Что появилось раньше всего
Зарождение жизни и эволюция
Каким образом мы все появились на Земле? На протяжении многих веков люди задавали себе этот вопрос и пытались найти на него ответ. Это одна из самых сложных загадок для человеческого разума.
Формирование планеты Земля
Около 4,6 млрд лет назад Земля выглядела совсем по-другому. Вместо привычных зеленого, голубого и белого цветов наша планета была красно-оранжевой. Ее поверхность покрывал океан кипящей лавы. Вместо кислорода, которым мы дышим сегодня, воздух был насыщен смертельно ядовитыми газами.
На протяжении первых 500 млн лет своего существования Земля представляла собой огромный безжизненный шар огненной лавы. Затем в течение еще 300 млн лет планета была слишком горячей для появления воды. Потом она стала постепенно остывать. Повсюду начали идти дожди, причем настолько сильные, что образовались реки, озера, моря и океаны.
Но все водное и наземное пространство по-прежнему оставалось безжизненным: в воде не плавала рыба, по небу не летали птицы, не было ни людей, ни животных. Только песок и камень.
Появление жизни на Земле
По мнению биологов, жизнь на Земле образовалась в результате эволюции. Несмотря на видимую безжизненность древнего океана, он содержал химические соединения, которые были готовы преобразоваться в живые организмы. Ученые назвали эти строительные вещества первичным бульоном, т.е. возможным источником возникновения жизни на Земле. В состав этого бульона входили аминокислоты, белки, жиры, углеводы и другие основные компоненты клеток живого существа.
Когда на Земле зародилась жизнь?
Что возникло раньше: яйцо или курица?
Загадка кажется смешной, но в ней есть глубокий смысл. Подумай сам: если бы не было курицы, то не существовало бы и яиц, а с другой стороны, как появилась курица? Из яйца? Что все-таки было первым? Ответ на этот очень сложный вопрос касается не только курицы и яйца, но и всех форм жизни.
Чем питались первые клетки?
Первые клетки питались, скорее всего, первичным бульоном, тем, из которого они образовались. Большое количество белков, жиров и аминокислот позволяло клеткам жить и размножаться. Они стали родоначальниками клеток животных. На протяжении миллионов лет запасы продовольствия постепенно сокращались. В результате стали образовываться новые клетки — так называемые продуценты. Они смогли развить способность создавать для себя пищу из окружающего строительного материала, используя энергию Солнца или тепло Земли. Эти клетки положили начало всему растительному миру.
Клетка — это основной элемент живого существа. Она может питаться, двигаться и образовывать себе подобных. Первые клетки были достаточно примитивными, но они смогли взять необходимые элементы из первичного бульона и начать свою очень короткую жизнь.
Эволюционные изменения
Чтобы жизнь вокруг нас стала такой, какой мы ее видим сейчас, был пройден долгий и трудный путь превращения простейшей клетки в многоклеточный организм.
Кислород — основа жизни
Переломным моментом на этом пути стало использование клетками кислорода. Ты уже знаешь, что изначально в земной атмосфере кислород содержался в минимальных количествах или отсутствовал вообще, поэтому и первые клетки были устроены так, что не нуждались в нем.
Тем не менее клетки развивались и выделяли кислород в атмосферу. В течение довольно длительного времени атмосфера Земли из смеси смертельно ядовитых газов превратилась в среду, благоприятную для живых существ.
Следующий этап развития
Развитие многоклеточных организмов — следующий этап эволюционного развития. Жизнь больше не ограничивалась одноклеточными существами. Стали появляться новые организмы, состоящие из двух, десяти, тысячи и даже миллиардов клеток. Более того, клетки с разным строением стали специализироваться на выполнении разных работ. Например, одни исполняли роль глаз, другие — сердца, третьи — мозга, тем самым усложняя и совершенствуя устройство живого организма.
