Жизнь на Земле. Как она возникла или о чем не кричат ученые

Что такое атмосфера?

Биосфера — оболочка Земли, населённая живыми организмами

Наша планета окутана слоем воздуха. Называется этот слой атмосферой. Чем ближе воздух к поверхности Земли, тем он плотнее, чем дальше от неё — тем разряжённее. А там, где кончается атмосфера и начинается космос, царит безвоздушное пространство. Воздушная оболочка защищает Землю от испепеляющего солнечного жара, не пропуская лишних солнечных лучей. Атмосфера также спасает нас и от космического холода, окутывая планету, словно одеяло. Без атмосферы жизнь на нашей планете была бы невозможна.

Энергетический гомеостаз

В нормальных условиях поступление энергии с едой и ее траты в течение дня подстраиваются друг под друга — это позволяет сохранять относительно постоянный уровень запасенной в жире энергии (27, 28). Недоедание/голодание и поддержание сниженной массы тела заставляют организм включать механизмы адаптации и экономии. Во-первых, снижаются траты энергии в течение дня: становится более активной парасимпатическая нервная система, что проявляется замедлением сердечного ритма, снижением артериального давления и расхода энергии в покое за счет снижения выработки гормонов щитовидной железы (29, 30).

Во-вторых, человек чувствует голод острее, получает больше удовольствия от еды, дольше не чувствует насыщения и хуже оценивает количество съеденного. Все это толкает есть больше, чтобы восстановить запасы энергии — и краткосрочные, и долгосрочные в виде жира. Исследования показывают, что эти сигналы не снижаются со временем даже у однажды похудевших людей, которые стараются поддерживать новый вес. Как результат, многие набирают его обратно (31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40).

Все эти адаптации находятся под управлением гормона лептин, который вырабатывается жировыми клетками и действует непосредственно на рецепторы в головном мозге через вегетативную нервную и нейроэндокринную системы.

Исследования на грызунах

У нас есть много исследований влияния микрофлоры кишечника на энергетический баланс, но практически все контролируемые исследования проведены на грызунах.

Два наиболее распространенных типа бактерий в кишечнике — Bacteroidetes и Firmicutes. У генетически страдающих ожирением мышей относительная доля Bacteroidetes снижена, а Firmicutes — увеличена (7), в отличие от стройных мышей. Это показывает, что ожирение само по себе изменяет состав бактерий. Потеря веса так же влияет на разнообразие и соотношение бактерий в кишечнике.

Питание влияет и на состав, и на разнообразие бактерий в кишечнике. Так, диета с высоким содержанием полисахаридов приводит к большему разнообразию бактерий (8). А диета с большим количеством жиров у обычных мышей, а так же устойчивых к ожирению при помощи генной инженерии, приводит к значительному снижению Bacteroidetes, независимо от скорости набора веса (9).

Изменения микрофлоры влияют и на энергетический гомеостаз у грызунов. Например, лабораторные мыши, лишенные с самого рождения бактерий в кишечнике, хуже усваивают еду и хуже получают из нее энергию. Заселение их кишечника бактериями от «обычных» мышей (в сочетании с обычной мышиной диетой без перекармливания или недокармливания) приводит к набору веса тела до того же уровня, что имеют мыши-доноры (10).

А  мыши, получившие микрофлору от доноров с ожирением, содержащую более высокие абсолютные и относительные количества Firmicutes, набрали в два раза больше жира, чем мыши, получившие бактерии от «нормальных» доноров. Интересно, что в обоих вариантах мыши ели примерно одинаково, и никакой значительной разницы в потреблении энергии между ними не было, поэтому ученые предполагают, что причина — в повышении эффективности извлечения энергии из еды (11).

Другие исследования показывают, что роль играет и состав диеты. Стерильные мыши, получившие бактерии от мышей с ожирением, набирали больше веса, чем те, кто получил бактерии от устойчивых к ожирению доноров, но эффект этот был только при питании с высоким содержанием жиров.

Прежде чем переносить результаты исследований на людей, важно понимать, что системы энергетического гомеостаза у людей и мышей в некоторых моментах принципиально разные.

