служила цепочка, образованная мономерами N-(2-аминоэтил) глицина (АЭГ) [2, 3]. В дальнейшем произошло её усложнение которое привело к образованию РНК [4]. Через какое-то время эта преджизнь должна была обзавестись собственными оболочками – перейти от доорганизменного уровня к организму. В качестве оболочек этот "живой раствор" использовал каоцерваты состоящие из липтидов [5].

Недавно в самых древних на Земле осадочных породах времен архея, найденных в юго-западной части Гренландии, были обнаружены следы сложных клеточных структур, возраст которых составляет по крайней мере 3,86 млрд лет. 

Рис. 2. Эволюционное дерево отображающее горизонтальный перенос геновПо одной из теорий около 4,1 - 3,6 млрд лет назад во времена эоархейского периода из существовавшего в то время разнообразия одноклеточных живых существ (прокариот) (рис. 1) проживавший тогда первый наш общий предок разделился на несколько ветвей, которые в последствии в свою очередь разделились на ныне существующие царства (животных, растений, грибов, протистов, хромистов, бактерий, архей и вирусов). Со временем остальные жители того периода не выдержали с ними конкуренции и исчезли с лица Земли. [6]

По другой теории - как такового общего предка не существовало, а первые обитавшие в то времы простейшие с помощью горизонтального переноса генов между собой, постояно эволюционировали. Предполагается, что на самых ранних этапах эволюции существовало некое общее генное "коммунальное хозяйство". Картина эволюционных связей в мире предковых прокариот представляла собой не столько дерево, сколько своего рода мицелий с переплетенной сетью горизонтальных переносов в самых разнообразных и неожиданных направлениях. По мере усложнения организмов и развития механизмов полового размножения и репродуктивной изоляции горизонтальный перенос становился более редким явлением (рис. 2) [7].

Примерно в этоже время появляются первые вирусы (рис. 3) [8].

Рис. 3. БактериофагиСледующим этапом эволюции стало появление в палеопротерозойской эре (более 2 млрд. лет назад) первых эукариотов [9] обладающих ядром и явившихся предками современных животных, растений, протистов и хромистов.

Последующие почти 1,5 млрд лет на нашей планете безукоризненно царствовали одноклеточные организмы, пока в эдикарском периоде около 630 млн. лет назад не появились первые многоклеточные существа.   Таких необычных форм в природе не появится уже никогда. В основном это мягкотелые организмы, состоящие из отдельных фракталов. Размеры их тела варьировались от одного сантиметра до одного метра. Выглядели они настолько необычно, что долгое время ученые спорили, к какому царству – растений или животных их можно отнести [10].

Рис. 4. Силурийское мелководьеОколо 480-460 млн лет назад в силурийском периоде на суше появидись первые растения [11] (по некоторым данным в верхнем кембрии 499-488 млн лет назад [12]), а еще спустя 50 млн лет в девонском периоде вслед за растениями на сушу вышли и первые животные [13] (хотя существуют некоторые данные, показывающие, что первые сухопутные животные жили в силурийском (рис. 4) или даже вендском периодах [14]). После этого начало бурное развитие всевозможных живых существ потомками которых ясляемся и мы.

Разнообразие видов живых существ

Сейчас, по наиболее точным оценкам, насчитывается около 1,6 миллиона живущих видов. Из них 860 000 составляют насекомые, 350 000 — растения, 8600 — птицы и только 3200 — млекопитающие. Большая часть остальных видов, около 300 000, относится к морским беспозвоночным. Общее количество — 1,5 миллиона — включает только те виды, описания которых были опубликованы учеными. Считается, что в несколько раз большее количество видов еще не описано. По прикидкам некоторых ученых, в настоящее время существуют около 8,7 миллиона видов эукариотических организмов (плюм-минус 1,3 млн). В это число не входят вымершие виды, известные только в виде ископаемых остатков. Основываясь на количестве уже описанных ископаемых видов, общее количество вымерших – обитавших когда-либо на протяжении более трех миллиардов лет существования жизни на Земле, оценивают в пределах от 50 миллионов до 4 миллиардов.

По расчётам ученых, в Мировом океане обитает 2,2 млн видов, на суше — 6,5 млн. Животных на планете всего около 7,77 млн видов, грибов — 611 тыс., растений — 300 тыс. При этом растениям повезло больше всего: из них описано 72% видов, тогда как животных — 12%, грибов — только 7%. [15]

 Табл.1. Количество видов обитающих на нашей планете

Несмотря на то, что сейчас живет такое многообразие живых существ, за последнее время деятельность человека привела к существенному их уменьшению. Так, например, за последние сто лет на Земле вымерло в результате деятельности человека около пятой части видов живых существ (только 2005-2010 гг. с лица Земли исчезло около 1000 видов), а площадь лесов сократилась вдвое, уменьшаясь каждую минуту примерно на 20 гектаров. 

Разделение классификации:

Антоненко А.С.