С чего начинается образование нового многоклеточного организма
Организм. Онтогенез. Воспроизведение организмов.
Размножение организмов
Размножение — это способность живых существ воспроизводить себе подобных. При этом обеспечивается непрерывность и преемственность жизни. Принято различать два основных типа размножения: бесполое и половое.
Сравнительная характеристика бесполого и полового размножения
Бесполое размножение
Основными формами бесполого размножения являются деление, спорообразование, почкование, фрагментация и вегетативное размножение. В двух первых случаях новый организм образуется из одной клетки родительской особи, в остальных — из группы клеток.
Формы бесполого размножения
Половое размножение
Половое размножение характерно для подавляющего большинства живых существ. Оно складывается из 4 основных процессов:
Половые клетки
Гаметы — половые клетки, при слиянии которых образуется зигота, из которой развивается новая особь.
Гаметы имеют вдвое меньше хромосом, чем остальные клетки тела (соматические клетки). Они не способны делиться в отличие от большинства соматических клеток. Различают женские и мужские половые клетки. Половая принадлежность у высших форм (например, у позвоночных) определяется на генетическом уровне.
Мужские гаметы называются сперматозоидами (если они подвижны) или спермиями (если они лишены жгутикового аппарата и не способны активно передвигаться). Сперматозоиды имеют очень маленькие размеры. Они состоят из головки, шейки, средней части и хвоста.
В головке располагается ядро, содержащее ДНК. На переднем конце головки имеется акросома — видоизменённый комплекс Гольджи, который содержит литические ферменты для растворения оболочки яйцеклетки при оплодотворении. Хвост образован микротрубочками и служит для передвижения сперматозоида.
Женские гаметы называются яйцеклетками.
Они, как правило, неподвижны, имеют большие, чем сперматозоиды, размеры, хорошо развитую цитоплазму и запас питательных веществ.
Яйцеклетки разных организмов отличаются друг от друга. В зависимости от количества в яйцеклетке желтка их делят на алецитальные, олиголецитальные, мезолецитальные, полилецитальные. В зависимости от характера распределения желтка в яйцеклетке различают гомо- или изолецитальные, телолецитальные, центролецитальные яйцеклетки.
Типы яйцеклеток
| Тип | Характеристика | Организмы |
| Изолецитальные (гомолецитальные) | Относительно мелкие с небольшим количеством равномерно распределённого желтка. Ядро в них располагается ближе к центру | Встречаются у червей, двустворчатых и брюхоногих моллюсков, иглокожих, ланцетника |
| Умеренно телолецитальные | Имеют диаметр около 1,5–2 мм и содержат среднее количество желтка, основная масса которого сосредоточена на одном из полюсов (вегетативном) На противоположном полюсе (анимальном), где желтка мало, находится ядро яйцеклетки | Характерны для осетровых рыб и земноводных |
| Резко телолецитальные | Содержат очень много желтка, занимающего почти весь объём цитоплазмы яйцеклетки. На анимальном полюсе находится зародышевый диск с активной, лишённой желтка цитоплазмой. Размеры этих яиц крупные — 10–15 мм и более. | Встречаются у некоторых рыб, пресмыкающихся, птиц и яйцекладущих млекопитающих |
| Центролецитальные | Характеризуются концентрацией желтка вокруг ядра, расположенного в центре, а периферические слои лишены питательных веществ | Характерны для насекомых |
| Алецитальные | Практически лишены желтка, имеют микроскопически малые размеры (0,1–0,3 мм) | Характерны для плацентарных млекопитающих, в том числе и для человека |
Образование половых клеток
Процесс образования половых клеток — гаметогенез — протекает в половых железах (гонадах). У высших животных женские гаметы образуются в яичниках, мужские — в семенниках. Процесс образования сперматозоидов называют сперматогенезом, яйцеклеток — оогенезом (или овогенезом). Гаметогенез делят на несколько фаз: размножения, роста, созревания и выделяемую при сперматогенезе фазу формирования.