Естественный отбор: выживают сильнейшие
Почему так происходит? Давай разбираться. Жизнь на Земле началась с простейших клеток, которые впоследствии развились в растения, животных и все остальные организмы. Но кто решил, как будет выглядеть каждый из них?
Почему у животных есть глаза, уши, нос и другие органы? Почему существует так много видов живых существ?
Да, и этот «кто-то» — естественный отбор. Согласно закону естественного отбора, сильный выживает, а слабый погибает. Например, в стае львов только самые сильные и здоровые животные способны к воспроизведению, т.е. выведению потомства.
Каким образом определяется внешний вид животных?
Ты сам можешь дать ответ на этот вопрос. Посмотри на себя в зеркало. На кого ты похож? На своих родителей, бабушек и дедушек.
То же происходит и с животными. У львов рождаются львята, у сов — совята и т.д. И если у львов длинный хвост, то такой же будет у львенка, когда он вырастет. Маленький совенок очень похож на своих взрослых родителей, и вряд ли ты его перепутаешь с птенцом павлина или цыпленком. Детеныши перенимают все внешние признаки своих родителей.
Эволюция в действии — совершенствование поколений
Представь, миллионы лет назад на Земле жили птицеподобные животные, которые не могли летать. Со временем у некоторых из них развилась способность высоко прыгать и, возможно, даже пролетать небольшие дистанции. Совершенно очевидно, что это умение давало им неоспоримые преимущества перед другими видами живых существ. Прыгучие животные могли беспрепятственно скрываться от погони, быстрее перемещались и находили пищу. Поэтому выжили именно эти особи, а их детеныши унаследовали способность высоко прыгать и пролетать небольшие расстояния. И так происходило с каждым поколением, причем потомки еще выше прыгали и еще дольше могли находиться в воздухе. А выживали самые сильные и здоровые, и у них появлялись детеныши, обладавшие выдающимися качествами своих родителей.
В конце концов спустя миллионы лет птицы стали непревзойденными асами полета.
Что появилось раньше: клетки или вирусы?
Действительно ли люди знаменуют вершину эволюции, или это вирусы? В то время как мы развивались по пути все более усложняющегося развития, вирусы упростили и успешно избавлялись от всех основных генов, за исключением горстки, как показывают исследования, опубликованные в журнале Science Advances в сентябре.
Густаво Каэтано-Аноллес и его коллеги из Иллинойского университета пришли к такому выводу, впервые разработав новый способ отображения генеалогического древа микроорганизмов. Оказалось, что вирусы не эволюционировали первыми. Вместо этого вирусы и бактерии произошли от древней клеточной формы жизни. Но в то время как бактерии, подобно людям, эволюционировали, чтобы стать более сложными, вирусы стали проще.
Сегодня вирусы настолько малы и просты, что даже не могут размножаться сами по себе. Вирусы несут только необходимую генетическую информацию, необходимую для того, чтобы проникнуть внутрь клетки-хозяина и заставить ее делать новые копии вируса. Вирус гриппа, например, имеет всего 14 кодирующих белок генов. Поскольку вирусы, как правило, так просты, многие биологи не думали, что их можно даже классифицировать как форму жизни.
Но чуть больше десяти лет назад наше представление о вирусах начало меняться. Французские ученые, изучавшие загадочный микроб, похожий на бактерию, но генетически совершенно не похожий на бактерию, поняли, что обнаружили гигантский вирус. Они назвали эту бактерию похожей на «имитирующего микроб», или «мимивирус».
И мимивирус был не только физически велик. Они показали, что он несет более 1000 генов – огромный геном для вируса, всего на несколько сотен генов меньше, чем у некоторых бактерий. С тех пор было обнаружено несколько гигантских вирусов, причем пандоравирусы содержат около 1100 генов.
Чтобы попытаться решить вопрос об эволюции вируса, Каэтано-Аноллес разработал новый способ реконструкции микробного генеалогического древа и прослеживания бактерий и вирусов до их истоков.
