Эволюция: курьёзная и логичная. 100 открытых задач

Задача 1. Мой дом — моя крепость****

Представьте: даже крошечная бактерия — это не просто комочек слизи. Это неприступная крепость, выстроенная по законам инженерии. Её наружная «стена», клеточная стенка, защищает тонкую внутреннюю оболочку — цитоплазматическую мембрану. Но не подумайте, что все крепости одинаковы. Бактерии построили два совершенно разных типа укреплений, и каждое по-своему гениально.

Первый тип у грамположительных бактерий — толстая стена, как в средневековом замке. Эта броня выдерживает натиск нападающих, но стоит пробить брешь — и защита сразу ослабевает, враги (например, антибиотик или антитела) прорываются внутрь, и крепость сдаётся.

Другим путём пошли грамотрицательные бактерии. Они «придумали» хитрый двойной щит — как у корпуса подводной лодки или космического скафандра. Их стена тоньше, но снаружи она прикрыта второй дополнительной мембраной. Многие враги отступают перед такой двойной защитой.

Дополнительный липополисахаридный слой у грамотрицательных бактерий / Wikimedia, Graevemoore, CC BY-SA 3.0.

Интересно, а какая крепость древнее? Была ли первая бактерия простым форпостом или сразу возвела двойной барьер? Ответ поможет понять, каким был предок всех бактерий на Земле и, в том числе, наш с вами.

Выскажите гипотезы, к какому типу мог относиться предковый организм ныне существующих бактерий, как могли быть унаследованы и как могли развиться два разных типа клеточных оболочек?

Контрольный ответ

Есть несколько гипотез об общем предке бактерий:

• Предок с двумя мембранами мог потерять наружную из-за мутаций.

• Предок с одной мембраной мог приобрести вторую при слиянии двух клеток.

• Внешняя мембрана могла появиться у одномембранного предка для защиты от антибиотиков.

• Переходная внешняя оболочка могла появляться, а затем исчезать у предка с одной мембраной при создании эндоспор (см. справку). Если она не исчезала при прорастании эндоспоры, получались бактерии с двумя мембранами.

Кстати

Недавние исследования подтвердили последнюю гипотезу. Сейчас учёные считают, что самые ранние предки всех клеток были монодермами и могли образовывать эндоспоры.

Справка

Эндоспоры — это «спящие» формы бактерий. Они, как заколдованные сказочные герои, могут переживать суровые времена. Когда окружающие условия становятся опасными, например, не хватает еды, слишком жарко или холодно, некоторые бактерии начинают превращаться: бактерия делится на две неравные части. Меньшая часть как бы «поглощается» бо́льшей, и внутри неё формируется многослойная суперпрочная структура. Клетка обезвоживается, становится компактной. Внешняя клетка погибает, а внутренняя превращается в эндоспору.

В состоянии эндоспоры бактерия останавливает все жизненные процессы, становится невероятно выносливой и может так ждать годы, столетия, а иногда и миллионы лет! Например, споры бактерий возрастом около 8 миллионов лет нашли в антарктических ледниках, а ещё более древние — в кишечнике пчелы, мумифицированной в янтаре 25—40 миллионов лет назад. И они ожили, когда условия стали подходящими!

Хотите знать больше?

О бактериях, которые выжили в космосе на МКС и адаптировались к космической радиации, читайте в статье Андрея Коршунова на сайте газеты «Известия.ру» по запросу «Давние споры: на МКС нашли формы микробов-долгожителей».

Кстати

В 1884 году датский учёный Ганс Кристиан Грам искал способ разглядеть пневмококков в тканях лёгких. Бактериолог экспериментировал с красителями: наносил их на образцы, промывал спиртом, пробовал в этом качестве различные вещества. И вот что он заметил: одни бактерии, если их окрасить кристаллическим фиолетовым красителем, затем закрепить раствором Люголя и промыть спиртом, оставались фиолетовыми, а другие от спирта обесцвечивались. Чтобы их увидеть, нужно было повторно окрашивать образцы контрастным красным красителем. Оказалось, что причина этого — в строении клеточной стенки: бактерии с толстой стенкой удерживают краситель, а те, у которых стенка тоньше, теряют цвет при промывании спиртом. Грам назвал их грамположительными и грамотрицательными.