Фазы гаметогенеза
| Стадии | Число хромосом и хроматид | Сперматогенез | Овогенез |
| Размножение | 2n4c | Характеризуется многократными митотическими делениями клеток стенки семенника,приводящими к образованию многочисленных сперматогоний. Эти клетки диплоидны. Фаза размножения у мужчин начинается с наступлением половой зрелости и продолжается постоянно в течение почти всей жизни | Характеризуется многократными митотическими делениями клеток стенки яичника, приводящими к образованию многочисленных оогоний (овогоний). Эти клетки диплоидны. В женском организме размножение оогоний начинается в эмбриогенезе и завершается к 3-му году жизни. |
| Рост | 2n4c | Сопровождается незначительным увеличением объёма цитоплазмы клеток, незначительным накоплением питательных веществ, необходимых для дальнейших делений, репликацией ДНК и удвоением хромосом. В фазе роста клетки получают название сперматоцитов I порядка | Сопровождается значительным увеличением объёма цитоплазмы клеток, значительным накоплением питательных веществ, необходимых для дальнейших делений, репликацией ДНК и удвоением хромосом. В фазе роста клетки получают название ооцитов (овоцитов) I порядка |
| Созревание | 1n1c | В результате первого мейотического деления образуются два одинаковых сперматоцита II порядка, каждый из которых после второго деления мейоза формирует по две сперматиды.В результате фазы созревания из каждой диплоидной клетки формируются 4 гаплоидные сперматиды | Профаза первого мейотического деления осуществляется ещё в эмбриональном периоде, а остальные события мейоза продолжаются после полового созревания организма. Каждый месяц в одном из яичников половозрелой женщины созревает одна яйцеклетка. При этом завершается I деление мейоза, образуются крупный ооцит II порядка и маленькое первое полярное (направительное) тельце, которые вступают во второе деление мейоза На стадии метафазы второго мейотического деления ооцит II порядка овулирует — выходит из яичника в брюшную полость, откуда попадает в яйцевод. Дальнейшее созревание его возможно лишь после слияния со сперматозоидом. Если оплодотворения не происходит, ооцит II порядка погибает и выводится из организма. В случае оплодотворения он завершает второе мейотическое деление, образуя зрелую яйцеклетку — оотиду (овотиду) — и второе полярное тельце. Полярные тельца никакой роли в оогенезе не играют и в конце концов погибают. В результате фазы созревания из каждой диплоидной клетки формируются гаплоидные клетки: 1 оотида и 3 полярных тельца. |
| Формирование | 1n1c | Из каждой сперматиды формируется сперматозоид с головкой, шейкой и хвостом. | Эта стадия отсутствует. |
Оплодотворение
Оплодотворение — это процесс слияния мужской и женской половых клеток (гамет), в результате которого образуется оплодотворённая яйцеклетка (зигота).
То есть из двух гаплоидных гамет образуется одна диплоидная клетка (зигота).
Различают наружное оплодотворение, когда половые клетки сливаются вне организма, и внутреннее, когда половые клетки сливаются внутри половых путей особи; перекрёстное оплодотворение, когда объединяются половые клетки разных особей; самооплодотворение — при слиянии гамет, продуцируемых одним и тем же организмом; моноспермию и полиспермию — в зависимости от числа сперматозоидов, оплодотворяющих одну яйцеклетку.
Для большинства видов животных, обитающих или размножающихся в воде, свойственно наружное перекрёстное оплодотворение, которое осуществляется по типу моноспермии. Подавляющее большинство наземных животных и некоторые водные виды имеют внутреннее перекрёстное оплодотворение, причём для части птиц и рептилий характерна полиспермия. Самооплодотворение встречается среди гермафродитов, да и то в исключительных случаях.
У человека процесс оплодотворения происходит в маточной трубе, куда после овуляции попадает ооцит II порядка и могут находиться многочисленные сперматозоиды. При контакте с яйцеклеткой акросома сперматозоида выделяет ферменты, разрушающие оболочки яйцеклетки и обеспечивающие проникновение сперматозоида внутрь. После проникновения сперматозоида яйцеклетка формирует на поверхности толстую непроницаемую оболочку оплодотворения, препятствующую полиспермии.
Проникновение сперматозоида стимулирует ооцит II порядка к дальнейшему делению. Он осуществляет анафазу и телофазу II мейотического деления и становится зрелым яйцом. В результате в цитоплазме яйцеклетки оказываются два гаплоидных ядра, называемых мужским и женским пронуклеусами, которые сливаются с образованием диплоидного ядра — зиготы.
У цветковых растений, кроме слияния гаплоидных гамет — одного из спермиев с яйцеклеткой и образования диплоидной зиготы, из которой развивается зародыш семени, происходит слияние второго спермия с диплоидной вторичной клеткой и образование триплоидных клеток, из которых образуется эндосперм. Этот процесс называется двойным оплодотворением.
Для некоторых групп организмов характерны типы полового размножения (без оплодотворения), один из которых называется партеногенез. Партеногенез — развитие организма из неоплодотворёной яйцеклетки. Характерен для многих общественных насекомых (муравьёв, пчёл, термитов), а также для коловраток, дафний и даже некоторых рептилий. Встречается и у растений (одуванчик).
Индивидуальное развитие организмов
Типы онтогенеза
Онтогенез — индивидуальное развитие организма от зарождения до конца жизни (смерти или нового деления). У видов, размножающихся половым путём, он начинается с оплодотворения яйцеклетки. У видов с бесполым размножением онтогенез начинается с обособления одной клетки или группы клеток материнского организма. У прокариот и одноклеточных эукариотических организмов онтогенез представляет собой, по сути, клеточный цикл, обычно завершающийся делением или гибелью клетки.
Онтогенез есть процесс реализации наследственной информации особи в определённых условиях среды.
Различают два основных типа онтогенеза: прямой и непрямой.
При прямом развитии рождающийся организм в основном сходен со взрослым, а стадия метаморфоза отсутствует.
При непрямом развитии образуется личинка, отличающаяся от взрослого организма внешним и внутренним строением, а также характером питания, способом передвижения и рядом других особенностей.
