Der Kern der Erde und der Kern der Zelle - was ist gemeinsam?

Der Kern der Erde und der Kern der Zelle – was ist gemeinsam?

Alexander Wladimirowitsch Markow,
Doktor der biologischen Wissenschaften, Senior Researcher, Paläontologisches Institut, Russische Akademie der Wissenschaften
"Ökologie und Leben" №9, 2010

Das Schicksal des Lebens auf der Erde wurde vor etwa 2,6 Milliarden Jahren entschieden. Die größte Umweltkrise fiel mit einem großen Entwicklungssprung zusammen. Wenn die Katastrophe ein wenig stärker wäre, könnte der Planet für immer leblos bleiben. Wenn es schwächer wäre – vielleicht wären die Bakterien immer noch die einzigen Bewohner der Erde …

Das Auftreten von Eukaryoten – lebende Zellen mit einem Kern – ist das zweithäufigste (nach der Geburt des Lebens selbst) ein biologisches Evolutionsereignis. Über wann, wie und warum der Zellkern erschien und wird diskutiert.

Das Leben auf der Erde hat einen langen Weg von der ersten lebenden Zelle zu Säugetieren und Menschen zurückgelegt. Auf diesem Weg gab es viele epochale Ereignisse, viele große Entdeckungen und geniale Erfindungen wurden gemacht. Welcher war der wichtigste? Vielleicht die Bildung des menschlichen Gehirns oder die Entstehung von Tieren an Land? Oder vielleicht das Auftreten von vielzelligen Organismen? Die Wissenschaftler hier sind fast einstimmig: Die größte Errungenschaft der Evolution war die Entstehung von Zellen des modernen Typs – mit dem Kern, den Chromosomen, den Vakuolen und anderen Organen, woran wir uns dunkel die Namen der schwer auszusagenden Schulbänke erinnern.Genau die Zellen, aus denen unser Körper besteht.

Zuerst waren die Zellen völlig verschieden. Sie hatten weder Kerne noch Vakuolen noch andere "Organe", und das Chromosom war nur eins, und es hatte die Form eines Rings. Bis heute sind die Zellen von Bakterien – die ersten Bewohner der Erde – gebaut worden. Zwischen diesen Primärzellen und modernen, verbesserten – der Abgrund ist viel größer als zwischen Quallen und Menschen. Wie hat die Natur es geschafft?

Bakterielle Welt

Eine Milliarde Jahre oder sogar mehr war die Erde das Reich der Bakterien. Bereits in den ältesten Sedimentgesteinen der Erdkruste (ihr Alter beträgt 3,5 Milliarden Jahre) wurden Überreste von Blaualgen oder Cyanobakterien gefunden. Diese mikroskopischen Organismen blühen heute. Über Milliarden von Jahren haben sie sich nicht viel verändert. Sie malen das Wasser in Seen und Teichen in bläulich-grüner Farbe und sagen dann, dass "Wasser blüht". Blaualgen sind keineswegs die primitivsten Bakterien. Von der Geburt des Lebens bis zum Auftreten von Cyanobakterien sind wahrscheinlich viele Millionen Jahre der Evolution vergangen. Leider ist von diesen alten Epochen in der Erdkruste keine Spur erhalten: gnadenlose Zeit und geologische Kataklysmen zerstört, in heißen Eingeweiden schmelzend, alle Sedimentgesteine,entstand in den ersten hundert Millionen Jahren der Erde.

Cyanobakterien sind nicht nur alte Organismen, sondern auch verdiente. Sie "erfanden" Chlorophyll und Photosynthese. Ihre unscheinbare Arbeit bereicherte den Ozean und die Atmosphäre über viele Millionen Jahre allmählich mit Sauerstoff, was das Auftreten von echten Pflanzen und Tieren ermöglichte. Zuerst wurde der gesamte Sauerstoff zur Oxidation von im Meer gelöstem Eisen verwendet. Das oxidierte Eisen präzipitierte: So bildeten sich die größten Eisenerzlagerstätten. Erst als das Eisen "fertiggestellt" wurde, begann sich Sauerstoff im Wasser anzusammeln und in die Atmosphäre einzudringen.