Во-первых, отличается типичная диета: в мышиной больше углеводов и меньше жира. Во-вторых, отличаются ночные и суточные биоритмы, связанные с потреблением энергии и ее расходом. В-третьих, самые серьезные различия — в количестве бурого и белого (обычного) жира в теле: у мышей намного больше бурого, и на него приходится >50% их метаболизма, а у людей — менее 5% (41, 42). У мышей на количество бурого жира и его метаболизм влияет как состав рациона, так и бактерии кишечника (43, 44), вот почему на мышиный энергетический гомеостаз микрофлора влияет намного больше. Об этом нужно помнить, прежде чем переносить результаты исследований по бактериям напрямую на человека.

Микробы и человек

Ученые доказали, что на нашем теле и внутри него находятся триллиарды бактерий. По топографии выделяют микроорганизмы кожи, дыхательных путей, полости рта, урогенитального тракта и кишечника. Последние наиболее изучены. Откуда же берутся микробы человека? Первые мы получаем при рождении. Другие пути приобретения: с пищей или водой, через воздух, при контактах с другими людьми и т. д. Но не стоит сразу пугаться. Большинство микробов не только неопасны, но и полезны. Они обеспечивают защиту от чужеродных организмов, участвуют в процессах пищеварения и др. Существуют и вредные, патогенные бактерии и вирусы. Они проникают в организм и вызывают инфекционные заболевания. Особенно опасны патогенные микробы для детей, людей с ослабленным иммунитетом и пожилых. При открытой травме микробы могут попадать в рану. Если правильно и своевременно не обработать ее, то возможно развитие гнилостных процессов, распространение инфекции.

Чем питались прокариоты?

Одним из ключевых свойств живого организма является метаболизм – обмен веществ. По типу питания первые живые организмы на Земле были гетеротрофами. Это значит, что в качестве источника пищи прокариоты использовали готовые органические соединения, содержащиеся в окружающей среде (в растворенном виде).

Также для них характерен безкислородный (анаэробный) тип обмена веществ, поскольку в тот период свободного кислорода в атмосфере нашей планеты не было. Питательные вещества поглощались доядерными организмами осмотрофным способом – то есть, путем транспортировки пищи через поверхностные компоненты клетки.

Интересный факт: кислородный фотосинтез, вызвавший кислородную катастрофу, произошел около 2,8-2,5 миллиардов лет назад. В атмосфере появился свободный кислород, началось активное развитие бактерий и водорослей, появились аэробные живые организмы, которые могли синтезировать органические вещества.

Откуда, в таком случае, бралась органика, если ее никто не производил? Органические соединения – это класс химических веществ; почти все соединения, в которых присутствует углерод. Они считаются самыми распространенными в природе.

Образование органики вне живых организмов называют абиогенезом. Это, в то же время, одна из теорий зарождения жизни на Земле. Проще говоря, из неорганических (неживых) веществ начали формироваться органические. Произошло это, вероятно, под действием различных факторов.

К ним относят активное ультрафиолетовое излучение, ведь защитного озонового слоя еще не существовало. Также большое влияние имела энергия, которая появлялась от радиоактивного распада, молний, тепловых источников. Много органики выделялось в ходе извержения вулканов.

Другим был и состав воздуха. Происходили активные реакции всех этих веществ между собой, в результате которых появились первые простые органические соединения. Оказавшись в воде, они продолжали свое превращение, но уже в более сложные цепочки. Ученые даже присвоили специальное название океаническим водам, покрывающим Землю – «первичный бульон».

Первые живые организмы на Земле, которые были представлены доядерными одноклеточными, питались органическими веществами, имеющимися в природе. Образовывались они абиогенным путем – из неорганических веществ под влиянием различных источников энергии. Непосредственно процесс питания у прокариотов был осмотрофным. Пищу в растворенном виде они поглощали через стенки своих клеток.

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Лечение антибиотиками может спровоцировать астму и ожирение

Золотистый стафилококк

В 1928-м году Александр Флемминг изобрёл пенициллин, и это был грандиозный прорыв в медицине. Во всём мире антибиотики широко применяются в борьбе с самыми разнообразными заболеваниями, однако, как показывают последние исследования, использование антибиотиков может увеличить риск развития астмы, воспалительных заболеваний кишечника и даже ожирения. Кроме того, микробы научились приспосабливаться к антибиотикам: к примеру, метициллин-резистентный золотистый стафилококк способен вызвать тяжёлые заболевания вроде пневмонии или сепсиса.