Ученые обычно создают эволюционные генеалогические деревья, или «филогенетические деревья», сравнивая гены между видами. Чем больше общих генов у двух организмов, тем теснее они связаны. Но эта техника позволяет перемотать назад только миллион лет или около того. Еще немного, и ДНК мутирует так сильно, что невозможно увидеть сходство между видами.
Исследователи разработали алгоритмы для сравнения белковых форм 3460 вирусов и 1620 клеток. Они обнаружили, что 442 белковые складки были разделены между клетками и вирусами, но 66 складок были уникальными для вирусов.
Чтобы понять смысл полученных данных, команда собрала белковые складки в дерево, которое вырастало новой «веткой» каждый раз, когда появлялся новый тип белковой складки. Там, где это было возможно, команда использовала свидетельства окаменелости, чтобы указать приблизительную дату появления определенных веток. Например, одна конкретная белковая складка была впервые обнаружена у цианобактерий (сине-зеленые водоросли), а позже появилась у всех ее потомков. Сравнивая, когда цианобактерии впервые появились в летописи окаменелостей (2,1 миллиарда лет назад), с тем, когда позже появилось их потомство, они могли установить, что эта конкретная складка появилась около 2 миллиардов лет назад.
Согласно микробному генеалогическому древу Каэтано-Анолла, вирусы очень древни, но они не были первой формой жизни. Фактически, его генеалогическое древо предполагает, что вирусы и бактерии имеют общего предка-полностью функционирующую, самовоспроизводящуюся клетку, которая жила около 3,4 миллиарда лет назад, вскоре после того, как жизнь впервые появилась на планете. Из этой клетки бактерии эволюционировали в направлении возрастающей сложности, в то время как вирусы постепенно теряли гены, которые, как они обнаружили, им не были нужны – до тех пор, пока они больше не могли даже размножаться самостоятельно.
Ключевой шаг в эволюционном путешествии вируса, по – видимому, произошел около 1,5 миллиарда лет назад-именно в этом возрасте, по оценкам команды, появились 66 специфичных для вируса белковых складок. Эти изменения происходят в белках внешней оболочки вируса-механизмах, которые вирусы используют для проникновения в клетки хозяина.
А что касается более абстрактного вопроса о том, можно ли считать вирусы жизнью, Каэтано-Аноллес утверждает, что если вирусы произошли от живых клеток, то они все еще живы – но уникальным образом: когда вирусы заражают клетку, это воссоединение образует полную живую систему.
Осьминог в объятиях Морфея. Что появилось раньше — сон или мозг?
Недавно ученые зафиксировали состояние сна у гидры — маленького морского существа с крайне примитивной нервной системой. На сегодняшний день это единственное простейшее животное, о котором ученые не побоялись сказать, что оно спит. Но зачем вообще спят животные, если вместо этого они могли бы охотиться и размножаться? Марина Слащева, нейробиолог и автор телеграм-канала Blue_Arrakis, рассказывает о том, как устроен сон у китов, ящериц и насекомых, и о том, каковы функции того странного состояния, в котором мы проводим треть жизни.
Спит корова, спит бычок,
В огороде спит жучок,
И котенок рядом с кошкой
Спит за печкою в лукошке.
Народная колыбельная
Кто не рискует, тот не спит
С точки зрения выживания в дикой природе сон — это очень плохая идея. Животное, находящееся в отключке и невосприимчивое к внешним стимулам, может быть съедено другим животным, которому не спится. Не говоря уже о том, что вместо сна животное могло бы искать пищу, партнеров для размножения или социализироваться с другими животными — повышать свою приспособленность к окружающей среде, как сказали бы эволюционные биологи. Но, кажется, животных, которым не спится, в природе не найти. Если никому не удалось выскользнуть из лап Морфея, значит, сон выполняет ключевую для выживания функцию — и ученые до сих пор не могут четко ее сформулировать.