Типы онтогенеза
| Тип | Характеристика | Примеры |
| Непрямой (личиночный) | Наличие личинки обусловлено относительно малыми запасами желтка в яйцах этих животных, а также необходимостью смены среды обитания в ходе развития либо необходимостью расселения видов, ведущих сидячий, малоподвижный или паразитический образ жизни. Личинки живут самостоятельно, активно питаются, растут, развиваются. У них имеется ряд специальных провизорных, то есть временных, отсутствующих у взрослых форм, органов. Во взрослую особь личинка превращается в результате метаморфоза. В зависимости от особенностей метаморфоза непрямой (личиночный) тип развития может быть с неполным и с полным превращением. | Многие виды беспозвоночных и некоторые позвоночные животные: рыбы, земноводные |
| с неполным превращением (метаморфозом) | Личинки постепенно утрачивают временные личиночные органы и приобретают постоянные, характерные для взрослых особей. | Кузнечики |
| с полным превращением (метаморфозом) | Личинка сначала превращается в неподвижную куколку, из которой выходит взрослый организм, совершенно непохожий на личинку. | Бабочки |
| Тип | Характеристика | Примеры |
| Прямой неличиночный (яйцекладный) | Зародыш длительное время развивается внутри яйца. Основные жизненные функции у таких зародышей осуществляются специальными провизорными органами — зародышевыми оболочками. | У ряда беспозвоночных, а также у рыб, пресмыкающихся, птиц и некоторых млекопитающих, яйца которых богаты желтком |
| Прямой внутриутробный | Все жизненные функции зародыша осуществляются через материнский организм. Для этого из тканей матери и зародыша развивается сложный провизорный орган — плацента. Завершается этот тип развития процессом деторождения. | Характерен для высших млекопитающих и человека, яйцеклетки которых почти лишены желтка |
Онтогенез многоклеточных организмов подразделяют на периоды:
Эмбриональное развитие
Эмбриональное развитие (эмбриогенез) начинается с момента оплодотворения, представляет собой процесс преобразования зиготы в многоклеточный организм и завершается выходом из яйцевых или зародышевых оболочек (при личиночном и неличиночном типах развития) либо рождением (при внутриутробном). Эмбриогенез включает процессы дробления, гаструляции, гисто- и органогенеза.
Эмбриогенез
В зависимости от типа бластулы клетки в ходе гаструляции перемещаются по-разному. Выделяют четыре основных способа гаструляции: инвагинация (впячивание), эпиболия (обрастание), иммиграция (проникновение внутрь), деламинация (расслоение), которые в чистом виде почти не встречаются, что даёт основание выделять пятый способ — смешанный (комбинированный).
Из эктодермы образуются нервная система, эпидермис кожи и его производные (роговые чешуи, перья и волосы, зубы).Из мезодермы образуются мускулатура, скелет, выделительная, половая и кровеносная системы.
Из энтодермы образуются пищеварительная система и её железы (печень, поджелудочная железа), дыхательная система.
Постэмбриональное развитие
Постэмбриональное (послезародышевое) развитие начинается с момента рождения (при внутриутробном развитии зародыша у млекопитающих) или с момента выхода организма из яйцевых оболочек и продолжается вплоть до смерти живого организма. Постэмбриональное развитие сопровождается ростом. При этом он может быть ограничен определённым сроком или длиться в течение всей жизни.
Гипотезы возникновения многоклеточности
Рис. 1. Колония Dictyostelium в процессе агрегации (Автор Bruno in Columbus)
Многоклеточные организмы возникают различными путями, например, путем деления клеток или путем агрегации (соединения) множества отдельных клеток. Колониальные организмы являются результатом того, что отдельные индивидуальные клетки объединяются в колонию. Однако часто бывает трудно отделить колониальных простейших от настоящих многоклеточных организмов, потому что эти две концепции не различаются.
Многоклеточность развивалась независимо по меньшей мере в 46 раз у эукариот [статья на эту тему на английском языке тут], а также у некоторых прокариот, таких как цианобактерии, миксобактерии, актиномицеты, у экстремофильной бактерии Magnetoglobus multicellularis и у группы метановых архебактерий Methanosarcina.
Первым доказательством многоклеточности являются цианобактериоподобные организмы, которые жили 3–3,5 миллиарда лет назад.
Некоторые группы организмов в своем эволюционном развитии утратили многоклеточность.
Потеря многоклеточности также считается вероятной у некоторых зеленых водорослей (например, Chlorella vulgaris и некоторые из группы Ulvophyceae). В других группах, как правило, паразитах, происходило уменьшение количества клеток или уменьшение типов клеток (например, многие представители Myxozoa, многоклеточные организмы, ранее считавшиеся одноклеточными, являются паразитами морских животных).
Одна из гипотез о происхождении многоклеточности заключается в том, что группа функционально-специфических клеток объединяется в слизистую массу, которая перемещается как многоклеточная единица. Это в основном то, что делают слизевики.
Другая гипотеза состоит в том, что примитивная клетка подвергалась делению ядра, превращаясь в коеноцит (клетку с множеством ядер). Мембрана, в таком случае, сформировалась бы вокруг каждого ядра (и клеточного пространства и органелл, занятых в пространстве), таким образом приводя к группе связанных клеток в одном организме. Этот механизм наблюдается у дрозофилы.
