The universal Tree of Life

11. Вертикальные размеры современной
биосферы;
примеры “экстремальной” жизни
1
Vertical structure of the biosphere
2
The universal Tree of Life
As the Tree of Life shows, microbes were the dominant early life forms on Earth.
Last universal common ancestor: 3,5—3,8 billion years ago
The universal tree of life represents the proposed evolutionary relationships among all
cellular life forms (thereby excluding viruses). Presently, the conical universal tree includes
three main urkingdoms or domains called the Archaea, Bacteria (eubacteria) and Eukarya
(eukaryotes) with the rooting in the Bacteria such that Archaea and Eukarya are sister
groups. However, the evolutionary relationships among these three groups, and even the
status of the Archaea, are still hotly debated among evolutionary biologists.
3
Черные курильщики
Глубина 3км давление 300 атм температура 150С
4
Черные курильщики
Найдено около 150 «черных курильщиков», самые известные из них расположены на участке
Срединно-океанического хребта в северной части Атлантического океана. Морская вода
проникает вглубь Земли через разломы и трещины в океанической коре, где нагревается
теплом магмы, вступает в химическую реакцию с горными породами и затем вырывается к
поверхности дна. Температура «дыма» достигает 350-400°С. «Дым» – взвесь соединений серы с
железом, медью и цинком. Горячий раствор при контакте с холодной водой океана охлаждается
и приводит к осаждению минералов; постепенно вокруг «дымящего» источника наращиваются
твердые минеральные стенки. Известны также белые и серые курильщики. Они отличаются
химическим составом и температурой «дыма»: самые холодные - белые курильщики (100200°С), температура серых достигает 250-300°
5
Сероводород как основа бессветовой экосистемы.
Для жизни всех высших гетеротрофных организмов необходима биомасса, создаваемая с
помощью фотосинтеза. Однако было найдено исключение из этого правила. На больших
морских глубинах, в тех местах, где расходятся континенты, из морского дна бьют горячие
источники с температурой воды около 350°С. В воде этих источников растворено много
различных минеральных веществ, в том числе H2S. Там, где такая вода приходит в
соприкосновение с холодной, содержащей кислород морской водой, могут расти бактерии,
окисляющие серу или сероводород. Они служат пищей для моллюсков, ракообразных и
червей.
6
Сероводород как основа бессветовой экосистемы
Riftia pachyptila tube worms. From the 2011 NOAA Galapagos Rift Expedition.
Один из представителей погонофор-Riftia pachyptila-прекрасно приспособился к
существованию в таких местах. У этого животного нет ни ротового, ни анального отверстия,
зато оно обладает особым органом (трофосомой), в котором в качестве эндосимбионтов
растут бактерии, окисляющие H2S; Из хитиновых трубок торчат красные жаберные лепестки,
через которые проникают в кровь и сероводород, и углекислый газ. Таким образом, на
больших морских глубинах, куда не проникает свет, в непосредственной близости от горячих
источников существует экосистема, в которой продукция биомассы основана не на
фотосинтезе, а на хемолитоавтотрофии (хемосинтезе).
7
Археи
Отсутствие ядра. ДНК - кольцевая молекула. У большинство архей метаболизм без участия
кислорода (анаэробные археи). Экстремофилы: гипертермофилы обнаружены в горячих
источниках Йеллоустонского национального парка, а также близ глубоководных термальных
«черных курильщиков» с температурой t >100°С; другие живут в холодной, соленой (Мертвое
море) или кислотной среде, в пресноводных озерах под антарктическим льдом. Они были
обнаружены в самых различных местах, включая почву, океаны, болота.
Археи, по-видимому, не способны к паразитизму, однако часто они бывают мутуалистами и
комменсалами. Некоторые представители являются метаногенами и обитают в
пищеварительном тракте человека и жвачных, где очень многочисленны и помогают
осуществлять пищеварение.
У бактерий и более сложных организмов фосфолепиды мембраны представлены в виде
левовращающего (оптического) изомера. Археи — “правовращающие”.
8
Earth's deep crust could support widespread life
Discovery of hydrogen-rich waters hints at unexplored microbial ecosystems.
Hydrogen-eating microbes live in rock 4 kilometers below the surface
of the Witwatersrand basin in South Africa.
Precambrian rocks of the continental crust. Total Precambrian crust, exposed (blue) and
buried (green), accounts for 1.06 × 108 km2 , or >70% of total continental crust surface
area. Symbols for each site show the highest reported H2 levels in volume per cent
Precambrian time covers the vast bulk of the Earth's history, starting with the planet's creation about
4.5 billion years ago and ending with the emergence of complex, multicelled life-forms almost four
billion years later.