Когда вы спали последний раз, ваш сон колебался между двумя совершенно разными фазами — быстрого и медленного сна, названными так из-за наблюдаемых частот мозговых колебаний. Человек проводит большую часть ночи в медленном сне, который подразделяется на дополнительные фазы. Эти фазы — от первой до четвертой — последовательно сменяют друг друга, а волновые колебания в мозге становятся всё медленнее и больше. В самой глубокой, четвертой стадии человек наименее восприимчив к окружающим стимулам. Для быстрого сна характерно полное отсутствие мышечного тонуса, когда мышцы расслаблены и «диссоциированы» от мозга, а также быстрые, дергающиеся движения глаз. Поэтому быстрый сон еще называют REM (от rapid eye movement, «быстрые движения глаз») или парадоксальным сном — электрическую активность мозга практически не отличить от активности во время бодрствования человека. Она полна быстрых колебаний маленькой амплитуды, будто мозг активно чем-то занят. В действительности в парадоксальной фазе сна мы видим (и запоминаем) большинство сновидений.
Сменяющиеся фазы быстрого и медленного сна характерны для всех млекопитающих и птиц, но не у всех устроены одинаково. Длительность сна отличается: слоны, лошади и коровы спят от двух до четырех часов в сутки, а некоторые летучие мыши и броненосцы спят до двадцати часов! У человека за ночь быстрый сон сменяет медленный 4–6 раз. Каждый цикл (медленный + быстрый сон) занимает около полутора часов. Но у большинства животных этот цикл гораздо короче: у шиншиллы он протекает всего за 6 минут.
По сравнению с другими животными люди пользуются невиданной привилегией — спят в один заход за сутки, в то время как многим зверям приходится погружаться в сон то тут, то там на небольшие промежутки времени.
Глубокий медленный сон считается самым важным для восстановления организма, но погрузиться в него можно, только преодолев легкие стадии медленного сна. При полифазном сне — отдельными заходами — больше времени тратится на менее продуктивный легкий сон только для того, чтобы погрузиться в глубокую стадию, поэтому считается, что монофазный сон обладает преимуществом. По этой же причине интервальный сон у людей «для повышения продуктивности» — не очень хорошая идея в долгосрочной перспективе.
За день намаешься, спишь — не просыпаешься
Наши научные представления о сне антропоцентричны: фазы быстрого и медленного сна определяются характеристиками мозговых сигналов, что подразумевает наличие не просто мозга, а мозга достаточно крупного и удобного, позволяющего снять электроэнцефалограмму или наблюдать его электрическую активность. Но как определить сон у рыбки, мушки или домашнего питомца без использования электродов, а главное — как отличить сон от обычного отдыха, спячки или комы? Ученые еще в ХХ веке пристально наблюдали за разными животными и, помимо электрофизиологических, выделили поведенческие критерии сна, которые не дискриминируют ни одной букашки. Животное должно находиться в физическом покое. Животное сложно разбудить. Животное принимает определенную позу для сна или выбирает для этого особое место. Состояние сна легко обратимо — после пробуждения животное выглядит бодрым. Вишенка на торте и самый главный критерий — гомеостатическая регуляция. Это своего рода баланс: если животное потревожили во сне или вовсе лишили сна, то недосып нужно будет компенсировать позже. Вооруженные этими критериями, ученые 1980-х годов стали внимательно наблюдать за сном всего, что движется, и подсчитывать движения усиков, лапок и щупалец во сне.
Спят птицы, киты, морские котики и… динозавры?
Сон птиц больше всего похож на сон млекопитающих, поскольку состоит из быстрой и медленной фаз, хотя считается, что в процессе эволюции быстрый (он же парадоксальный) сон появился в этих группах независимо. Снятся ли птицам сны — никто не знает, но птиц и морских млекопитающих объединяет уникальное свойство — однополушарный сон, при котором одна половина мозга бодрствует, а вторая погружена в медленный сон. Китам, дельфинам, морским котикам и ламантинам способность вздремнуть одним полушарием помогает поддерживать терморегуляцию, вовремя замечать хищников и двигаться, чтобы оставаться у поверхности и периодически выныривать для дыхания. Однополушарным бывает только медленный сон. Ведь в парадоксальном сне отключаются мышцы, и тогда животное медленно опускалось бы ко дну.
