Серия «Природа»

13

Исследование: атмосфера Земли вернется к докислородному периоду

В настоящее время жизнь на нашей богатой кислородом планете процветает, но так будет не всегда. Ученые предсказывают, что Землю ждут кардинальные атмосферные изменения — те, что приведут к вымиранию большинства форм жизни, включая человечество.

© <!--noindex--><a href="https://pikabu.ru/story/issledovanie_atmosfera_zemli_vernetsya_k_dokislorodnomu_periodu_13064677?u=http%3A%2F%2Fhemisgalerie.com&t=hemisgalerie.com&h=4093d0c1201837ba43b396d06571b8f01f0a8dbf" title="http://hemisgalerie.com" target="_blank" rel="nofollow noopener">hemisgalerie.com</a><!--/noindex-->

© hemisgalerie.com

Великое кислородное событие

Несмотря на запредельную важность кислорода для нашего существования, его присутствие в земной атмосфере — относительно недавняя особенность в долгой и богатой событиями истории нашей планеты. До Великого кислородного события (ВКС), произошедшего около 2,4 миллиарда лет назад, на Земле было крайне мало кислорода. В то время в богатой метаном атмосфере планеты и насыщенных железом океанах процветали анаэробные формы жизни. Железа в наших океанах было настолько много, что они имели ярко-зеленый цвет вместо привычного нам сине-голубого. Появление цианобактерий, способных к фотосинтезу, привело к увеличению выработки кислорода в океанах, откуда он поступал в атмосферу. С наступлением ВКС жизнь на Земле кардинально изменилась.

Авторы исследования считают, что в конечном итоге атмосфера Земли вернется к этому древнему состоянию, снова став бедной кислородом и богатой метаном. Ученые также прогнозируют, что эта трансформация произойдет задолго до того, как вся поверхностная вода испарится из-за возросшего солнечного излучения. Так что наша планета может стать непригодной для жизни людей и большинства других сложных форм жизни намного быстрее, чем предполагалось ранее.

Трансформация атмосферы

Так почему же это должно произойти? Связано это с тем, что наше Солнце стареет, становясь ярче и горячее. Из-за этого постепенно будет усиливаться распад углекислого газа в нашей атмосфере, который критически необходим для фотосинтеза. Это в конечном итоге приведет к сокращению количества растений, производящих кислород, и, таким образом, положит конец жизни на Земле в ее привычном виде.

Исследователи прогнозируют падение уровня кислорода в миллион раз ниже сегодняшнего. Изменения будут происходить настолько стремительно по геологическим меркам, что у кислородозависимых организмов и целых экосистем, зависящих от аэробной жизни, не будет времени на адаптацию.

© <!--noindex--><a href="https://pikabu.ru/story/issledovanie_atmosfera_zemli_vernetsya_k_dokislorodnomu_periodu_13064677?u=http%3A%2F%2Fpinterest.com&t=pinterest.com&h=2ff2c69448f2e8e1907ad321a6afe8f2b378d982" title="http://pinterest.com" target="_blank" rel="nofollow noopener">pinterest.com</a><!--/noindex-->

© pinterest.com

Несмотря на это, микробная жизнь, как ожидается, выживет. Земля будущего окажется под властью анаэробных организмов — бактерий и архей, которые чувствуют себя замечательно в бескислородной среде и в условиях экстремальных температур. Эти простейшие существовали задолго до ВКС, существуют сегодня и, вероятно, продолжат процветать после исчезновения кислорода.

Согласно прогнозу ученых, у нас в запасе примерно один миллиард лет — достаточно времени, чтобы найти новый дом для нашего вида (если человечество все еще будет существовать, конечно). Колонизация других планет, создание искусственных биосфер или даже поиск способов продлить пригодность Земли для жизни — все это вызовы, с которыми столкнется научное сообщество будущего.

Да, конец кислородной эпохи означает гибель для большинства форм жизни на Земле в том виде, в каком мы ее знаем. Однако это лишь продолжение истории постоянно меняющейся планеты, на которой уже неоднократно происходили массовые вымирания. Земля, непременно, выстоит, но продолжит свое существование во мраке Вселенной без нас.