Mindestens eine Milliarde Jahre waren Cyanobakterien die ungeteilten Besitzer der Erde und fast ihre einzigen Bewohner. Der Grund der Ozeane war mit blaugrünen Teppichen bedeckt. Andere Bakterien lebten in diesen Teppichen, Cyanobakterienmatten, zusammen mit den blaugrünen. Sie alle waren perfekt aufeinander und auf die harten Bedingungen des Urmeeres abgestimmt. Zu dieser Zeit – der archaischen Ära (Archaeen) – war es auf der Erde sehr heiß. Die kohlendioxidreiche Atmosphäre erzeugte einen starken Treibhauseffekt. Aus diesem Grund hatten sich die Ozeane am Ende des Archaischen auf 50-60 ° C erwärmt.In Wasser auflösend, wurde Kohlendioxid in Säure umgewandelt; heißes saures Wasser wurde mit hartem ultravioletten Licht bestrahlt (schließlich hatte die Erde noch keine moderne Atmosphäre mit einem sparsamen Ozonschild). Zusätzlich wurde eine große Menge an toxischen Schwermetallsalzen in dem Wasser gelöst. Ständige Eruptionen von Vulkanen, Asche- und Gasemissionen, starke Schwankungen der Umweltbedingungen – dies alles vereinfachte nicht das Leben der ersten Bewohner des Planeten.

Die Bakteriengemeinschaften, die sich in solch einer unwirtlichen Umgebung entwickelten, waren unglaublich widerstandsfähig und widerstandsfähig. Aus diesem Grund war ihre Entwicklung sehr langsam. Sie waren bereits an fast alles angepasst, und sie mussten sich nicht verbessern. Damit sich das Leben auf der Erde zu entwickeln begann und komplexer wurde, erforderte es eine Katastrophe. Es war notwendig, diese supertable Bakterienwelt, die ewig und unzerstörbar schien, zu zerstören, um Lebensraum für etwas Neues zu schaffen.

Planetarische Katastrophe – die Bildung des Erdkerns

Die lang ersehnte Revolution, die der anhaltenden Stagnation ein Ende setzte und der bakteriellen "Sackgasse" Leben einhauchte, geschah vor 2,7 bis 2,5 Milliarden Jahren, am Ende der archaischen Ära. Russische Geologen O. G.Sorokhtin und S. A. Ushakov, die Autoren der neuesten physikalischen Theorie der Entwicklung der Erde, berechneten, dass zu dieser Zeit unser Planet die größte und katastrophalste Transformation in seiner gesamten Geschichte durchgemacht hatte.

Nach ihrer Hypothese war der Grund für die Katastrophe das Auftreten eines Eisenkerns auf unserem Planeten. Vom Moment der Entstehung der Erde bis zum Ende des Archaischen sammelte sich eine geschmolzene Mischung aus Eisen und seinem zweiwertigen Oxid (FeO) in den oberen Schichten des Mantels. Vor ungefähr 2,7 Milliarden Jahren überschritt die Masse dieser Schmelze eine bestimmte Schwelle, nach der die schwere, zähflüssige, rotglühende Flüssigkeit buchstäblich zum Mittelpunkt der Erde "fiel" und ihren primären, leichteren Kern von dort verdrängte. Diese grandiosen Bewegungen riesiger Materiemassen in den Tiefen des Planeten zerbrachen und zerschlugen seine dünne Oberflächenhülle – die Erdkruste. Vulkane sind überall ausgebrochen. Die alten Kontinente kamen nahe, kollidierten und verschmolzen zu einem einzigen Monoguyu des Superkontinents – direkt über dem Ort, an dem flüssiges Eisen in das Innere des Planeten floss. Die tiefen Gesteine, die an die Oberfläche kamen, reagierten chemisch mit atmosphärischem Kohlendioxid, und sehr bald war fast kein Kohlendioxid in der Atmosphäre mehr vorhanden.Der Treibhauseffekt ist viel schwächer geworden, was zu einer starken Abkühlung führte: Die Meerestemperatur fiel von + 60 ° C auf +6. Die Säure des Meerwassers nahm auch plötzlich und stark ab.