2H2 + O2 = 2H2O +Q
Nature 516, 379–382 (18 December 2014)9
Bubbling With Life
This geothermal spring in Yellowstone National Park is home to a rich community of
microorganisms. The majority of these microbes feed off of hydrogen, not sulfur even in
the presence of sulfur, bacteria favor hydrogen. Sulfur-metabolizing organisms require
oxygen, which serves as the depot for electrons that the microbes strip from sulfur. At
temperatures greater than 70° C, however, oxygen is poorly soluble. So, most of the
microbes living in the geothermal springs turn to hydrogen instead. "Hydrogen is the
most abundant element in the universe. Any wise organism would choose hydrogen
over sulfur.“ (Ken Nealson of the University of Southern California)
10
"ECOSYSTEM OF ONE“
A Single-Species Ecosystem Deep Within Earth
DNA from low-biodiversity water collected at 2.8-kilometer depth in a South African gold
mine was sequenced and assembled into a single, complete genome. This bacterium,
Candidatus Desulforudis audaxviator, composes >99.9% of the microorganisms
inhabiting the fluid phase of this particular fracture. Its genome indicates a motile,
sporulating, sulfate-reducing, chemoautotrophic thermophile that can fix its own
nitrogen and carbon by using machinery shared with Archaea. Candidatus Desulforudis
audaxviator is capable of an independent life-style well suited to long-term isolation from
the photosphere deep within Earth's crust and offers an example of a natural ecosystem
that appears to have its biological component entirely encoded within a single genome.
(2008)
Many of these abilities are the result of proteins that it has freely pilfered proteins from
another kingdom of micro-organisms that is rife with extremists – the Archaea.
A shadowy microbe first found 2 miles (3.3 kilometers) beneath South African soil has
turned up in California, on the other side of the planet, as reported by The New Scientist.
(2012)
11
Гигантские одноклеточные
Специальная глубоководная камера "Dropcam" позволила заснять гигантских амеб в самом глубоком месте океана –
Марианской впадине (2012)
В Марианской впадине на глубине свыше 10,5 тысячи метров обитают гигантские
амебы – ксенофиофоры (Xenophyophore), размер которых превышает 10 см (до 20 см).
Ксенофиофоры перерабатывают отложения на дне, покрытом илистыми отложениями,
обеспечивая тем самым среду обитания для других организмов. Исследования
показали, что в местах с большим количеством ксенофиофор обитает в 3−4 раза
больше ракообразных, иглокожих и моллюсков, чем в областях, где нет этих
одноклеточных. Эти амебы могут накапливать в своей клетке свинец, уран и ртуть, и,
таким образом, вероятно, обладают высокой устойчивостью к большим дозам тяжелых
металлов. Они хорошо приспособлены для жизни в условиях темноты, низкой
температуры и высокого давления морских глубин.
Ксенофиофоры не являются единственными организмами, обнаруженными на предельных глубинах. Камера
12
зафиксировала также сверхглубоководных медуз.
Самая глубоководная рыба обнаружена в Марианской впадине
Прозрачная рыба и гигантские ракообразные зафиксированы автоматическим
аппаратом на рекордной глубине 8145 метров. Это глубина на 170 м превышает
предыдущую самую глубоководную находку. Рыба имеет около 25 сантиметров в
длину и частично прозрачна по всей длине - очертания скелета видны сквозь кожу
13
КЛАСС ТИХОХОДКИ (TARDIGRADA) зоол. bear animalcule
Тело тихоходок имеет размер 0,1–1,5 мм, полупрозрачное, из четырех сегментов и
головы. Снабжено 4 парами коротких и толстых ног с 4–8 длинными щетинковидными
коготками на конце, причем последняя пара ног направлена назад. Передвигаются со
скоростью всего 2–3 мм в минуту. Примерно 10 % — морские обитатели, другие
встречаются в пресноводных водоёмах, однако большинство населяет моховые и
лишайниковые подушки на земле, деревьях, скалах и каменных стенах. Количество
тихоходок во мхе - сотни, даже тысячи особей в 1 г высушенного мха. Распространены
повсеместно, от Гималаев (до 6000 м) до морских глубин (ниже 4000 м). Тихоходок
находили в горячих источниках, подо льдом (например, на Шпицбергене) и на дне
14
океана.
Discovery: Fish Live beneath Antarctica
Stunned researchers in Antarctica have discovered fish and other aquatic animals living in
perpetual darkness and cold, beneath a roof of ice 740 meters thick. The animals inhabit a
wedge of seawater only 10 meters deep, sealed between the ice above and a barren,
rocky seafloor below—a location so remote and hostile the many scientists expected to
find nothing but scant microbial life. The ecosystem has somehow managed to survive
incredibly far from sunlight, the source of energy that drives most life on Earth. The
discovery provides insight into what kind of complex but undiscovered life might inhabit
the vast areas beneath Antarctica’s ice shelves—comprising more than a million square
kilometers of unexplored seafloor.
15
Whillans Ice Stream Subglacial Access Research Drilling Project 2015
Щелочная тилапия-экстремофил (Alcolapia alcalica)
Alcolapia alcalica Max length : 11.6 cm. Occur at a temperature range of 30-32°C. Feed
actively in the early morning; mainly on algae as well as copepods and dipterous larvae.
Females mouthbrood the eggs.
Озеро Натрон (Lake Natron) на севере Танзании: температура до 60 °C, а щелочность
pH 9  10,5. Озеро получило свое название по натриту Na2CO3 • 10H2O. В озеро натрит
попадает с вулканической пылью из Восточно-Африканской рифтовой долины.
16
Летальная доза ионизирующей радиации Гр (Gy)
Организм
Летальная
доза
Класс/царство
Человек
4-10
Млекопитающие
Мышь
4,5 - 12
Млекопитающие
Milnesium tardigradum
5000
Eutardigrade
Deinococcus radiodurans
15000
Бактерии
30000
Археи
Thermococcus gammatolerans
17