Третья гипотеза состоит в том, что при разделении одноклеточного организма дочерние клетки не могли отделиться, что привело к конгломерации идентичных клеток в одном организме, что впоследствии могло развить специализированные ткани. Это то, что делают эмбрионы растений и животных, а также колониальные хоанофлагелляты.
Поскольку первые многоклеточные организмы были простыми, мягкими организмами, у которых не было костей, раковин или других твердых частей тела, они плохо сохранились в ископаемом материале. Одним из исключений может быть Обыкновенная губка (Demospongiae), которая, возможно, оставила химический след в древних породах.
Самые ранние окаменелости многоклеточных организмов включают Grypania spiralis (см. рисунок 1) и окаменелости черных сланцев палеопротерозойской фервильской группы в Габоне (2,5 млрд лет назад).
Рис. 2. Grypania spiralis в отложениях
Далее я более подробно расскажу о современных теориях возникновения многоклеточности:
Эта теория предполагает, что первые многоклеточные организмы произошли от симбиоза (кооперации) различных видов одноклеточных организмов, каждый из которых играет разные роли. Со временем эти организмы станут настолько зависимыми друг от друга, что не смогут выжить независимо, что в конечном итоге приведет к объединению их геномов в один многоклеточный организм. Каждый соответствующий организм стал бы отдельной линией дифференцированных клеток во вновь создаваемых видах.
Эта теория утверждает, что один одноклеточный организм с несколькими ядрами мог бы создать внутренние мембранные перегородки вокруг каждого из своих ядер.
Многие протисты, такие как инфузории или слизевики, могут иметь несколько ядер, что подтверждает эту гипотезу. Однако простого наличия нескольких ядер недостаточно для поддержки теории. Множественные ядра инфузорий различны и имеют четко дифференцированные функции. Макроядро служит потребностям организма, а микроядро используется для полового размножения с обменом генетического материала.
Синцитиальные слизевики образуются из отдельных амебоидных клеток, подобно синцитиальным тканям некоторых многоклеточных организмов, а не наоборот.
Чтобы считаться действительной, эта теория нуждается в наглядном примере и механизме образования многоклеточного организма из ранее существовавшего синцития.
Рис. 3. Слизевик Fuligo septica (Автор фото Kreis Tuttlingen)
Преимущество колониальной теории состоит в том, что она была обнаружена независимо в 16 различных типах простейших. Например, во время нехватки пищи амеба Dictyostelium (Рис. 1) группируется в колонии, которая перемещается как единое целое в новое место. Некоторые из этих амеб затем немного отличаются друг от друга.
Другими примерами колониальной организации у простейших является, например, Volvox sp. (Рис. 4), который состоит из 500-50000 клеток (в зависимости от вида), только часть из которых размножается.
Однако часто бывает трудно отделить колониальных протистов от настоящих многоклеточных организмов, поскольку эти две концепции не различаются; колониальные протисты были названы «плюрицеллюлярными», а не «многоклеточными».
Рис. 4. Колонии вольвокса (Автор фото Frank Fox)
В отечественной литературе колониальную теорию обычно делят на теорию гастреи (Геккель, 1872), теорию фагоцителлы (Мечников, 1878) и теорию синзооспоры (Захваткин, 1949). Обе теории довольно схожи, разница в том, как, согласно эти теориям, происходила интеграция клеток в колонии.
Так развиваются ланцетники и коралловые полипы.
Так развиваются обыкновенные губки, гидроидные и сцифоидные стрекающие.
Основным кандидатом на роль предка всех многоклеточных является воротничковый жгутиконосец (Choanoflagellata), их клетки снабжены жгутиком, окруженный воротничком. Жгутик создает токи жидкости, позволяющие хоанофлагеллятам плавать в толще воды. Эти же токи пригоняют в воротничковую зону бактерий, которыми хоанофлагелляты питаются. Многие их этих простейших образуют колонии, причем легко переходят из одноклеточного состояния в колониальное и обратно.
Рис. 5. Гастрея и фагоцителла
Отличия от теорий фагоцителлы и гастреи:
— Сидячий образ жизни примитивных взрослых многоклеточных.
Многоклеточность позволяет организму превышать пределы размера, обычно налагаемые диффузией: отдельные клетки с увеличенным размером имеют уменьшенное отношение поверхности к объему и испытывают трудности с поглощением достаточного количества питательных веществ и их транспортировкой по всей клетке.
Таким образом, многоклеточные организмы имеют конкурентные преимущества увеличения размера без его ограничений. Многоклеточность также позволяет увеличивать сложность, позволяя дифференцировать типы клеток в пределах одного организма.
Лига биологов
4.6K постов 11.9K подписчиков
Правила сообщества
‣ Будьте вежливы и сдержаны.
‣ Не разводите политоту, не тащите спам.
‣ Удаляются посты содержащие антинаучные и другие сомнительные идеи. Их авторы караются на месте.
‣ Так как в сообществе отключена премодерация, могут проходить посты по тем или иным причинам не подходящие под формат сообщества. Такие посты переносятся в общую ленту, имейте в виду.
‣ При желании ТС, можно перенести в сообщество недавно созданные посты подходящей тематики.
‣ Если в пост закралась ошибка, не удивляйтесь, если администратор попросит её исправить.