Es war die größte Katastrophe. Aber selbst sie konnte Cyanobakterien nicht zerstören. Sie haben überlebt, obwohl sie sehr eng waren. Das Verschwinden der Kohlendioxidatmosphäre bedeutete für sie einen schweren Hunger, da Cyanobakterien wie höhere Pflanzen Kohlendioxid als Rohstoff für die Synthese organischer Substanzen nutzen. Bakterienmatten werden weniger. Von den soliden blauen Teppichen, die den Meeresboden wuschen, waren Reste. Die bakterielle Welt ist nicht gestorben, aber sie wurde stark in Mitleidenschaft gezogen, es traten "Löcher" und "Lücken" darin auf. In diesen "Lücken" und "Löchern" der antiken Welt entstanden in dieser alten Zeit die ersten Organismen mit einer grundlegend anderen Struktur – komplexere und perfekte einzellige Lebewesen, die zu neuen Besitzern des Planeten werden sollten.

Das Aussehen des Zellkerns

Eine Bakterienzelle ist ein komplexes lebendes Konstrukt. Aber die Zellen höherer Organismen – Pflanzen, Tiere, Pilze und sogar die sogenannten Protozoen (Amöben, Infusorien) – sind viel komplexer.Eine Bakterienzelle hat weder einen Kern noch irgendwelche anderen inneren "Organe", die von einer Membran umgeben sind. Daher werden Bakterien als "Prokaryoten" bezeichnet (was im Griechischen "vorkernig" bedeutet). In höheren Organismen hat die Zelle einen Kern, der von einer Doppelhülle umgeben ist (daher der Name "Eukaryoten", d.h. mit einem ausgeprägten Kern), sowie "innere Organe", von denen die wichtigsten Mitochondrien (besondere Kraftwerke) sind. Mitochondrien bauen organisches Material zu Kohlendioxid und Wasser auf, wobei Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet wird. Wir atmen ausschließlich, um die Mitochondrien unserer Zellen mit Sauerstoff zu versorgen. Die wichtigsten Organe einer eukaryotischen Zelle sind neben den Mitochondrien Plastiden (Chloroplasten), die für die Photosynthese verwendet werden und nur Pflanzen besitzen.

Aber die Hauptsache in einer eukaryotischen Zelle ist natürlich ihr Kern. Der Kern speichert Erbinformationen, die in der aus vier Buchstaben bestehenden Sprache des genetischen Codes in DNA-Molekülen aufgezeichnet sind. Bakterien haben natürlich auch DNA – das einzige Molekül in Form eines Rings, der alle Gene dieses Bakterientyps enthält. Aber bakterielle DNA liegt direkt in der inneren Umgebung der Zelle – in ihrem Zytoplasma, wo aktiver Metabolismus stattfindet.Dies bedeutet, dass die unmittelbare Umgebung des wertvollen Moleküls einer chemischen Pflanze oder einem Labor eines Alchemisten ähnelt, wo Hunderttausende verschiedener Substanzen jede Sekunde erscheinen und verschwinden. Jeder von ihnen kann potentiell die Erbinformation beeinflussen, ebenso wie die molekularen Mechanismen, die diese Information lesen und "zum Leben erwecken". Unter solchen "unhygienischen" Bedingungen ist es nicht einfach, ein wirksames und zuverlässiges "Dienstleistungssystem" zu schaffen – das Speichern, Lesen, Reproduzieren und Reparieren von DNA. Es ist noch schwieriger, einen molekularen Mechanismus zu schaffen, der "intelligent" (in Übereinstimmung mit der Situation) den Betrieb eines solchen Systems steuern kann.

Das war die große Bedeutung der Isolierung des Zellkerns. Gene wurden zuverlässig vom Cytoplasma mit seiner kochenden Chemie isoliert. Jetzt war es möglich, ein wirksames System ihrer Regulierung in einer "ruhigen Atmosphäre" zu etablieren. Und es stellte sich heraus, dass sich eine Zelle mit den gleichen Genen unter verschiedenen Bedingungen sehr unterschiedlich verhalten kann.