Морские котики, живущие и в воде, и на суше, подтверждают правило — только в воде они спят одним полушарием, а на суше оба полушария синхронно впадают и в медленный, и в быстрый сон.
Мигрирующие птицы тоже не могут позволить себе потерю мышечного тонуса во время перелетов, иначе они рухнут с небес на землю. Но птицы активно используют однополушарный сон еще и для защиты от хищников. Утки часто спят большими стаями, и было показано, что птицы, расположившиеся по краям стаи, с большей вероятностью спят только одним полушарием, в то время как другое полушарие и один открытый глаз охраняют от хищников всю стаю. Кстати, некоторые сонные привычки птицы унаследовали от своих древних предков — динозавров. Сделать заключения о сне или поведении динозавров крайне сложно, но ученые обнаружили окаменелость динозавра, свернувшегося в той же позе, в которой спят современные птицы. Был ли сон динозавров однополушарным или включал в себя быструю фазу, остается загадкой.
Спят ящерицы, осьминоги и каракатицы
До недавних пор считалось, что быстрый сон — это эволюционная новинка, появившаяся только у птиц и млекопитающих, но исследования сна рептилий и осьминогов расширили наши представления о (и без того) парадоксальном сне. Сначала быстрый сон нашли у бородатой агамы — ученые записывали электрическую активность мозга ящерицы и следили за движениями глаз: циклы быстрого и медленного сна сменялись каждые 80 секунд. Эти наблюдения поставили под вопрос предположение, что быстрый сон у млекопитающих и птиц эволюционировал независимо — возможно, он уже присутствовал у последнего общего предка.
Недавно ученые детально изучили сон осьминогов. Они убедились, что активность осьминогов снижается: они не реагируют на постукивание по аквариуму и на появление краба, на которого в бодрствовании начали бы охотиться. Во сне осьминогов отчетливо сменялись две фазы, которые ученые из осторожности назвали «спокойным» и «активным» сном. Во время первого кожа осьминога бледнела и глаза оставались неподвижными, а во время второго — активного — глаза двигались, а цвет и текстура кожи динамично изменялись. Признаки быстрого сна обнаружились и у каракатиц — морских головоногих моллюсков и эволюционных родственников осьминогов. В покое у них время от времени наблюдались быстрые движения глаз, изменение окраски и подергивание щупалец.
Спят мушки и тараканы
В начале 1980-х предположение о том, что насекомые тоже спят и их сон можно изучать, было достаточно смелым. В научном сообществе такие идеи граничили с сумасшествием. Это не остановило Ирен Тоблер, которая в качестве объекта выбрала тараканов (а позже — скорпионов). Мозг насекомых крайне мал, и наблюдать за его электрической активностью гораздо сложнее, так что обычно их сон изучают по поведенческим признакам.
Тоблер подробно описала позы, в которых тараканы спят, а также доказала наличие у них гомеостатической регуляции: если сон потревожен, то его недостаток необходимо компенсировать — словно бы тараканам надо отсыпаться на выходных.
Стоит отметить, что, когда речь идет о насекомых, ученые говорят исключительно о медленном сне и пока не заподозрили у них признаков быстрого.
Все поведенческие критерии сна нашлись и у маленькой мушки дрозофилы, любимой биологами за простоту содержания и изучения. На мушках изучали множество разных вещей, относящихся ко сну. Кофеин бодрит их точно так же, как и нас, причем чем больше кофеина — тем меньше сна, в то время как антигистаминные вещества (входящие в состав противоаллергических препаратов), наоборот, увеличивают продолжительность сна. Еще любопытнее то, что количество сна у мушек снижается с возрастом — как и у стариков, со временем теряющих сон и покой. Это означает, что некоторые молекулярные процессы, связанные со сном, обучением и старением, у нас мало отличимы от мушек и эволюционно стары. Так, например, у моллюска аплизии, благодаря которому стали известны молекулярные механизмы консолидации воспоминаний, при депривации сна нарушалось формирование и кратковременных, и долговременных воспоминаний.