Сам Грам считал метод несовершенным. Учёный писал: «Я опубликовал метод, хотя мне известно, что он пока очень несовершенен. Есть надежда, что и в руках других исследователей он будет полезным». За более чем 100 лет окрашивание по Граму не просто сохранилось, а стало обязательным для бактериологической диагностики во всём мире.

Хотите знать больше?

Бактерии и археи — два из трёх доменов всех живых организмов. У них нет ядра в клетке — в отличие от третьего домена, эукариотов, к которым относятся протисты, грибы, растения и животные.

Эволюционные биологи считают, что бактерии и археи произошли от общего предка, LUCA (Last Universal Common Ancestor), который жил более 3 миллиардов лет назад. Главный аргумент в пользу существования общего предка всех ныне живущих организмов — единый генетический код у всех живых существ. Учёные продолжают исследования и эксперименты, чтобы воссоздать последнего общего предка. Об этих работах можно почитать на сайте Википедии по запросу «Последний универсальный общий предок» или на сайте Хабр (habr.com) по запросу «Познакомьтесь с общим предком всей современной жизни на Земле: LUCA».

Кладограмма, связывающая основные группы живущих организмов с LUCA / Wikimedia, Eric Gaba (Sting), Cherkash. NASA Astrobiology Institute, общественное достояние

Улыбнитесь

Бактерия жалуется другой: «Всё время стараешься, мутируешь, а в итоге всё равно бактерия!»

Задача 2. Привет, эукариот!****

Появление эукариотов — огромный эволюционный скачок. Ведь прокариоты — простые клетки без ядра и мембранных органоидов, а у эукариотов уже есть ядро и целая система органоидов. Кстати, мы с вами, а также наши любимые кошечки, собачки, попугаи — тоже эукариоты.

Но как же это произошло? Как простейшая клетка-прокариот превратилась в сложную клетку-эукариота, которая при дальнейшем эволюционном развитии привела к разнообразному биологическому миру? Учёные до сих пор не знают достоверного ответа на этот вопрос… Но вот гипотезы есть, конечно.

Предложите идеи, как из прокариотов смогли появиться первые эукариоты?

Контрольный ответ

Есть несколько научных гипотез, которые объясняют, как возникла эукариотическая клетка. Самая признанная гипотеза: древняя прокариотическая клетка — архея — поглотила бактерию, но не переварила её, как обычно. Эта бактерия стала жить внутри хозяина и со временем превратилась в органоид — митохондрию. Появление митохондрий резко увеличило энергетические возможности клетки, позволило увеличить её размер, усложнить геном, создать ядро, цитоскелет, эндомембраны.

Примерно такой же механизм привёл к появлению хлоропластов. Эукариотическая клетка поглотила цианобактерию, та не была переварена и со временем превратилась в хлоропласт, что дало начало развитию растений.

По другой гипотезе у прокариотической клетки, предка эукариот, плазматическая мембрана начала вдавливаться внутрь клетки, образуя замкнутые пространства, которые в процессе эволюции постепенно превращались в ядерную оболочку, эндоплазматическую сеть, аппарат Гольджи.

Учёные рассматривают и комбинацию этих идей: архея стала «хозяином» бактерии, бактерия стала митохондрией (или хлоропластом), далее — благодаря резко возросшим энергетическим возможностям — клетка усложнилась, мембраны вдавливались и скручивались в сферы, образовав ядро и эндомембранную систему.

Кстати

В геноме любого эукариота есть гены и от архей, и от бактерий. Но каково их точное соотношение? Раньше подсчёты были приблизительными, но недавно исследователи провели точный анализ, используя базы данных с полностью расшифрованными геномами. И вот что выяснилось: в среднем 44% белок-кодирующих генов эукариот архейного происхождения, а 56% — бактериального. При этом у разных групп эукариот цифры могут заметно отличаться от среднего как в большую, так и в меньшую сторону.

Хотите знать больше?