‣ Вбросы антинаучных идей и попросту различная глупость в комментариях расцениваются как развлечение для публики. Такие сообщения отдаются на растерзание толпе, как и их авторы, будь то тролли, адепты всех мастей или просто недальновидные личности.
‣ Политика сообщества не предусматривает раздачу банов направо и налево, однако, если вы нарушаете покой пользователей – не обижайтесь.
Нашел у себя косяк в абзац после рис. 4. Читайте не «обе теории», а «все три». Не вычитал при редактуре.
— Сидячий образ жизни примитивных взрослых многоклеточных.
Очень интересно) ещё бы было побольше примеров с картинками) так, таким малообразованным, как я, понятнее))
Блин, игра такая была, где нужно было другие клетки и ядра поглощать. Не Spore, попроще. Кто помнит?
Чувствуете, пахнУло курсом беспов и Малаховым?
Эти зеленые водоросли всю жизнь в аквариуме портят, то вылазят то пропадают))
всё чаще посещают мысли, что скоро в метод.указаниях по зооллгии буду на пикабу студентов посылать: и написано яснее, и актуальнее, и ссылки с доказательствами на публикации есть. Только вот почему-то это ни разу не смешно, а даже грустно.
Я поддерживаю теорию гастреи.
А может кто помнит мини игру где просто выставляешь параметры для своих клеток (скорость размножения, выживаемость, сила) и можно было соревноваться с другими клетками.
Однако стоит загуглить
как возникает мысль, что кто-то пиздит: либо гугл, либо ТС.
Клетка-организм
Учёные обнаружили последовательности ДНК в почве водно-болотных угодий. Они не похожи на то, что исследователи находили ранее. Эти последовательности могут иметь важное и непредсказуемое влияние на глобальный климат.
Авторы нового исследования, направленного на рецензирование, назвали эти генетические элементы «борги» в честь псевдо-расы киборгов из вселенной «Звёздный Путь» из-за их способности ассимилировать гены других организмов.
«Борги» — внехромосомные элементы. Это значит, что фрагменты ДНК находятся за пределами хромосом, расположенных в ядре большинства клеток и содержащих большую часть генетического материала организма. Например, к таким внехромосомным элементам относятся плазмиды, способные размножаться вне хромосом носителя, а также некоторые вирусы.
«Я была очень удивлена, особенно когда стало ясно, что они несут гены, непосредственно участвующие в окислении метана», — сказала старший автор исследования Джиллиан Банфилд, биогеохимик и геомикробиолог Калифорнийского университета в Беркли.
Банфилд и её коллеги поняли, что имеют дело с чем-то особенным, когда секвенировали ДНК из образцов почвы калифорнийских болот.
Исследователи изучили огромное разнообразие микроорганизмов, например, бактерий, архей, эукариот, вирусов, фагов и плазмид, — населяющих водные среды обитания, такие, как подземные водоносные горизонты и заболоченные местности. «Борги» сильно отличались от всего, с чем встречались исследователи.
«При изучении образцов одного из болот мы обнаружили фрагменты загадочных геномов, которые совершенно точно принадлежали археям, но их нельзя было отнести к любому типу из известных генетических элементов», — сказала Банфилд.
«Затем мы искали их в других наших базах данных», — добавила Банфилд. Используя этот подход, исследователи собрали по крайней мере 19 вариантов «боргов» и секвенировали четыре полных генома. Тем самым они установили существование большой линии родственных организмов с чёткими общими (и несколько необычными) особенностями, что делает их новыми внехромосомными элементами.
Команда назначила каждой из 19 групп «боргов» цвет — например, оранжевый, фиолетовый и розовый — и описала некоторые их удивительные свойства, включая огромные размеры. «Борги» чаще встречались в глубоких бедных кислородом почвах. Иногда их популяции в восемь раз превышали популяции Methanoperedens. Тем не менее, исследователи не обнаружили заметной корреляции между концентрациями Methanoperedens и «боргов», что добавляет загадок к происхождению и поведению обнаруженных ДНК.
Тем не менее, «борги» явно содержат гены, способные повышать энергетический метаболизм Methanoperedens, которые тоже их содержат. Если это так, эти уникальные генетические элементы могут дать новое представление о сокращении выбросов метана, что является одной из главных целей большинства стратегий по смягчению климата.
«Мы ожидаем, что «борги» увеличивают общее количество метана, который окисляют methanoperedens, частично за счёт улучшения их адаптаций к меняющимся условиям, — сказала Бенфильд. — Таким образом, в ближайшем будущем необходимо выяснить, как стимулировать рост methanoperedens в сельскохозяйственных почвах, которые благодаря «боргам» становятся более устойчивыми».
Команда исследователей также планирует решить более базовый вопрос: что же такое эти «борги»? Они могут быть гигантскими линейными вирусами или плазмидами, не похожими ни на одни из уже обнаруженных, или, возможно, они – родственная линия methanoperedens, потерявшая гены и установившая симбиотическую ассоциацию внутри methanoperedens.
Чтобы разобраться во всех загадках, связанных с этими странными последовательностями ДНК, исследователи надеются обнаружить больше «боргов» в других наборах данных. Бенфилд сказала, что это исследование может привести к открытию новых механизмов для процессов, о существовании которых мы пока не подозреваем.