Wie es bekannt ist, kann das gleiche Buch auf verschiedene Arten gelesen werden (besonders wenn das Buch gut ist). Abhängig von der Vorbereitung, der Stimmung und der Lebenssituation wird der Leser zum ersten Mal eine Sache im Buch finden, und nach einem erneuten Lesen nach einem Jahr wird es ganz anders aussehen. Das Gleiche gilt für das eukaryotische Genom.Abhängig von den Bedingungen wird es auf verschiedene Arten "gelesen", und die Zellen, die sich infolge dieses "Lesens" entwickeln, sind auch verschieden. So erschien der Mechanismus der nicht-hereditären adaptiven Variabilität, die "Erfindung", die die Stabilität und Lebensfähigkeit von Organismen stark erhöhte.

Ohne dieses System der Genregulation wären multizelluläre Tiere und Pflanzen nie erschienen. Denn die ganze Essenz eines vielzelligen Organismus liegt darin, dass genetisch identische Zellen je nach Bedingungen unterschiedlich werden – sie übernehmen die Erfüllung verschiedener Funktionen, bilden verschiedene Gewebe und Organe. Prokaryoten (Bakterien) sind dazu prinzipiell nicht in der Lage.

Wie kann man sich an veränderte Bedingungen der Bakterien anpassen? Sie mutieren schnell und tauschen Gene untereinander aus. Die überwiegende Mehrheit von ihnen stirbt, aber da es viele Bakterien gibt, besteht immer die Möglichkeit, dass eine der Mutanten unter den neuen Bedingungen lebensfähig ist. Die Methode ist zuverlässig, aber monströs verschwenderisch. Und am wichtigsten – Deadlock. Mit einer solchen Strategie gibt es keinen Grund zu komplizieren und zu verbessern. Bakterien sind nicht in der Lage Fortschritte zu machen.Aus diesem Grund unterscheiden sich moderne Bakterien kaum von Archaischen.

Die frühesten Spuren der Anwesenheit von Eukaryoten finden sich in etwa 2,7 Milliarden Jahre alten Sedimentgesteinen. Dies ist genau die Zeit, in der die Erde einen Eisenkern gebildet hat. Offensichtlich hat die Katastrophe, die die bakterielle Welt fast zerstört hat, das irdische Leben ernsthaft dazu gebracht, neue, bessere Wege der Anpassung an die sich verändernde Umwelt zu finden. Das Leben kann nicht stehen bleiben, es ist zur ständigen Verbesserung verurteilt. Das Erscheinen des Erdkerns könnte also die Keimbildung des Zellkerns verursacht haben.

Integrationswunder oder kann ein Team ein einziger Körper werden?

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts stellten Wissenschaftler fest, dass Plastiden und Mitochondrien Bakterien in ihrer Struktur erstaunlich ähnlich sind. Fast ein Jahrhundert ging in die Sammlung von Fakten und Beweisen, aber jetzt kann es als fest etabliert angesehen werden, dass eine eukaryotische Zelle das Ergebnis des Zusammenlebens (Symbiose) mehrerer verschiedener Bakterienzellen war.

Mit Plastiden und Mitochondrien war in Wahrheit vor langer Zeit alles klar. Diese "Organe" einer eukaryotischen Zelle haben ihre eigene zirkuläre DNA – genau wie die von Bakterien.Sie vermehren sich unabhängig voneinander in der Wirtszelle, indem sie, wie es bei Prokaryoten üblich ist, einfach durch die Hälfte geteilt werden. Sie werden nie wieder "aus dem Nichts" gebildet. Bei allen Anzeichen sind sie die realsten Bakterien. Und man kann sogar genau sagen, welche: Die Mitochondrien ähneln den sogenannten Alpha-Proteobakterien, und die Plastiden sind uns Cyanobakterien bereits vertraut. Diese berühmten "Erfinder" des Chlorophylls und der Photosynthese teilten niemals ihre "Entdeckung" mit irgendjemandem: bis zum heutigen Tag, als sie ein wichtiger innerer Teil der Pflanzenzellen wurde, behalten sie praktisch die gesamte Photosynthese auf dem Planeten "unter Kontrolle" und fast die gesamte Produktion von organischer Substanz und Sauerstoff!).