Подробнее о геномах бактериального и архейного происхождения у разных организмов, а также о новой гипотезе происхождения эукариот в результате симбиоза трёх организмов можно прочитать в статьях Сергея Ястребова на сайте Элементы.ру по запросам «Подсчитан вклад архейных и бактериальных генов в эукариотные геномы» и «Предложена новая гипотеза происхождения эукариот».

Задача 3. Амёба: маленький герой

в океане воды***

Представьте себе крошечный живой комочек, меньше пылинки, видимый только в микроскоп. Это амёба (лат. Amoeba proteus) — простейший одноклеточный организм. На первый взгляд она кажется примитивной, но на самом деле внутри неё идёт напряжённая работа. Можно сказать, что амёба живёт… в наводнении, и ей постоянно грозит потоп.

У амёбы нет жёсткой оболочки. Её окружает тонкая цитоплазматическая мембрана, похожая на эластичную плёнку. А внутри клетки расположена цитоплазма, в которой растворены разные вещества: соли, сахара́ и другие. Их концентрация выше, чем в окружающей воде. И поэтому вода постоянно просачивается внутрь амёбы — работает осмотическое давление. Обратно вода сама по себе выходить, понятное дело, не собирается. Если бы не особая защита, амёба быстро раздулась бы, как шарик, и лопнула. Но природа придумала механизм спасения!

Как амёба «откачивает» лишнюю воду?

Амёба протей / Wikimedia, SmallRex, CC BY-SA 4.0

Контрольный ответ

У амёбы есть мини-насос — сократительная вакуоль. Это маленький пузырёк внутри клетки, который работает, как крошечная помпа.

Вот как это происходит: вакуоль постепенно наполняется ненужными отработанными «шлаками» — продуктами жизнедеятельности клетки. Осмотическое давление в вакуоли постепенно повышается, и в неё начинает поступать лишняя вода. Когда вакуоль становится достаточно большой, она резко сжимается и выталкивает жидкость с отходами наружу. После этого вакуоль снова начинает наполняться.

Этот цикл повторяется снова и снова: вакуоль то растёт, то сокращается, не давая амёбе «утонуть» в собственной цитоплазме. По сути, она выполняет роль почки, органа выделения, который есть у более сложных живых существ.

Кстати

Хотя учёные уже много знают об амёбах, некоторые загадки остаются. Например, до конца не понятно, как именно мембрана «решает», какие вещества пропускать, а какие задерживать. Чтобы разобраться в этом, исследователи продолжают опыты…

Задача 4. Зачем корненожкам много

комнат?**

Корненожка, или фораминифе́ра (лат. Foraminifera) — одноклеточный микроскопический организм. У неё есть удивительный домик — раковина из извести. Это не маленькая однокомнатная квартирка, а целый многоэтажный дом с множеством помещений. Внутри раковины камеры разделены тонкими перегородками. Их могут быть десятки и даже сотни! При этом перегородки не сплошные, в них есть отверстия, через которые протоплазма свободно перетекает из комнаты в комнату. Получается единое цельное тело, спрятанное в надёжном «домике».

У разных видов корненожек домики устроены по-разному: где-то камеры выстроены в цепочку, где-то закручены спиралью, а у некоторых, например, у представителей родов Archiacina и Orbitolites, внутренние камеры расположены по спирали, а наружные образуют концентрические кольца, словно этажи вокруг центра.

Зачем такому маленькому существу такой сложный дом?

Контрольный ответ

Многокамерный домик намного прочнее однокамерного и гораздо лучше выдерживает нагрузку. Раковина служит бронёй, защищает мягкое протоплазматическое тело корненожки от хищников, давления воды, острых песчинок и других опасностей. Чем сложнее строение раковины, тем надёжнее защита. Спиральные завитки, концентрические кольца, множество камер распределяют нагрузку и делают домик почти неуязвимым; всё это — «инженерные» решения эволюции. Они помогли корненожкам выживать на протяжении сотен миллионов лет. Благодаря прочным многокамерным раковинам эти крошечные существа успешно заселили океаны.