«Таким образом, можно провести аналогию с CRISPR — системой с лишь частично предсказанной функцией, связанной с защитой микробов от вирусов, но, в конечном счете, фантастическим новым набором инструментов», — добавила Бенфилд.
Ученые вырастили бактерию, которая питается сточными водами
Супербактерию, поедающие сточные воды, впервые “вырастили” на заводе в Квинсленде в Австралии. Ученые предложили более экологичный способ очистки сточных вод и сэкономили компании по управлению водными ресурсами полмиллиона австралийских долларов
Эти уникальные на вид бактерии называются клопами анаммокс, и они размножаются в сточных водах, в тех, которые смывают в унитаз.
Они буквально выедают сточные воды, избавляясь от азота и аммония и очищая их естественным путем. Их специально выращивают на небольших пластиковых дисках, которые затем перемещают в резервуары для сточных вод.
Более традиционный процесс очистки сточных вод требует использования большого количества химикатов и энергии, но теперь бактерии обеспечивают более устойчивый и эффективный путь.
Бактерии, выращенные в Брисбене, были внедрены компанией Queensland Urban Utilities для обслуживания быстро растущего населения.
Бактерии анаммокс растут очень медленно. Пять лет назад они помещались только в небольшую банку. Теперь они открыли десять бассейнов на заднем дворе.
Бактерии не могут быть импортированы из-за законов о биобезопасности, поэтому компании Urban Utilities пришлось выращивать их с нуля в резервуарах с контролируемой температурой.
Это первая и единственная ферма анаммокса в Австралии, но компания Urban Utilities заявляет, что скоро ее будет достаточно, чтобы поделиться бактериями с заинтересованными компаниями.
Что такое квантовая биология
Все во Вселенной состоит из элементарных частиц. Изучением их и связанных с ними явлений занимается квантовая физика — странная наука, где много всего неопределенного. Но что, если квантовые эффекты распространяются не только на квантовые масштабы, но и на жизнь в целом? Поисками ответа на этот вопрос и занимается квантовая биология.
«Если тебя квантовая физика не испугала, значит, ты ничего в ней не понял». © Нильс Бор, лауреат Нобелевской премии 1922 года, один из создателей современной физики
Биологи не очень любят связываться с физикой. Будучи студентами, они посещают вводные курсы по физике, а потом благодарят богов науки, что им больше не придется беспокоиться об Эйнштейне, Максвелле и Ньютоне. Что касается квантовой физики, то большинству биологов вообще нет нужды о ней задумываться. Они изучают молекулы в таких крупных масштабах, что им не надо знать ничего сверх основ квантовой механики. Привычной модели молекулы достаточно для изучения взаимодействий между триллионами органических молекул. Физики же изучают квантовую механику в вакууме при почти абсолютном нуле. Принято считать, что в условиях тепла и беспорядка, царящих в живых клетках, квантовые эффекты можно, по сути, игнорировать.
Между тем некоторые ученые предполагают, что существуют биологические феномены, которые можно объяснить квантовой механикой — и только. В своей книге «Что такое жизнь?» Эрвин Шредингер постулировал, что квантовая механика способна оказывать серьезное воздействие на клеточные функции. Он предположил, что генетический материал может храниться и наследоваться посредством сохранения информации в разных квантовых состояниях. И пусть позднее Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик выяснили, что ДНК — переносчик генетической информации, Шредингер дал начало квантовой биологии.
Не так давно продуманные до мелочей эксперименты предоставили доказательство того, что квантовая биология сильно влияет на жизнь. Оказалось, ферменты — катализаторы реакций в клетке — используют так называемый туннельный эффект, или квантовое туннелирование. При помощи этого механизма они могут перемещать электрон или протон из одной части молекулы в другую.
Квантовое туннелирование предоставляет ферментам быстрый и эффективный способ переорганизации молекул для поддержания реакций. Этот процесс невозможно объяснить при помощи классической физики. Для понимания этих реакций необходимы квантовые вероятности и дуальности.
Туннельный эффект также играет роль в мутациях ДНК. ДНК — это двухцепочечная молекула, части которой удерживаются вместе при помощи водородных связей. Эти связи можно изобразить примерно так (см. картинку).
Диаграмма водородной связи в аденин-тимине / © Adam David Godbeer/Jim Al-Khalili/P. D. Stevenson
Белые атомы принадлежат водороду. В этом соединении есть две водородные связи. Считается, что атомы водорода могут «перепрыгивать» на другую сторону при помощи квантового туннелирования. Если цепочки ДНК разделены во время прыжка водорода на другую сторону, то эти связи могут скопироваться или воспроизвестись неправильно. Мутация, появившаяся в результате туннелирования водорода, потенциально может вызвать заболевание.
Фотосинтез — один из самых важных процессов жизни. Когда фотон света попадает в пигмент, он поглощается, а вместо него освобождается электрон. Затем электрон попадает в электрон-транспортную цепь, накапливающую химический потенциал, который можно использовать для генерации АТФ (аденозинтрифосфат, или аденозинтрифосфатная кислота). Но чтобы попасть в электрон-транспортную цепь, электрону нужно переместиться из одной точки, из которой его освобождает фотон, через хлорофилл, в точку, известную как реакционный центр. Есть множество путей, по которым электрон может достичь его.