Читайте также:

Показать полностью 2
17

Биолюминесцентный планктон

Биолюминесцентный планктон, в частности динофлагелляты вида Ночесветка (лат. Noctiluca scintillans), создает одно из самых впечатляющих природных световых шоу на планете, заставляя океанские волны светиться голубым цветом ночью.

© <!--noindex--><a href="https://pikabu.ru/story/biolyuminestsentnyiy_plankton_12696029?u=http%3A%2F%2Fpinterest.com&t=pinterest.com&h=2ff2c69448f2e8e1907ad321a6afe8f2b378d982" title="http://pinterest.com" target="_blank" rel="nofollow noopener">pinterest.com</a><!--/noindex-->

© pinterest.com

Это свечение – не просто красивое зрелище, а сложный защитный механизм. Когда хищник пытается съесть планктон, вспышка света привлекает более крупных хищников, которые могут атаковать первоначального агрессора.

Люминесценция производится благодаря химической реакции между белком люциферином и ферментом люциферазой в присутствии кислорода. При механическом воздействии ионы кальция запускают эту реакцию, что объясняет, почему планктон светится при движении волн или проплывающей лодки.

Интенсивность свечения служит индикатором здоровья морской экосистемы. Исследования показывают, что чрезмерное использование удобрений и изменение климата влияют на численность и биолюминесцентные способности планктона, делая это явление своеобразным биоиндикатором состояния океана.

Читайте также: Термофилы: жизнь на грани кипения.

Показать полностью 1
11

Мирмекохория

Мирмекохория — это удивительная форма симбиоза, при которой растения используют муравьев для распространения своих семян. Более 11 000 видов растений полагаются на этих маленьких, но трудолюбивых насекомых, чтобы обеспечить выживание своего потомства.

Мирмекохория

Как это работает?

Растения производят семена с особыми питательными придатками, богатыми жирами и белками. Эти придатки, называемые элайосомами, привлекают муравьев, которые уносят семена в свои колонии.

Для муравьев элайосомы служат ценным источником пищи. Сами же семена остаются нетронутыми, так как муравьи съедают только придаток. Кроме того, они оказываются в идеальных условиях для прорастания — в питательной почве, защищенные от хищников, засухи и холодов.

Мирмекохория играет важную роль в экосистемах, способствуя распространению растений и поддержанию биоразнообразия. Это еще один пример того, как природа создает сложные и взаимовыгодные связи между видами.

Показать полностью 1
10

Почему мы до сих пор не создали искусственную жизнь?

Казалось бы, человечество достигло впечатляющих высот в науке: мы редактируем геномы, создаем искусственные органы, программируем сложные нейросети. Но до сих пор не можем создать самую простую живую клетку "с нуля". В чем же проблема?

© <!--noindex--><a href="https://pikabu.ru/story/pochemu_myi_do_sikh_por_ne_sozdali_iskusstvennuyu_zhizn_12200198?u=http%3A%2F%2Falleninstitute.org&t=alleninstitute.org&h=410f873615516b07d587c1debfbfa167cd61ef0a" title="http://alleninstitute.org" target="_blank" rel="nofollow noopener">alleninstitute.org</a><!--/noindex-->

© alleninstitute.org

На самом деле, ученые достигли впечатляющих результатов в этом направлении. Но чтобы понять, насколько мы близки к созданию искусственной жизни, нужно разобраться в том, что уже удалось сделать и с какими фундаментальными сложностями мы столкнулись.

Что мы уже умеем?

Синтетическая биология

В 2010 году команда генетиков, возглавляемая Крейгом Вентером, создала первую бактерию с полностью синтетическим геномом*, которой было дано имя Синтия (англ. Cynthia). Ученые собрали ДНК по заданной последовательности и вставили ее в живую клетку, из которой удалили родную ДНК. Бактерия ожила и начала размножаться. Но важно понимать - это не создание жизни "с нуля", а скорее "пересадка мозга" в уже существующую клетку.

*Геном — совокупность наследственного материала, заключенного в клетке организма.

