Introducere toată viața de pe pământ

Pe plan extern, la animale multicelulare pot avea puține în comun cu, să zicem, de ciuperci. Dar dacă te uiți sub microscop electronic, descoperim că între noi nu există aproape nici o diferență. Toate dintre noi sunt formate din celule. Toate celulele sunt înconjurate de o membrană lipidică. Toate acestea sunt deservite de proteine ​​sau ARN codificate în ADN dublu helix. În cele din urmă, toată viața este la fel produce energie. Aceste proprietăți indică faptul că toate formele cunoscute de viață au avut un strămoș comun, de asemenea, cunoscut sub numele de LUCA (ultimul strămoș comun universal).

De ce strămoș - generale

Viața este probabil originea de multe ori. Poate - milioane de ori. Dar numai o dată originea vieții a fost atât de mult succes încât a dat naștere la tot soiul de animale sălbatice pe care îl vedem astăzi. Acest incident izolat - doar LUCA.

Ideea că toată viața vine de la un singur organism, de obicei atribuit lui Charles Darwin, care a văzut-o ca concluzia logică a teoriei sale de evoluție. Este clar că strămoșul comun al nici Darwin, nici oricine altcineva a văzut sau aproape niciodată vezi - vorbim despre o creatură, vag amintind de bacterii și nu știu unde a trăit în urmă cu aproximativ 3,5 miliarde de ani.

Studiile strămoșul comun sunt, de obicei, organizate în conformitate cu aceeași schemă ca noi să ne comparăm cu restul (bacterii, Archaea, plante) și să încerce să înțeleagă ce elemente ale dispozitivelor noastre sunt universale și, prin urmare, au o origine comună.

De exemplu, aproape toți oamenii de știință sunt convinși că LUCA era o celulă. În primul rând, viața fără celule astăzi, noi pur și simplu nu știu. În al doilea rând, este foarte dificil de imaginat. Viața a început în ocean. Ocean - o masă incredibil de mare de apă. Nu contează cât de moleculele nu pare mult mai activ, „viabilitate“, concentrarea lor în ocean este practic zero. Pentru aceste molecule au început să reacționeze între ele în mod eficient, acestea trebuie să fie plasate într-un spațiu închis - de exemplu, o celulă înconjurată de un înveliș lipidic sau membrană. Membrana este considerată a fi una dintre proprietățile fundamentale ale vieții - și, prin urmare, una dintre caracteristicile distinctive ale strămoșul nostru comun.

În plus față de membrana, moleculele necesare pentru viață, care știu cum să joace - fie ei înșiși, fie prin alte molecule. Astăzi, cel mai cunoscut o astfel de moleculă - un ADN. Dar, mai întâi de auto-molecule de reproducere, „viu“, care a avut loc în cele din urmă LUCA, au fost ARN. Unii oameni de știință sugerează chiar că ADN-ul de la LUCA nu exista - ea a apărut în descendenții săi, indiferent. Oricum, genomului de auto-replicare - ADN sau ARN - strămoșul comun a fost exact.

În cele din urmă, viața are nevoie de hrană. Numai consumatoare de energie pot fi create dintr-un sistem mai puțin ordonat mai ordonată, adică are o entropie mai mică. Ce a mâncat ultimul strămoș comun de viață?

ARN - molecula vieții

Cum știm că viața a început cu ARN?

În primul rând, ARN-urile codifică proteine ​​- baza de celule moderne - dar nu și invers. Mai mult, ribozom - masina moleculara „decodificare“ ARN în proteină - ARN constă în principal dintr-un tip special. Aceasta este, teoretic, ARN-ul este destul de auto-suficienta.

În al doilea rând, ARN-ul poate evolua - a fost mult timp dovedit experimental. Secvența catena de ARN într-un tub de testare se va schimba în mod aleatoriu - în cazul în care într-un fel de a selecta „bun“ schimbare, pentru a primi o completă și evoluția observată.

În al treilea rând, ARN, spre deosebire de ADN, molecula destul de activ. Se poate cataliza reacții - aproape ca proteina este realizată în celula modernă aproape toate funcțiile. Este posibil, de exemplu, pentru a crea în mod artificial ARN-ului, care va fi exact în sine copiat fără dispozitive suplimentare.

Aproape toate moleculele care alcătuiesc lucrurile vii, care lucrează la același combustibil: acidul adenodintrifosfornoy, sau ATP. Pentru a exista, celula - cea mai importantă a unității universale a celor vii - aveți nevoie pentru a produce în mod constant această substanță. Acest lucru necesită energie din exterior.

