Всем привет)

Продолжаем череду постов об истории Земли)

Бескислородный мир

Великое кислородное событие
Великий симбиоз

И снова возвращаемся в протерозойский эон, охватывающий период от 2500 до 541 млн лет назад. Протерозой - это очень большой отрезок времени, и на его протяжении ход истории Земли то замедлялся, то, наоборот, ускорялся. Так что рассказывать о об этом времени приходится в нескольких постах.

Появление эукариот и окончание гуронского оледенения (примерно 2.1 млрд лет назад) были отнюдь не скучными. Талые воды ледников размывали незащищенную поверхность континентов и несли в мировой океан растворенные минеральные вещества и некоторые токсичные микроэлементы, губительные для многих живых организмов. Вся эта химия накопилась благодаря вулканической деятельности и отравляла большие участки океана. С этим явлением связывают уменьшение концентрации кислорода атмосфере, ведь часть фотосинтезирующих организмов погибла.

Атмосфера тоже была не очень-то гостеприимной. Озонового слоя в современном виде, видимо, еще не было. А следовательно, такие сильные окислители как озон или перекись водорода могли образовываться в приповерхностном слое воздуха и проникать в океан, отчего микроорганизмам жилось несладко. Несмотря на небольшую общую концентрацию кислорода в атмосфере, бороться с токсичным действием его активных форм было необходимо.

В начале протерозоя на Землю все еще изредка падали огромные метеориты. Следы от этих падений заметны из космоса и поныне. Один из таких метеоритов (почти в два раза больше, чем метеорит, упавший на динозавров в конце мелового периода) 2,023 млрд лет назад оставил кратер примерно в 300 км в диаметре и явился причиной образования астроблемы Вредерфорт на территории современной Южной Африки. Можно только гадать какие катаклизмы на планете вызвало это падение.

Примерно в это же время (от ~ 2 до ~ 1.8 млрд лет назад) на территории, которая сейчас находится в районе месторождения Окло в Габоне, возникло уникальное природное явление - естественный ядерный реактор в земной коре. Реактор образовался в результате затопления пористых, богатых ураном пород грунтовыми водами, которые выступили в качестве замедлителей нейтронов. Тепло, выделявшееся в результате реакции, вызывало кипение и испарение воды, что замедляло или останавливало цепную реакцию. После того, как порода охлаждалась и распадались короткоживущие элементы, вода конденсировалась, и реакция возобновлялась. Этот циклический процесс продолжался несколько сотен тысяч лет, а температура в реакторе поднималась до нескольких сотен градусов Цельсия.

Непосредственно "скучным" миллиардом, не без доли иронии, ученые называют промежуток времени между примерно 1800 и 800 млн лет назад, когда вроде бы никаких значительных изменений на планете не происходило. Это был период стабильности, подтвердивший одну эволюционную закономерность. Она гласит примерно следующее: если не меняется окружающая среда, то и организмы, живущие в ней, не спешат меняться.
Несмотря на дрейф континентов, образование и раскол материков, основная масса суши находилась в экваториальной области. Покрытых льдом континентов на полюсах не было, а значит уровень океана был высоким и обеспечивал существование обильных мелководных эпиконтинентальных морей - места основного буйства жизни. Основными его следами, встречающимися в ископаемой летописи, являются окаменелые оболочки микроорганизмов, называемые акритархами.

Некоторые акритархи удается на первый взгляд довольно точно идентифицировать с современными микроорганизмами. Появляются возможные первые редкие свидетельства многоклеточной жизни. Но есть и более объективные закономерности, благодаря которым можно судить, что ко времени примерно 1000-850 млн лет назад, структура планктонных сообществ изменилась и появилось множество одноклеточных эукариотических организмов. Прежде всего, бурно развился фитопланктон. А раз появилось очень много одноклеточных водорослей, то со временем нашлись какие-то, тоже эукариотические, организмы, готовые использовать этот ресурс в качестве пищи. Это были первые возможные хищники в истории Земли. Вследствие этого, одноклеточные водоросли обзавелись шипами и... эволюционная спирать начала раскручиваться все быстрее и быстрее. 

Результатом эволюции одноклеточных эукариот стало бурное развитие продуктивности планктонных сообществ, главным образом, фотосинтезирующих организмов, которые активно изымали углекислый газ из атмосферы. Возник обратный парниковый эффект, усугублявшийся химическим выветриванием. Уровень кислорода в атмосфере повысился, а температура катастрофически упала. 