Протоклетки

Ученые научились получать простейшие "клеточноподобные" структуры, названные протоклетками. По сути, это микроскопические пузырьки из липидов (группа биологических соединений, растворимых в органических растворителях и нерастворимых в воде), имитирующие оболочку живой клетки. Внутрь протоклеток исследователи встраивают искусственные органеллы и различные биологические молекулы, чтобы наделить их свойствами, присущими настоящим клеткам.

© <!--noindex--><a href="https://pikabu.ru/story/pochemu_myi_do_sikh_por_ne_sozdali_iskusstvennuyu_zhizn_12200198?u=http%3A%2F%2Fcosmosmagazine.com&t=cosmosmagazine.com&h=05c9f79cfea846380238259a0db3227b86986525" title="http://cosmosmagazine.com" target="_blank" rel="nofollow noopener">cosmosmagazine.com</a><!--/noindex-->

© cosmosmagazine.com

Так, мембрану протоклеток ученые снабжают белками-переносчиками, способными прокачивать вещества внутрь и наружу, как это происходит в живых клетках. А в 2024 году исследователям из Университета Базеля и Университета Гронингена удалось создать систему протоклеток, способных к примитивной межклеточной коммуникации, имитирующей работу фоторецепторов глаза. Синтетические протоклетки могли обмениваться "сигнальными" молекулами и реагировать на свет.

Но до создания полноценной синтетической клетки еще далеко. Пока протоклеткам не хватает самого главного — собственного генома из ДНК или РНК, который позволил бы им расти, делиться и производить себе подобных.

В чем главная сложность создания искусственной жизни?

Самовоспроизведение

Одно из главных свойств живого - способность к самовоспроизведению. Даже простейшая бактерия - это невероятно сложный механизм, где тысячи молекул работают совместно, создавая копии самих себя. Воссоздать эту систему "с нуля" пока что выше наших возможностей.

Энергетический обмен

Живые клетки получают и используют энергию через сложнейшую и идеально настроенную систему биохимических реакций. Создать работающую энергетическую систему клетки - отдельная грандиозная задача для современной науки.

© <!--noindex--><a href="https://pikabu.ru/story/pochemu_myi_do_sikh_por_ne_sozdali_iskusstvennuyu_zhizn_12200198?u=http%3A%2F%2Fpinterest.com&t=pinterest.com&h=2ff2c69448f2e8e1907ad321a6afe8f2b378d982" title="http://pinterest.com" target="_blank" rel="nofollow noopener">pinterest.com</a><!--/noindex-->

© pinterest.com

Информационная система

ДНК хранит генетическую информацию, РНК считывает ее и служит матрицей для синтеза белков, которые выполняют большинство функций в клетке, и вся эта система настолько взаимосвязана, что невозможно создать одну ее часть без других — нужно сразу создавать всю систему целиком. Это, как вы могли догадаться, пока что точно за пределами наших возможностей.

Подводя итоги

Итак, мы все еще очень далеки от создания живой клетки "с нуля". Но человечество научилось:

  • Создавать синтетические геномы;

  • Модифицировать существующие организмы;

  • Собирать простейшие протоклетки;

  • Объединять протоклетки в системы, способные к примитивной коммуникации друг с другом.

Сегодня мы находимся на пороге новых открытий в области создания искусственной жизни. Возможно, решение придет с неожиданной стороны - не через копирование существующих форм жизни, а через принципиально новые подходы. И первая истинно искусственная форма жизни может оказаться чем-то совершенно иным, выходящим за рамки наших текущих представлений о живом.

Читайте также:

Показать полностью 3
9

Подземная сеть: как деревья обмениваются информацией и ресурсами

Деревья — настоящие гении коммуникации. Под слоем почвы они создают удивительную сеть, которую ученые назвали "Древесная Паутина" (англ. Wood Wide Web). Эта сложная подземная система состоит из грибных нитей — микоризы, соединяющей корни разных деревьев.

Подземная сеть: как деревья обмениваются информацией и ресурсами

Через эту сеть деревья обмениваются питательными веществами, водой и даже информацией. Например, когда одно дерево атакуют вредители, оно отправляет химические сигналы, которые по грибным нитям передаются соседним деревьям. Получив такой сигнал, они заранее усиливают свою защиту.