Задача 5. Столкновения плит порождают жизнь****

Древние крошечные одноклеточные морские фораминиферы, или корненожки, оставили после себя следы. По их окаменелым останкам, известковым ракушкам из карбоната кальция, геохронологи определяют возраст древних отложений: палеозойских, мезозойских, кайнозойских; также их используют в палеоклиматических исследованиях при изучении прошлого климата Земли.

Но учёные из австралийского университета Джеймса Кука (James Cook University) изучали другой вопрос. Их интересовало, как часто эти организмы менялись. Другими словами — когда и почему возникали новые виды фораминифер. А насчитывается их видов великое множество: около 10 000 современных и более 40 000 ископаемых. Они отличаются размерами, строением и сложностью форм раковин, количеством камер: от одной до нескольких сотен. По изменениям в ДНК исследователи смогли «прочитать» историю: когда и где появлялись новые виды.

И вот что оказалось: самые богатые и разнообразные «города жизни» в океанах появлялись там и тогда, где и когда земля под водой двигалась, то есть сталкивались гигантские тектонические каменные плиты. Во времена тектонической активности, которая продолжалась иногда миллионы лет, словно включался «генератор биоразнообразия» — там один за другим возникали новые виды фораминифер.

Почему при столкновениях тектонических плит возникали новые виды живых организмов?

Контрольный ответ

Обитатели океана живут каждый в своём уголке подводного «города»: кто-то обитает среди камней, кто-то облюбовал песок, а кто-то прячется в тёмных глубоких ущельях. Одни любят тепло, а другие — прохладу…

Когда сталкиваются тектонические плиты, под водой всё меняется: возникают новые ландшафты (горы, хребты, глубокие впадины), это влечёт за собой смену условий обитания — освещённости, течений, климата. Возникает сразу множество разных новых мест для морских обитателей. И каждое новое «жилище» — это шанс для появления нового вида. Одни организмы осваивают твёрдые скалы, другие учатся зарываться в песчаное дно, третьи находят убежище на мелководье. Чем больше разных мест для жизни, тем больше возможностей для появления новых видов, которые будут приспосабливаться к новым условиям.

Подумайте***

В Википедии есть информация о том, что многие виды фораминифер биполярны: в морских бассейнах северного полушария их спирально завитые раковинки закручены по часовой стрелке, а в южном — против часовой стрелки. Этот интересный факт оказался мифом, научных доказательств этой зависимости нет. Направление закручивания раковин фораминифер не связано с полушарием, а зависит от генетики, внутренних и внешних биохимических процессов, происходящих при их формировании: химического состава воды, питательных веществ, доступных организму, температуры, давления.

Как мог возникнуть этот миф?

Контрольный ответ

Этот миф, скорее всего, возник из-за путаницы с эффектом Кориолиса — силой, которая влияет на движение объектов на вращающейся Земле. В северном полушарии эта сила отклоняет движущиеся объекты вправо, а в южном — влево. Однако эффект Кориолиса имеет значение для больших масс, например, для океанских течений, циклонов, но не значим для микроскопических организмов типа фораминифер.

Кстати

От 42 до 39 миллионов лет назад регионом наибольшего биологического разнообразия была территория на стыке Южной Европы и Северной Африки. Около 20 миллионов лет назад на Земле было два таких региона — побережье Индии и Филиппины. В настоящее время регионом наибольшего биологического разнообразия является так называемый Индо-Австралийский архипелаг, также известный как Коралловый треугольник, с его многообразием мелководных морских ареалов.

Задача 6. Тайная жизнь грибков****

Когда мама и папа дают частичку своей ДНК, их потомство получается уникальным. И если все разные, то у кого-то да найдутся «суперсилы», чтобы какая-нибудь болезнь не уничтожила всех разом — так природа защищает виды. Однако некоторые грибки используют половое размножение не просто для «перемешивания» наборов генов, как это обычно происходит в природе.

У одного из очень опасных грибков, Cryptococcus neoformans, который вызывает тяжёлые болезни у людей, нет «мальчиков» и «девочек» — все клетки выглядят одинаково и гены родителей идентичны. И он даже умеет размножаться «в одиночку», бесполым размножением, просто копируя себя. Странно, но у этого грибка есть и половое размножение.