Woher kam die Wirtszelle? Welche Mikrobe war ihr "Vorfahre"? Lange Zeit konnten sie unter den lebenden Bakterien keinen Kandidaten für diese Rolle finden. Tatsache ist, dass die Gene der Eukaryoten, die im Zellkern eingeschlossen sind, sich in ihrer Struktur stark von den Genen der meisten Bakterien unterscheiden: Sie bestehen aus vielen separaten "semantischen" Stücken, die durch lange "bedeutungslose" DNA-Segmente getrennt sind. Um ein solches Gen zu "lesen", müssen alle seine Teile sorgfältig "ausgeschnitten" und "zusammengeklebt" werden.Normale Bakterien haben nichts dergleichen.

Zur Überraschung der Wissenschaftler wurde die "eukaryotische" Struktur des Genoms sowie viele andere einzigartige Eigenschaften von Eukaryoten in der seltsamsten und mysteriösesten Gruppe prokaryotischer Organismen – Archaebakterien – gefunden. Diese Lebewesen sind unglaublich widerstandsfähig: Sie können sogar im kochenden Wasser geothermischer Quellen leben. In manchen Archaebakterien liegt die lebensnotwendige Temperatur im Bereich von + 90-110 ° C, und bei + 80 ° C beginnen sie bereits zu frieren.

Nun glauben die meisten Wissenschaftler, dass eine eukaryotische Zelle das Ergebnis der Tatsache war, dass eine Art von Archaebakterium (möglicherweise angepasst an das Leben in saurem und heißem Wasser) intrazelluläre Kohabitanten-Symbionten aus der Anzahl gewöhnlicher Bakterien gewonnen hat.

Lange Zeit konnten die Spezialisten nicht verstehen, wie es den Archaebakterien gelang, ihre zukünftigen Mitbewohner zu "schlucken" – schließlich können Prokaryoten keine großen Partikel verschlucken. In letzter Zeit wurde jedoch intrazellulärer Parasitismus in Bakterien entdeckt. Es stellte sich heraus, dass einige Mikroben in der Lage sind, Löcher in die Zellwand anderer Bakterien zu bohren und in ihr Zytoplasma einzudringen. Vielleicht haben die Plastiden und Mitochondrien der Zukunft in die Wirtszelle eingedrungen?

Der Erwerb von intrazellulären Raumgenossen führte dazu, dass mehrere verschiedene Genome in derselben Zelle auftraten. Sie mussten irgendwie verwaltet werden. Die Schaffung eines solchen führenden Zellzentrums – des Zellkerns – ist zu einer lebenswichtigen Notwendigkeit geworden. Nach einer der Hypothesen könnte die Kernmembran als ein zufälliges Ergebnis der unkoordinierten Arbeit mehrerer Gruppen von Genen entstanden sein, die für die Bildung von Zellmembranen in neu vereinigten Bakterien verantwortlich sind.

Die verschiedenen Mikroben, aus denen eine eukaryotische Zelle hervorging, verschmolzen nicht sofort zu einem einzigen Organismus. Zuerst lebten sie einfach in der gleichen Bakteriengemeinschaft zusammen, passten sich allmählich einander an und lernten, von einem solchen Zusammenleben zu profitieren. Der von Cyanobakterien freigesetzte Sauerstoff war für sie giftig. Im Laufe der Evolution "erfanden" sie viele verschiedene Arten, mit diesem Nebenprodukt ihrer Lebensgrundlage umzugehen. Eine dieser Möglichkeiten war … Atmen. Neuere Studien haben gezeigt, dass ein Komplex von Protein-Enzymen, die für die Sauerstoffatmung von Mitochondrien verantwortlich sind, aus einer kleinen Veränderung der Enzyme der Photosynthese resultiert.In der Tat sind Photosynthese und Sauerstoffatmung aus chemischer Sicht die gleiche chemische Reaktion, die nur gegenläufig verläuft:

CO2 + H2O + Energie ↔ organische Materie.

So könnten in cyanobakteriellen Matten nützliche Lebensgemeinschaften auftreten – Mikroben, die atmen können. Sie nahmen nicht nur den überschüssigen Sauerstoff auf, sondern produzierten auch eine große Menge an Energie – genug, um sie mit ihren Nachbarn zu teilen.