Особенно интересно, что старые, крупные деревья, которые ученые называют "материнскими", активно поддерживают молодые саженцы через эту сеть. Они делятся с ними питательными веществами, помогая выжить в тени и окрепнуть. Это настоящая забота, напоминающая отношения в семье.

Показать полностью 1
10

Насколько высоким может быть дерево?

Глядя на гигантские многовековые секвойи высотой более 100 метров, сложно представить, что даже у таких исполинов есть свой природный потолок роста. Тем не менее деревья не могут расти бесконечно вверх — этому препятствуют несколько фундаментальных физических факторов.

© <!--noindex--><a href="https://pikabu.ru/story/naskolko_vyisokim_mozhet_byit_derevo_12171959?u=http%3A%2F%2Fpinterest.com&t=pinterest.com&h=2ff2c69448f2e8e1907ad321a6afe8f2b378d982" title="http://pinterest.com" target="_blank" rel="nofollow noopener">pinterest.com</a><!--/noindex-->

© pinterest.com

Главное ограничение — гравитация и ее влияние на подъем воды. Дерево можно представить как природный насос, который должен поднимать воду с питательными веществами от корней до листьев, расположенных на самой вершине. Чем выше поднимается вода, тем большее давление требуется для ее подъема.

Механизм подъема воды в деревьях основан на явлении, которое ученые называют транспирацией. Когда вода испаряется из листьев, в проводящих тканях ствола создается значительный градиент давления, обеспечивающий движение воды вверх. Однако у этого процесса есть свой предел — около 130 метров высоты. При большей высоте происходит нарушение целостности водного потока из-за кавитации, что приводит к прекращению водоснабжения верхних частей дерева. Другими словами, на большей высоте природная система транспортировки воды перестает работать эффективно, что делает дальнейший рост дерева невозможным.

© <!--noindex--><a href="https://pikabu.ru/story/naskolko_vyisokim_mozhet_byit_derevo_12171959?u=http%3A%2F%2Ffreepik.com&t=freepik.com&h=85db536b86aca028ae7e6f514b8f842dbac0a505" title="http://freepik.com" target="_blank" rel="nofollow noopener">freepik.com</a><!--/noindex-->

© freepik.com

Второй важный фактор — необходимость поддерживать механическую стабильность. С увеличением высоты дерево должно становиться все более массивным у основания, чтобы противостоять ветрам и удерживать собственный вес. Это требует огромных затрат энергии и ресурсов, которые могли бы пойти на рост вверх.

Интересно, что самое высокое из ныне живущих деревьев — 800-летний гиперион, представитель вида секвойи вечнозеленой (лат. Sequoia sempervirens). Гигант достигает высоты в 115,92 метра, что близко к тому пределу, который определяют физические законы.

Гиперион — высочайшее дерево на Земле, проживающее в национальном парке Редвуд, Калифорния / © <!--noindex--><a href="https://pikabu.ru/story/naskolko_vyisokim_mozhet_byit_derevo_12171959?u=http%3A%2F%2Freddit.com&t=reddit.com&h=200454e4ba6d2f6af5eb2b3fd3a256d0ec2af362" title="http://reddit.com" target="_blank" rel="nofollow noopener">reddit.com</a><!--/noindex-->

Гиперион — высочайшее дерево на Земле, проживающее в национальном парке Редвуд, Калифорния / © reddit.com

На протяжении миллионов лет эволюции деревья развивались, стремясь к максимально возможной высоте, позволяющей получать больше солнечного света. Благодаря этому высокие деревья выработали ряд удивительных приспособлений для борьбы с гравитацией. Например, в верхней части ствола их клетки имеют меньший диаметр и более плотные стенки, что помогает поддерживать необходимое давление воды. А их корневая система может распространяться на площадь, в несколько раз превышающую размер кроны, чтобы обеспечить устойчивость и достаточное поступление воды.

Таким образом, предельная высота дерева — это результат тонкого баланса между эволюционным стремлением к свету и фундаментальными законами физики. И хотя 130 метров может показаться не таким уж большим пределом, стоит помнить, что это примерно высота 40-этажного дома — впечатляющее достижение для живого организма, поднимающего воду без единого механического насоса.

Читайте также:

Показать полностью 2
Отличная работа, все прочитано!