Конечно, бывают случаи, когда лечение антибиотиками необходимо, но, как заявил «LiveScience» Мартин Блейзер, иногда стоит воздержаться от их использования: некоторые детские инфекционные заболевания ушей или горла могут пройти сами по себе.

Бактерии в нашем желудке

В такой убийственной кислоте, в которой мы перевариваем еду, не может долго находиться никто, кроме этой Helicobacter pylori. То есть всевозможные кишечные палочки туда попадают, но стараются не задерживаться и поскорей отправиться дальше, сами понимаете — куда. А эта мерзость может в желудке удобно устроиться и даже вызвать рак.

Всё это любопытно не только для биологов, но и для тех, кто занят поиском внеземной жизни. Свет, кислород, углерод — возможно, обитатели других планет без них прекрасно обходятся. А может, поселим этих экстремофилов на Марсе или Венере? То-то местные удивятся.

АвторыАдель Романенкова

Жизнь на Земле могла возникнуть благодаря глине

Группа учёных под руководством Дань Ло (Dan Luo) из Корнеллского университета выступила с гипотезой, что концентратором для древнейших биомолекул могла служить обычная глина.

Изначально исследователи занимались не проблемой происхождения жизни — они искали способ повысить эффективность бесклеточных систем синтеза белка. Вместо того чтобы позволить ДНК и обслуживающим её белкам свободно плавать в реакционной смеси, учёные попробовали загнать их в частицы гидрогеля. Этот гидрогель, словно губка, впитывал реакционную смесь, сорбировал нужные молекулы, и в результате все нужные компоненты оказывались заперты в небольшом объёме — подобно тому, как это происходит в клетке.

Затем авторы исследования попытались использовать в качестве недорогого заменителя гидрогеля глину. Частицы глины оказались похожи на частицы гидрогеля, становясь своеобразными микрореакторами для взаимодействующих биомолекул.

Получив такие результаты, учёные не могли не вспомнить о проблеме происхождения жизни. Частицы глины с их способностью сорбировать биомолекулы могли бы на самом деле послужить самыми первыми биореакторами для самых первых биомолекул, пока те ещё не обзавелись мембранами. В пользу такой гипотезы говорит ещё и то, что вымывание силикатов и других минералов из скал с образованием глины началось, по геологическим прикидкам, как раз перед тем, когда, по мнению биологов, древнейшие биомолекулы начали объединяться в протоклетки.

— В воде, точнее в растворе, мало что могло произойти, потому что процессы в растворе идут абсолютно хаотично, а все соединения очень неустойчивы. Глина современной наукой — точнее, поверхность частиц глинистых минералов — рассматривается как матрица, на которой могли образовываться первичные полимеры. Но это тоже только одна из многих гипотез, каждая из которых имеет свои сильные и слабые стороны. Но чтобы смоделировать зарождение жизни в полном масштабе, нужно действительно быть Богом. Хотя на Западе сегодня уже появляются статьи с названиями «Конструирование клетки» или «Моделирование клетки». Например, один из последних нобелевских лауреатов Джеймс Шостак сейчас активно предпринимает попытки создания эффективных клеточных моделей, которые размножаются сами по себе, воспроизводя себе подобных.

Над чем работают геронтологи

Есть несколько направлений, и все они, как говорится, имеют право на существование, потому что каждый вносит свой кирпичик.

Как появляются и развиваются эти направления? Стареющий олигарх, не желая покидать бренную землю, начинает лихорадочно вкладывать деньги в какие-то геронтологические исследования, руководители которых обещают ему продление жизни.

Самой известной была компания «Герон». Ее спонсировал мультимиллиардер, нефтяной магнат. В итоге компания открыла теломеразы. Что это такое?

Конечная часть генома называется теломерами. Постепенно теломеры укорачиваются; укоротившись до определенного уровня, они запускают процесс одряхления и летального исхода. Регулируют эти процессы теломераза — особый фермент.