Спят медуза и гидра
Мозгом в нейробиологии называют всё, что выглядит как централизованное скопление нейронов в одном месте, как правило — в голове. Мозг таракана, мушки или моллюска хоть и очень мал, чтобы забраться в него электродами, но всё еще попадает под это определение. А вот у медузы или гидры такого мозга нет — только нервные клетки, разбросанные по всему телу и формирующие сеть. Такая нервная система называется диффузной. Нужен ли для сна полноценный мозг? Похоже, что нет.
За поведением медузы Cassiopea наблюдали в большом резервуаре: в период покоя пульсация ее тела снижалась на треть, состояние было легко обратимым — медуза охотно «просыпалась», чтобы закусить рачком, а депривация сна снижала активность медузы на следующий день, подтверждая главный критерий сна — гомеостатическую регуляцию. Гидра устроена еще проще медузы. У нее нет не только мозга, но и большинства привычных для нас органов и тканей, только два слоя клеток — «кожа» и «кишечник» с разбросанными по ним нейронами. Гидра способна двигаться, и исследователи из Японии показали, что она снижает свою активность на небольшой отрезок времени каждые 4 часа. Ее можно легко разбудить светом, а если не давать гидре заснуть, раскачивая контейнер, то ей приходится отсыпаться позже. При этом мелатонин — гормон, вырабатывающийся у нас ночью и стимулирующий сон, — погружал в сон и гидру.
Ученые пошли дальше и изучили гены, участвующие в регулировании сна гидры, — их нашли, изучив разницу в работе генов выспавшейся и невыспавшейся гидры. Более 40 из этих генов оказались сходными с генами человека или мыши, несмотря на то, что гидры, вероятно, самые эволюционно далекие от нас из ныне живущих существ, способных двигаться.
Значит, сон выполняет какую-то невероятно важную функцию, общую для всего живого.
Зачем спать?
Сну приписывается множество функций: восстановление сил, терморегуляция, детоксикация, развитие мозга, поддержание его пластичности, сохранение памяти и т. д. Все они не очень согласуются с тем фактом, что сон требуется даже существам без централизованного мозга, а значит, играет фундаментальную роль на уровне каждой клетки организма, а не только мозга. Одна из возможных функций сна, важная для любого существа, — метаболическая. Сон нужен для того, чтобы сохранять энергию, разделять несовместимые химические реакции в организме и эффективно направлять метаболические ресурсы на нужды организма во время сна. Эту идею поддерживает тот факт, что во время болезни людям и животным требуется больше сна — вероятно, для того, чтобы перенаправить ресурсы организма с бодрствования на работу иммунной системы и восстановление.
Депривация сна у гидр в буквальном смысле разрушительна — она нарушает нормальный процесс деления клеток, что логично вписывается в идею о метаболической функции сна.
Метаболическая функция может быть самой ранней и необходимой для каждой клетки организма, но не единственной. Со времен ранних животных сон эволюционировал и приобрел другие функции. Эволюция — как замок из песка: на основании возводятся башенки, добавляются балкончики и т. д., и всё это приобретает новые функции. Функциональные элементы могут переиспользоваться и преобразовываться. Например, быстрый сон — относительно новое эволюционное явление, возможно, независимо появившееся у млекопитающих, птиц и, может быть, головоногих моллюсков, таких как осьминоги и каракатицы. Всегда ли сны связаны с быстрой фазой сна? Мы не знаем. Возможно, сны — еще одна эволюционная надстройка со своими функциями. Вездесущность сна доказывает его необходимость и самую основную, общую для всех базовую функцию, но нет смысла искать лишь одну функцию сна — в процессе эволюции их надстраивается невероятное множество.