Sursa de energie poate varia. Plantele absorb-l de lumina soarelui. alimente pentru animale este digerata - biocombustibili. Unele bacterii sunt mulțumiți cu combustibil mineral. Dar etapa finală - ATP întotdeauna de producție. Un ATP-ul produs în toate formele cunoscute de viață a acestora - prin intermediul turbinei moleculare untwisted (literalmente) fluxul de ioni. Cel mai frecvent utilizat ion detorsiunii proton.

Proton sau ioni de hidrogen - este cea mai simplă particulă încărcată pozitiv, care împreună cu ionul hidroxil încărcată negativ este o moleculă de apă. Un procent mic de molecule de apă tot timpul în starea divizat: protonul este separat de ionii hidroxil. In protoni apa pura la fel de mult de hidroxili. La adăugarea acidului devine mai protoni. Alkali, dimpotrivă, se adaugă la soluția hidroxil.

Imaginați-vă că în apă se află unele microscopice, dar creația foarte inteligent, care este capabil să distingă protoni de ioni hidroxil. Fizica unor astfel de ființe ipotetice numite demoni - ale noastre, de exemplu, este foarte amintește de celebrul demon lui Maxwell. Acest demon subacvatic apucă protoni și forță împinge-le într-o pungă. Protonii sac devine mai mare decât hidroxili - apa este transformată în acid. Dacă vom face acum o gaură în punga cu mărimea unui proton, cele cu jet Welling din sac: o concentrație ridicată de o concentrație scăzută. Adică, diferențial - sau gradient de concentrație de protoni conține energie, la fel ca apa, turbina hidroelectrică rotative.

De unde provine această energie?

În acest exemplu, sursa de energie - demon, să facă eforturi pentru a sorta protoni și hidroxili. Energia este stocată într-un sac și este eliberat, în cazul în care face o gaură. Dacă acest truc, puteți colecta această energie - cum se colectează CHE, care a fost construit pe râul - și de a face cu ea ceva util. În acest fel, în urmă cu câteva miliarde de ani, strămoșii tuturor lucrurilor vii învățat să producă ATP: au venit cu o turbină, a cărei rotație alimentat sinteza moleculei de energie. Dar ce se întâmplă dacă nu un demon magie, creează un gradient de protoni, necesar pentru sinteza ATP-ului?

Care a venit mai întâi: tigaie sau supa?

organisme moderne produc gradienți ei înșiși. Este întotdeauna același model: protonii sunt pompat undeva (sau în altă parte pompat) cu pompa de proteine ​​speciale, care cheltui această energie din produsele alimentare sau, de exemplu, lumina soarelui. Pompele sunt introduse în membrana impermeabilă la protoni - din cauza aceasta ei nu pot doar să se infiltreze înapoi. Ca urmare, pe de o parte a protonului membrana devine mult, pe de altă parte - un pic la fel ca în exemplul de un demon și un sac. „Proton Gateway“ - o gaură în sac - deschis și protonii graba înapoi de unde au fost mic, filare turbina si generarea de ATP. Ne-am intampla in mitocondrie, în plante fotosintetice - cloroplaste, bacterii - pe membrana celulelor lor proprii. Dar în mod artificial generat ioni versatil cu gradient.

Dacă ceva este universal - baza teoriei evoluției, cel mai probabil, a fost și au un strămoș comun. Este dificil să ne imaginăm că un astfel de sistem de stocare a energiei și de extracție similare au apărut în mod independent, în toate împărățiile de viață. LUCA a fost în gradienți înainte de a utiliza pe deplin pus bazele pentru cele două ramuri principale ale evoluției: bacterii și arheo.

Dar există un paradox aici, care timp de mai mulți ani a fost lăsat evoluționiști și biochimisti.

În ultimii ani, clasic copac „triplu“ evolutiv a fost modificat. Astăzi, cei mai mulți oameni de știință cred că eucariotele au avut loc prin fuziunea Archaea și bacterii. În plus, nu faptul că un copac evoluție timpurie clară, în principiu, este posibil de a construi: mai probabil, între primii organisme, a existat un schimb constant orizontal de gene care dilueaza și complică conceptul de specii, și chiar domeniu.

Una dintre principalele diferențe dintre bacterii moderne si Archaea - aceasta este structura membranelor lor. In ambele domenii sau domenii, membranele celulare sunt compuse din lipide, dar aceste lipide difera chimic puternic. Proteinele sunt compuse din membrane este, de asemenea, foarte diferite - cum ar fi doar cea mai rară și cea mai veche a moleculei ca aceeași „turbine de protoni“, care este, la toate. Conform logicii evoluției, aceasta ar însemna că compoziția și structura membranelor din bacterii si Archaea, formate după separare. Un gradient, așa cum am descoperit, au fost înainte de separare. Dar pentru gradientilor nevoie de pompe cu membrana si proteine! Cum ar putea întâmpla ca stramosul comun deja „mâncat“ gradienți, dar nu au putut încă „gata“?