Das dritte Mitglied der Gemeinschaft sind Archaebakterien. Sie könnten überschüssige organische Stoffe aus Cyanobakterien aufnehmen, sie fermentieren und dadurch in eine Form "verdaulicher" für atmende Bakterien übersetzen.

Solche mikrobiellen Gemeinschaften können heute gefunden werden. Das Leben von Bakterien in solchen Gemeinschaften verläuft überraschend harmonisch und harmonisch. Mikroben haben "gelernt", sogar spezielle chemische Signale auszutauschen, um ihre Aktionen besser zu koordinieren. Außerdem tauschen sie aktiv Gene aus. Diese Fähigkeit verhindert übrigens den Kampf gegen Infektionskrankheiten: Durch eine zufällige Mutation erhält jedes einzelne Bakterium ein Resistenzgen gegen ein neues Antibiotikum, da sehr bald andere Bakterienarten dieses Gen durch Austausch erwerben können. All dies macht die Bakteriengemeinschaft einem einzigen Organismus ähnlich.

Offensichtlich haben die katastrophalen Ereignisse des Endes der archaischen Ära mikrobielle Gemeinschaften dazu gezwungen, auf dem Weg der Integration noch weiter zu gehen. Die Zellen verschiedener Bakterienarten, die vor langer Zeit "geschliffen" und aufeinander abgestimmt waren, begannen sich unter einer gemeinsamen Hülle zu vereinigen. Es war notwendig für die harmonischste, zentralisierte Regulierung von Lebensprozessen in einer Krise.

Die Gemeinschaft ist zu einem Organismus geworden. Die Individuen verschmolzen miteinander und gaben die Unabhängigkeit auf, um eine neue Individualität höherer Ordnung zu schaffen.

Ziegel

Das Lieblingsargument der Gegner der Evolutionstheorie ist die Unmöglichkeit, durch die Suche nach zufälligen Varianten (Mutationen) eine neue komplexe Struktur (z. B. ein neues Gen) zu schaffen. Anti-Evolutionisten behaupten, dass mit der gleichen Wahrscheinlichkeit ein Tornado, der über eine städtische Müllkippe hinwegfegt, ein Raumschiff aus Trümmern und Trümmern sammeln kann. Und sie haben absolut Recht!

Aber offenbar gehen nur große evolutionäre Transformationen keineswegs durch die Aufzählung unzähliger kleiner zufälliger Mutationen. Das Beispiel des Ursprungs der eukaryotischen Zelle – und dies ist, wie bereits erwähnt, ist das größte evolutionäre Ereignis seit dem Auftreten des Lebens – kann deutlich gesehen werdenals Natur, etwas grundlegend Neues, Komplexes, Progressives zu schaffen, benutzt gekonnt vorgefertigte, geprüfte "Steine", um von ihnen, wie von einem Designer, einen neuen Organismus zu sammeln. Offensichtlich durchdringt dieses "Block" -Prinzip des Zusammenbaus neuer lebender Systeme die gesamte biologische Evolution und bestimmt in vielerlei Hinsicht seine Geschwindigkeit und Eigenschaften. Nach diesem Prinzip (aus großen, vorbereiteten und getesteten Blöcken) werden neue Gene, Proteine ​​und neue Gruppen von Organismen aufgebaut. (Übrigens, die Gene von Archaebakterien und Eukaryoten wurden höchstwahrscheinlich zu diesem Zweck in einzelne Teile geteilt: es ist sehr praktisch, solche Blöcke zu rekombinieren.)

Die Wissenschaft nähert sich stetig einer neuen Sicht der Natur. Allmählich beginnen wir zu verstehen, dass alles, was um uns herum lebt, keineswegs eine zufällige Menge von Spezies und Formen ist, sondern ein komplexer und einheitlicher Organismus, der sich gemäß seinen unveränderlichen Gesetzen entwickelt. Jeder lebende Organismus, jede lebende Zelle und wir selbst sind die Bausteine ​​im großen "Konstrukteur" der Natur. Und jeder dieser Ziegel kann unentbehrlich sein.

Basierend auf dem Artikel für die Zeitschrift "Paradox"


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