И компания «Герон» предполагала создать ингибитор теломеразы, чтобы длина теломер не укорачивалась так быстро.

Олигарх вкладывал в это сумасшедшие деньги, спал в кислородной палатке, ел только специфическую пищу, но всё равно умер. А как только олигарх умирает, финансирование проекта заканчивается.

Активность по изучению теломер уже пройдена во всем мире. Наши ученые продолжают изучать эту проблему, потому что Алексей Оловников, считающийся основателем этой теории, живет в России, ему недавно исполнилось 80 лет (двое из трех лауреатов Нобелевской премии за открытие теломер держат в своих кабинетах портрет А. Оловникова, а его самого даже не включили в наградной список). В настоящее время считается, что эта теория более-менее работает на экспериментальных животных, но не на человеке.

Есть другая теория — митохондриальная. В МГУ есть институт экспериментальной геронтологии, который основала семья Скулачевых. Отец, академик Владимир Скулачев, как раз и создал митохондриальную теорию старения. Согласно его теории, смерть можно лечить, как болезнь, потому что смерть — это программа, которую запускает организм. А если это программа, то ее можно взломать. Но Скулачев хотя бы не обещает быстрого эффекта, он говорит, что лишь лет через 20–30 мы сможем воздействовать на человека.

Другие ученые занимаются коррекцией клеток. Здесь тоже есть несколько направлений. Представители одного из них борются со сцентными клетками, то есть поврежденными. По их мнению, если убрать их из организма, то он сам начнет справляться. Представители другого направления считают, что надо вводить здоровые, корригированные стволовые клетки извне.

А у стволовых клеток есть особенность: что чем больше они проходят репликаций, то есть изменений, тем больше в них нарастают генетические мутации. А генетические мутации — это возраст-ассоциируемые и другие заболевания, в том числе онкологического профиля.

Что такое коррекция генетическая клеток? Чтобы изменить клетки, используют CRISPR — генетические ножницы. Это по сути вирус. У человека количество вирусов, которые встроились в геном, гигантское: за миллионы лет существования человека значительная часть генома состоит из таких вирусов. Вывод: вмешаться в этот процесс на данном уровне пока невозможно.

Одна дама по имени Пейрис провела у себя генетическую коррекцию с помощью CRISPR и уже три года живет себе. Но посмотрим, что с ней будет, когда она проживет лет тридцать — и проживет ли она столько. В Китае появились первые близнецы со скорректированным геномом. Здесь тоже остается только следить за судьбой близнецов.

Параллельно с этим есть крутые сорвиголовы, которые пришли в геронтологию и считают, что сейчас они перелопатят весь интернет и создадут средство, которое будет влиять на процессы старения. Они думают, что ученые погрязли в своих теориях, поэтому нужен свежий взгляд со стороны. Я это всё отношу к такому течению, как биохакинг.

Биохакеры, как правило, не имеют системного образования. Правда, они все исследования проводят на себе. С одной стороны, это интересно, с другой, я бы просил биохакеров только об одном: чтобы их тела не выбрасывали. То, что они умрут раньше, это уже понятно — некоторые биохакеры употребляют до 160 таблеток в день.

Доказательства

В 2000 году гипотеза о «Мире РНК» обрела солидные доказательства.

Томас Стейц провел 30 лет, изучая структуры молекул в живых клетках. В 90-е годы он приступил к главному исследованию своей жизни: изучению структуры рибосомы.

В каждой живой клетке присутствует рибосома. Эта крупная молекула считывает инструкции из РНК и соединяет аминокислоты для создания белков. Рибосомы в клетках человека выстраивают практически каждый кусочек тела.

К тому моменту уже было известно, что рибосома содержит РНК. Но в 2000 году команда Стейца представила детализированную модель структуры рибосомы, в которой РНК предстала в роли каталитического ядра рибосомы.

Это открытие было серьезным, особенно учитывая, насколько древней и фундаментально важной для жизни считалась рибосома. Факт того, что настолько важный механизм был основан на РНК, сделал теорию «Мира РНК» намного правдоподобней в научных кругах. Больше всего открытию радовались сторонники концепции «Мира РНК», а Стейц в 2009 году получил Нобелевскую премию.

Но после этого у ученых начали появляться сомнения.