Квантовая когерентность в фотосинтезе / © Jim Al-Khalili
При помощи принципов квантовой когерентности и квантового запутывания электроны могут перемещаться по самым эффективным путям, не затрачивая энергию на тепло. Согласно квантовой когерентности электроны могут двигаться в нескольких направлениях одновременно из-за своих волнообразных свойств. Таким образом, электроны способны перемещаться по нескольким разным путям одновременно для достижения реакционного центра. Этот феномен позволяет максимально эффективно переносить энергию.
Квантовая когерентность может влиять и на другие аспекты жизни. Некоторые ученые предполагают, что сетчатка человеческого глаза использует когерентность для передачи сигналов из глаза в мозг. Они утверждают, что фотоизомеризация — изменение в структуре фотонного рецептора — происходит так быстро, что такую скорость может обеспечить только квантовая когерентность. С учетом этого в природе вполне может существовать еще множество биохимических путей, использующих квантовую когерентность, и они только и делают, что ждут, когда их наконец откроют.
Запутанность — одна из самых сложных для понимания концепций квантовой механики. Она описывает взаимодействие между двумя или более квантовыми частицами. И пусть это еще не подтверждено, считается, что квантовая запутанность может объяснить магниторецепцию. Магниторецепция — способность организмов чувствовать магнитное поле и определять свое расположение на местности в соответствии с ним. Птицы и животные используют эту способность, чтобы чувствовать магнитное поле Земли и мигрировать. Долгое время точный механизм этого явления был тайной. Возможно, магнитное поле Земли влияет на механизм, использующий радикальные пары внутри сетчатки, а запутанность внутри этой пары может предоставлять организмам квантовый сигнал, работающий словно компас: об этом рассуждали Джим Аль-Халили и Джонджо МакФадден в своей книге «Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии».
Схематическое описание «квантового компаса» у птиц / © Zhang-qi Yin/Tongcang Li
Квантовая механика может влиять на многие биохимические функции. Некоторые считают, что обоняние — то, как мы чувствуем запахи — может быть результатом квантовых вибраций молекул. В то же время существуют исследования, указывающие на то, что с квантовой механикой связано броуновское движение внутри клетки.
В любом случае квантовая биология — молодое направление науки, но похоже, что у него есть серьезный потенциал. Остается только ждать и наблюдать за новыми исследованиями в этой области.
Венгерские ученые создали бактериальный коктейль, поглощающий пластик
Две юные венгерки создали уникальный бактериальный коктейль, способный разрушить любой одноразовый пластик за семь недель.
Основатели компании Poliloop Лиз Мадарас и Кристина Левай познакомились в магистратуре фармацевтической химии и инженерии Будапештского технологического университета. Совместные лабораторные исследования они начинали после занятий в университете и по выходным.
Молодые ученые стремились предложить актуальное решение для борьбы с неперерабатываемым пластиком. Спустя два года был найден уникальный состав бактериального коктейля, который мог разрушить одноразовый пластик за 6-8 недель. При разложении пластмассы получается органический компост, из которого снова можно производить биопластик.
С помощью своего изобретения Poliloop создали своего рода экономику замкнутого цикла, которая позволит компаниям повторно использовать одну и ту же пластиковую упаковку снова и снова. Новая разработка позволяет перерабатывать пластик без какой-либо предварительной химической обработки или серьезной очистки, и во время процесса не выделяются вредные вещества.
Следующим шагом компании станет промышленное тестирование, после которого они надеются начать сотрудничество с несколькими транснациональными компаниями.
Что на самом деле произошло у берегов Камчатки
Фото взято из инстаграма с указанием автора.
Большинство из вас слышало о недавней гибели морских животных на Камчатке, а единицы даже сейчас помнят о случившемся. Еще неделю назад новостные ленты пестрили заголовками о «тысячах трупов на побережье Тихого океана», а на федеральных каналах выходили сюжеты о расследованиях «экологической катастрофы» местными ответственными чиновниками. Которые в итоге во всем разобрались и вообще решили все проблемы граблями. Далее вы наверняка наслаждались конспирологическими теориями диванных специалистов из ютуба, и постоянно натыкались на истерики в комментариях о загубленном океане, да и вообще «власти всё скрывают», а человек – «это раковая опухоль на теле несчастной матушки Земли». Сразу появился идиотский хэштэг в инстаграме о том, что я и ты, и мы все – это Тихий океан. К лицемерию вокруг этой проблемы не постеснялись присоединиться и так называемые «звезды шоу бизнеса» и прочие ревнители своей угасающей популярности.
Для тех, кто не в курсе, я бакалавр химии и биологии, магистр биологии, специалист по водным организмам от бактерий до акул, ихтиопатолог (это тот, кто, в том числе, проводит вскрытия для установления причины смерти рыб и водных беспозвоночных), когда-то работал государственным инспектором в сфере рыбного хозяйства и неоднократно принимал участие в расследованиях массовой гибели гидробионтов (водных обитателей), а сейчас я руководитель биологической службы одного из московских океанариумов. Так что я немного в теме.