Răspunsul poate consta în faptul că degradeuri de protoni celulele vechi nu au fost produse. Ei au mai degrabă absorbit din mediul extern.

Râul Acid și pompa care a schimbat totul

Un grup de oameni de știință britanici condus de Nika Leyna (Nick Lane) oferă următoarea explicație. În conformitate cu cele mai comune versiune, originea vieții pe adâncurile oceanului aproape de izvoarele termale subacvatice. In acest mediu, picăturile de concentrare de protoni poate fi format într-un mod natural: mediul alcalin aproape roci sedimentare produse sursă fierbinte lin în straturile ușor acide mare medie. Dacă obțineți exact la granița mediului acid și alcalin, poate fi utilizat. Pe de o parte, vor exista mai mulți protoni, pe de altă parte - mai puțin. Picătură - înseamnă „flux“. Pentru - înseamnă „energie“. Lane și colegii săi cred că acest lucru este modul în care presupusul strămoșul nostru introdus pentru prima dată ideea de a transforma un gradient de concentrație în energie utilă - pe naturale turbinei „râu“ protoni ATP-sintetizare a fost construit.

Din acest model, există mai multe consecințe. În primul rând, nu este nevoie de pompe: gradientul de protoni generat de la sine datorită scăderii acidității. În al doilea rând, pentru a profita de acest gradient membrana celulelor trebuie să fie ușor permeabile la protoni - sau picătură în concentrația lor nu se ridică problema. Asta este, „sac“ pentru a fi plin de găuri. În al treilea rând, ar trebui să fie fixat cușcă în cazul în care se mișcă cu un bun de locuri „degrade“, gradientul nu va fi, și în cazul în care membrana este ușor permeabilă, „transporta un gradient cu un“ nu primesc - protonii se va muta pur și simplu în mod liber între celulă și mediul extern .

Atunci, cum stramosii de bacterii si Archaea au învățat să trăiască departe de a salva izvoarele termale? Lane și colegii săi cred că rolul principal în acest lucru a fost jucat de apariția pompei de protoni-sodiu. Această proteină de membrană care face schimb de protoni pentru o cantitate egală de ioni de sodiu. Aceasta este, gradientul de protoni al pompei de protoni-sodiu „natural“ poate fi transformat în gradient de sodiu „artificial“. Avantajul acestei metode constă în faptul că, prin tragere „neetanș“ sodiu membrană este mult mai greu decât un proton. Ie gradient de concentrație de sodiu „salvat“ este mai bună decât gradientul concentrației de protoni.

Pompe, creând un gradient de protoni în mod artificial, nu ar putea apărea atunci când ele însele o membrană neetanșe: ei pur și simplu nu ar avea sens. Dacă membrana este plină de găuri, așa cum se arată de către grupul de matematică Lane, pompele nu dau nici un avantaj. Dar, se adaugă „schimbător“ - protoni in sodiu - gradientul de acumulare devine mult mai eficientă și beneficii semnificative apare în pompe.

Ce se întâmplă în continuare? Celula continuă să evolueze. Eficiența timpului pompei, apoi, treptat, ei vor deveni mai mult și mai mult - atâta timp cât este benefic. Odată ce există un „schimbător“ proton-sodiu - mijloace, toate acumulate pot transporta. Necesitatea unui gradient de „natural“ dispare: celula bateriei devine. În același timp, eliminând necesitatea unei membrane neetanșe - pe membrana contrar, durabile, care păstrează gradienți mai bine. Odată membrana devine solidă și se oprește să treacă protoni în scaunul fierbinte al sursei este pierdut sensul.

Total, protonice-sodiu „schimbător“, potrivit Nika Leyna, aspectul său a provocat o reacție în lanț de schimbare evolutivă, rezultatele cărora încă purtate pe jumătate de celulă, dependentă complet de izvoarele termale, au devenit cărpănos și cercetare vizionar adâncimi ocean - și în cele din urmă în toată diversitatea naturii contemporane. A fost după un „schimbător“, cercetatorii au spus, a existat o diviziune de bacterii si Archaea - cele două ramuri principale ale evoluției timpurie. Membrana lor „întărită“ în moduri diferite - dar loialitatea față de gradienții de ioni ca etapa finală a puterii de procesare pentru a păstra ambele grupuri.

Disputele despre LUCA biologie - strabunicul tuturor formelor de viață - este puțin probabil să fie rezolvate niciodată date clare. corp Pradedushkino putrezite peste miliarde de ani - dar spiritul său trăiește. Corpul nostru este încă codificată în secvența de nucleotide. Acesta încă este format din celule. Am învățat cum de a extrage energie din sandwich-uri - dar, în scopul de a învăța, vom continua să organizăm în fiecare celulă a arcului fierbinte vechi.