СДЕЛАЙТЕ СВОИ УРОКИ ЕЩЁ ЭФФЕКТИВНЕЕ, А ЖИЗНЬ СВОБОДНЕЕ
Благодаря готовым учебным материалам для работы в классе и дистанционно
Скидки до 50 % на комплекты
только до
Готовые ключевые этапы урока всегда будут у вас под рукой
Организационный момент
Проверка знаний
Объяснение материала
Закрепление изученного
Итоги урока
Значение кислорода в зарождении и развитии сложной жизни на Земле общеизвестно. Кроме кислорода к «элементам жизни» относят водород, азот, углерод и фосфор. Но есть еще один химический элемент, тесно связанный в геохимическом плане с кислородом, роль которого в биологической эволюции ничуть не меньше. Это железо. Начать хотя бы с того, что свободный кислород в атмосфере Земли появился только после того, как большая часть железа, растворенного в морской воде, окислилась и перешла в нерастворимую форму. Ученые из Великобритании и Франции выдвинули гипотезу, согласно которой образовавшийся при этом дефицит железа стал важным фактором движущей силы эволюции и способствовал появлению и развитию многоклеточных организмов.
Железо — неотъемлемый компонент сложных белковых соединений, без которых невозможно существование живых организмов. Это важный микроэлемент, катализирующий у растений и животных процессы обмена кислородом (то есть дыхание), а также необходимый им для роста и развития.
Несмотря на то, что железо — один из самых распространенных элементов в земной коре, большая часть его находится в недоступной для растений и животных форме. В аэробных средах, таких как почва или море, железо существует в виде трехвалентного железа Fe3+, соединения которого образуют нерастворимые в воде вещества. То есть железа много, но использовать его организмы не могут. В биогеохимии даже есть такой термин — проблема дефицита биодоступного железа.
Считается, что первичное количество железа в составе любой планеты закладывается на этапе планетарной
Важнейшая геохимическая особенность железа — наличие у него нескольких
В середине
Ситуация изменилась коренным образом примерно 2,45 млрд лет назад, когда за короткое с точки зрения истории Земли время (несколько миллионов лет) концентрация кислорода в атмосфере выросла примерно в тысячу раз (но все равно оставалась гораздо ниже современной). Это явление называют Великим кислородным событием (
Однако сразу возникла другая проблема. С появлением свободного кислорода практически исчезло железо в растворимой форме. Гигатонны железа выпали из морской воды в виде нерастворимых соединений Fe3+, которые осели на дно и стали недоступными для развивающихся организмов. По мнению авторов статьи,
По сравнению с современными эукариотами или
Исследователи считают, что конкуренция за железо заставила бактерий и архей выработать новые виды поведения, позволяющие перерабатывать железо из мертвых клеток, красть железо из живых клеток или жить в другой клетке, используя для жизнедеятельности захваченное ею железо. Так появились механизмы
Сегодня на нашей планете известны только два организма, которые обходятся без железа: возбудитель
Почти все современные бактерии и грибы секретируют специальные соединения, обладающие высоким сродством к железу —
Но в конце протерозоя (800–600 млн лет назад) произошел новый резкий скачок содержания кислорода в морской воде, известный как событие
Рис. 2. Изменение концентрации двух- и трехвалентного железа и
Это привело в конце протерозоя к перестройке всех биосистем и появлению многоклеточных организмов. Авторы считают, что предпосылкой для этого стала концентрация обладающих сидерофорами одноклеточных возле богатых железом геологических источников, что привело к «усложнению межклеточных взаимодействий». На смену простого воровства железа — стратегии, которая присутствует до сих пор у некоторых бактерий, способных эффективно поглощать железо своих хозяев, — появилась новая более сложная стратегия симбиотического сотрудничества с использованием общих ресурсов. Характерный пример — богатые железом генерирующие энергию
Клетки, которые не могли сами использовать кислород для генерации энергии, имели серьезные ограничения в возможностях развития. Бактерии же, обладающие сидерофорами, могли это делать. Заключив внутрь себя такие бактерии, клетки получали собственный источник энергии. Одна клетка могла захватить сразу несколько бактерий (так, в специализированных клетках мозга, сердца и мышц современных животных содержатся сотни и даже тысячи митохондрий). Еще большее преимущество в плане использования питательных веществ и выработки энергии, по мнению исследователей, получили агрегаты клеток, собирающиеся вместе и действующие как единые сложные организмы (рис. 3).
Рис. 3. Варианты адаптации одноклеточных к низкой доступности железа. А (простые механизмы) — конкурентное (competition), обманное (cheating) и кооперативное (co-operation) поведение. Секреция сидерофоров позволяет получать железо из минерализованных источников, но также приводит к сложным взаимодействиям между бактериальными клетками и видами, что может способствовать генетической изменчивости. В (сложные механизмы) — эндосимбиоз и появление клеток с митохондриями (endosymbiosis), фагоцитоз или хищничество (phagocytosis), инфекция (infection), многоклеточность, обеспечивающая запуск рециклинга железа (multicellularity). Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS
Авторы допускают, что первые эукариотические многоклеточные организмы могли возникнуть еще в
Увеличение содержания кислорода в морской воде и атмосфере само по себе никак не способствовало развитию многоклеточности. Объединение клеток в многоклеточные агрегаты, действующие как единый организм, нужно было прежде всего для более эффективного использования дефицитных питательных веществ, таких как железо, сера или фосфор (о проблеме биодоступного фосфора на ранней Земле см. новости
Исследователи считают, что распределение и форму нахождения железа в недрах планет можно рассматривать в качестве важной предпосылки их обитаемости и вероятности возникновения сложной жизни. Например, на таких планетах, как
Распределение железа между ядром и мантией планет определяется не только степенью гравитационной дифференциации первичного планетного вещества, но и окислительно-восстановительными условиями их формирования, от которых зависит, какое количество нейтрального железа Fe накопится в ядре, а какое в виде FeO войдет в состав
На Земле же изначально условия для зарождения жизни были оптимальными — присутствовала вода с большим количеством растворенного в ней железа. Поэтому жизнь на Земле зародилась на самых ранних этапах ее геологического развития. Но только когда возник дефицит биодоступного железа, формы жизни начали усложняться.
Источник: Jon Wade, David J. Byrne, Chris J. Ballentine, Hal Drakesmith.
© 2022, Лепунова Светлана Александровна 124