Земля практически полностью оказалась скована ледяным панцирем. Биогенный круговорот углерода прекратился, почти вся жизнь на планете погибла. Произошла серия самых сильных оледенений за всю историю Земли, и это могло бы привести к полной ее стерилизации, не будь на нашей планете вулканизма.

продолжение следует...

Всем привет и с праздником)

Продолжаем наше путешествие в прошлое. Сегодня будет чуть больше биологии и терминологии, чем обычно :) предыдущие тематические посты:

Бескислородный мир

Великое кислородное событие

Ранее я рассказал об архейском эоне и начале протерозойского - удивительном времени в истории земли, но практически ничего не говорил о первых земных обитателях, откуда они взялись, как жили и как изменялись; о том, какова их роль в жизни нашей планеты, я упомянул лишь вскользь, а без всего этого невозможно будет говорить о следующих этапах истории Земли, так как наша планета и жизнь на ней представляют собой нечто единое, взаимосвязанное.

Я пока пропущу события абиогенеза, теорию рнк-мира, появление первой клетки. Каждое из них нуждается в собственном ретроспективном рассказе. А сейчас у нас на календаре протерозой (около 2.1 млрд лет назад), подходит к концу первое крупное в истории земли оледенение - Гуронское, в атмосфере в свободном доступе появился кислород. На планете главенствуют прокариотические цианобактерии.

Если мы представим многообразие жизни на Земле в виде филогенетического дерева - дерева жизни, - то окажется, что все живые организмы очень рано расходятся на две большие ветви: ветвь бактерий и ветвь, которая содержит такие прокариотические (безъядерные) микроорганизмы, как археи, и она же содержит в себе организмы с ядром (эукариоты). К последним относимся и мы.

Происхождение эукариот - это важнейшие событие в истории жизни на Земле, которое по значимости может уступать лишь непосредственно самому зарождению жизни. Эукариоты возникли, вероятнее всего, непосредственно после Великого кислородного события в результате симбиогенеза нескольких прокариотических организмов. Доказано, что митохондрии появились в результате симбиоза с альфапротеобактериями, а пластиды - это симбиотические циаонбактерии.

По-видимому, приобретение митохондрий (Митохондрии - это особые клеточные органеллы, своего рода, электростанции клетки. Они запасают энергию, синтезируя АТФ, и в них проходит дыхание - окисление органики кислородом с выделением углекислого газа) стало ключевым событием на пути становления эукариот. Все эукариоты аэробны и имеют или ранее имели митохондрии. Первоначально, в условиях низкой концентрации кислорода в атмосфере, основной функцией такого симбионта была защита (в свою очередь, возможность такой защиты возникла, видимо, на основе фотосинтезирующего комплекса у предка митохондрий) от токсичного кислорода, и только намного позже, когда концентрация кислорода в атмосфере увеличилась, митохондрии стали энергетическими станциями клетки.

Интересно, что при сильных травмах, если повреждается мембрана митохондрии, и ее ДНК, имеющая бактериальную природу, оказывается в организме, то иммунная система воспринимает ее как чужеродную. Это может вызвать симптомы сильного воспаления даже при отсутствии инфекции.

Предок будущего ядра и цитоплазмы эукариот вызывает не меньший интерес, чем предки митохондрий. Основываясь на сравнительном исследовании семейств белков, можно предположить, что такой микроорганизм имел архейную природу. Эта догадка получила подтверждение в последнее время, когда из проб дна атлантического океана был выделен геном группы уникальных микроорганизмов, названных локиархеями, занимающих промежуточное положение между археями и эукариотами. Таким образом, эукариоты имеют архейную "сердцевину" и бактериальную "периферию".

Но это еще не все изменения, которые произошли с нашим химерным (имеющим разнородное происхождение) организмом. "Проглотив" будущую митохондрию, клетка обрела два набора разных генов, что потребовало усложнения регуляции их работы. Возможно, что уже на тот момент у предков эукариот было некое подобие ядра. Еще до инкорпорации митохондрии с ее геномом, который частично был перенесен в ядро, предок эукариот "нахватал" массу генетических паразитов - вирусов (возможно даже появление ядра связано с гигантскими симбиотическими вирусами) и мобильных генетических элементов (так появились многочисленные интроны - не кодирующие участки ДНК), которые, как ни странно, тоже пошли во благо. Часть из них стала использоваться для регуляторных целей.