В итоге основная официальная версия случившегося на Камчатке, выдвинутая учеными РАН – «красный прилив» (бурное развитие токсичных микроводорослей). Ну конечно, скажут диванные специалисты, если государство будет выбирать виновного между военным и чиновником, то на кого падёт выбор с большей долей вероятности, правильно, на водоросли!
Я провел собственное научное расследование и пришел к выводу, что ученые РАН не ошибаются. Но они нигде не представили данных (или я их не нашел) о поэтапном развитии событий на Камчатке, механизмах возникновения красных приливов в этой местности, и не ответили на ряд вопросов, которые возникают у критиков этой версии:
1. Цветение воды (массовое развитие микроводорослей) происходит в середине лета – когда температура воды, продолжительность дня и интенсивность солнечного освещения достигают максимума, но ведь сейчас осень – пасмурно, холодно и дни короткие?
2. Цветение воды возникает в перенасыщенной питательными веществами среде – в воде должны присутствовать высокие концентрации нитратов и фосфатов. А в анализах проб только фосфаты и железо выше нормы, нитратов практически нет, чем же питаться водорослям?
3. Токсины, выделяемые микроводорослями опасны для млекопитающих, птиц и рыб, а вот беспозвоночные к этим токсинам устойчивы, более того, многие моллюски фильтраторы питаются этими водорослями и накапливают яды в себе, при этом не испытывая никаких проблем. А здесь 99% погибших – беспозвоночные, в том числе и моллюски-фильтраторы?
4. Развитие токсичной водоросли должно было окрасить воду в красный цвет – ведь это «красный прилив», а тут был какой-то зелено-желтый оттенок, который потом и вовсе пропал?
5. Красные приливы встречаются во многих теплых частях планеты, в Японском море, в Мексиканском заливе, но никогда не отмечались у побережья Камчатки, ведь тут холодно!
6. Как могли токсины микроводорослей влиять на людей, которые не пили морскую воду, не ели местных моллюсков, а некоторые даже пребывали только на берегу?
Далее я попытаюсь ответить на все поставленные вопросы и восстановлю развитие событий в Авачинском заливе, параллельно объясняя биологические механизмы их возникновения:
Первый этап – накопление фосфатов. Это происходит из-за многолетней деятельности человека – во впадающие в океан реки стекают удобрения, чистящие средства, бытовые отходы и прочие источники фосфатов. Уровень фосфата в чистой воде океанов не превышает 0,05 мг/л. Я изучил анализы воды, сделанные государственной лабораторией Камчатского края (они есть в открытом доступе) и обнаружил превышение по фосфату практически во всех впадающих в океан реках в районе Авачинского залива. В среднем концентрация фосфатов превышена в три раза и составляет 0,15 мг/л, что вовсе не критично для морской фауны. При этом уровень нитрата согласно анализам – минимальный (в среднем менее 1 мг/л). Присутствие фосфатов позволяет быстро набирать биомассу фитопланктону только в том случае, когда их соотношение с нитратом 1 к 16 (соотношение Редфилда), то есть при 0,15 мг/л фосфата должно быть 16*0,15 = 2,4 мг/л нитратов. Такого уровня нитратов в Авачинском заливе нет, поэтому возникает дефицит органического азота и обычные для фитопланктона диатомовые водоросли не развиваются в больших количествах.
Второй этап – накопление органического азота. В условиях дефицита органического азота и избытка фосфата массово размножаться могут только азотфиксирующие микроорганизмы, такие как синезеленые водоросли (цианобактерии). Они способны улавливать растворенный в воде азот, и превращать его в белки своей клетки. То есть получать органический азот из неорганического. Но для развития этих водорослей помимо фосфатов необходим еще один важный компонент – железо. Для процесса захвата молекулярного азота этим водорослям требуется в 10 раз больше железа, чем обычному фитопланктону для роста в условиях оптимального соотношения нитратов и фосфатов. Вернемся к результатам анализа воды гослабораторией и отметим, что все впадающие реки и сам залив имеют превышение по железу минимум в два, а максимум в семь раз! Интересные исследования о появлении железа в прибрежных водах, где наблюдаются красные приливы, провели американские ученые – они установили, что это пыль из пустынь! Её приносят с собой облака и морские течения. Пустынная пыль богата железом и кремнием. Откуда взялось железо у побережья Камчатки – мне доподлинно неизвестно, но факт, что оно там содержится в высокой концентрации. Я могу предположить, что это связано с деятельностью вулканов, от которых берут начало Камчатские реки. Поэтому в июле-августе в Авачинском заливе стали бурно размножаться азотфиксирующие цианобактерии, например из рода Trichodesmium. Скорее всего, на их бурное развитие обратил внимание Гринпис, на сайте организации можно найти снимки этого процесса из космоса.
Шестой этап. Токсин остается! Часть его присутствует в воде и приносится на берег в виде аэрозоли, другая часть выделяется из мертвых водорослей на берегу. Халактырский пляж становится местом паломничества различных экологов, журналистов, чиновников и прочих интересующихся. Серфингисты остаются в своем лагере. А нужно было всем покинуть этот пляж в середине сентября, чтобы не получить проблем со здоровьем.