Следует также отметить, что у прокариот геном достаточно экономный. Они не могут позволить себе очень большую, длинную молекулу ДНК, так как чем больше по объему нуклеотидов ДНК, тем больше вероятность возникновения мутаций, и со временем груз вредных мутаций привел бы к безвозвратной утрате генетической информации. У предка эукариот, с его повышенной склонностью к инкорпорированию чужих генов, по-видимому, уже должны были иметься некоторые средства защиты генома от всяческой генетической заразы (а в ходе эволюции развились и новые): это и эффективная система сплайсинга (вырезания интронов из "считанных" с ДНК молекул), и возникшее клеточное ядро, и переход от кольцевой хромосомы к системе линейных хромосом (вероятно, за возможность иметь линейную хромосому эукариоты расплачиваются старением), и, наконец, половое размножение.

Появление сложно устроенной эукариотической клетки стало итогом комплексной эволюции прокариотных сообществ, их долгой интеграции. Оно открыло принципиально новые возможности для дальнейшей эволюции жизни на планете. Сложная регуляция работы генов позволила при одном и том же геноме клетки иметь разнообразное строение, морфологию и функции, что в свою очередь позволило построить многоклеточные организмы с разными типами клеток и тканей, недостижимые для прокариот.

Снова всем привет)

Продолжая тематику предыдущего поста Бескислородный мир, я, насколько у меня получится, попытаюсь рассказать о некоторых дальнейших интересных вехах в истории Земли.

Сегодня мы перенесемся в начало протерозойского эона, который продлился почти 2(!) млрд лет(с около 2.5 млрд лет назад до 541 млн лет назад). Интересно, что в протерозое один год равнялся примерно 450 дням, а один день длился около 20 часов, - еще одна проблема для путешественников во времени)))

Прошлый рассказ закончился на том, что к концу архейского эона(2.5 млрд лет назад) мелководья мирового океана уже кишели микробной жизнью, немаловажным представителем которой были главные в истории Земли терроформирователи - цианобактерии. Но сама планета была далека от идеальных для человека условий.

В архейском эоне площадь суши неуклонно росла и уже в конце архея была куда более значительной, чем прежде. Океанская вода, попадая в недра планеты, способствовала формированию относительно легких гранитов, лежащих подобно легкой пенке на поверхности земной коры, а более тяжелое базальтовое основание погружалось вглубь. С этим связано завершение стратификации недр планеты, когда более тяжелые элементы оказываются глубже более легких. В это же время формируется (в основном из гранитов) континентальная земная кора и стартует современная тектоника плит.

Благодаря формированию новой континентальной коры, вулканизм перешел от преимущественно подводного к преимущественно наземному. Изменился состав поступающих в атмосферу вулканических газов, и в результате сложных геохимических процессов растворенное в воде недоокисленное железо стало все быстрее осаждаться.

Эта цепь явлений имела важнейшее значение для будущего планеты и послужила триггером для так называемого "Великого кислородного события", предпосылки для которого сложились еще на заре архея, когда возникли предки цианобактерий. Великим кислородным событием называют момент в истории Земли, начавшийся в Протерозое примерно 2.45 млрд лет назад, когда уровень кислорода вырос почти с 0% до примерно 1% от нынешнего.

С осаждением железа связаны так называемые полосчатые железные руды или джеспилиты - основной современный источник добычи железа на планете. Они состоят из чередующихся осадочных слоев, бедных и богатых оксидами железа. Такое чередование связывают с сезонностью или с цикличной деятельностью микробов, сначала стремительно развивающихся и активно продуцирующих кислород, благодаря чему получается богатый железом осадок; потом - отравившихся продуктами своей жизнедеятельности и погибших, вследствие чего образуется слой, бедный железом. Примерное количество кислорода, пойманного таким образом в джеспилитовую ловушку, более чем в двадцать раз больше содержащегося сейчас в атмосфере.

Вывод растворенного железа из океанов стимулировал ускоренное накопление кислорода сначала в толще воды, а затем и в атмосфере. Из-за накопления кислорода метан (в то время основной парниковый газ) почти перестает поступать в атмосферу, возникает обратный парниковый эффект. Вероятно, это стало одной из причин первого крупного оледенения в истории Земли - Гуронского.

Гуронское оледенение началось примерно 2,4 млрд лет назад и продлилось около 300 млн лет (огромный промежуток времени). Оно, вместе с изменившимся составом атмосферы, спровоцировало замор большого числа прежних микробных сообществ.

В результате, на сцену вышли те микроорганизмы, которые смогли лучше прочих приспособиться новому сильному яду - кислороду.

продолжение следует...