Conversia energiei luminii solare și a organismelor care o folosesc

Astăzi vom vorbi despre organismele care folosesc energia solară în viața lor. Pentru a face acest lucru, trebuie să ne referim la o știință precum bioenergia. Ea studiază modalități de transformare a energiei de către organismele vii și de a o folosi în procesul vieții. Bioenergia se bazează pe termodinamică. Această știință descrie mecanismele de conversie a diferitelor tipuri de energie unele în altele. Inclusiv utilizarea și transformarea energiei solare de către diverse organisme. Cu ajutorul termodinamicii, este posibil să descriem complet mecanismul energetic al proceselor care au loc în jurul nostru. Dar cu ajutorul termodinamicii este imposibil să înțelegem natura unui anumit proces. În acest articol vom încerca să explicăm mecanismul de utilizare a energiei solare de către organismele vii.

Pentru a descrie transformarea energiei în organismele vii sau în alte obiecte de pe planeta noastră, ar trebui să le luăm în considerare din punctul de vedere al termodinamicii. Adică un sistem care face schimb de energie cu mediul și obiectele. Ele pot fi împărțite în următoarele sisteme:

• Închis;
• Izolat;
• Deschide.

Organismele vii discutate în acest articol sunt sisteme deschise. Ei efectuează un schimb continuu de energie cu sistemul de operare și cu obiectele din jur. Alături de apă, aer și alimente, în organism pătrund tot felul de substanțe chimice, care diferă de acesta prin compoziția chimică. Odată ajunse în organism, ele sunt supuse unei procesări profunde. Trec printr-o serie de modificări și devin asemănătoare cu compoziția chimică a corpului. După aceasta, ei devin temporar parte a corpului.

După ceva timp, aceste substanțe sunt distruse și oferă organismului energie. Produsele lor de degradare sunt îndepărtate din organism. Locul lor în organism este ocupat de alte molecule. În acest caz, integritatea structurii corpului nu este încălcată. O astfel de asimilare și procesare a energiei în organism asigură reînnoirea organismului. Metabolismul energetic este necesar pentru existența tuturor organismelor vii. Când procesele de conversie a energiei din organism se opresc, acesta moare.

Lumina soarelui este sursa de energie biologică pe Pământ. Energia nucleară de la Soare produce energie radiantă. Atomii de hidrogen din steaua noastră sunt transformați în atomi de He ca rezultat al reacției. Energia eliberată în timpul reacției este eliberată sub formă de radiație gamma. Reacția în sine arată astfel:

4H ⇒ He4 + 2e + hv, unde

v ─ lungimea de undă a razelor gamma;

h ─ constanta lui Planck.

Ulterior, după interacțiunea radiațiilor gamma și a electronilor, energia este eliberată sub formă de fotoni. Această energie luminoasă este emisă de corpul ceresc.

Când energia solară ajunge la suprafața planetei noastre, este captată și convertită de plante. În ele, energia soarelui este transformată în energie chimică, care este stocată sub formă de legături chimice. Acestea sunt legăturile care leagă atomii din molecule. Un exemplu este sinteza glucozei în plante. Prima etapă a acestei conversii de energie este fotosinteza. Plantele îi furnizează clorofilă. Acest pigment asigură conversia energiei radiante în energie chimică. Carbohidrații sunt sintetizați din H2O și CO2. Acest lucru asigură creșterea plantelor și transferul de energie la etapa următoare.

Următoarea etapă a transferului de energie are loc de la plante la animale sau bacterii. În această etapă, energia carbohidraților din plante este transformată în energie biologică. Acest lucru are loc în timpul oxidării moleculelor de plante. Cantitatea de energie primită corespunde cantității care a fost cheltuită pentru sinteză. O parte din această energie este transformată în căldură. Ca rezultat, energia este stocată în legături de înaltă energie ale adenozin trifosfat. Deci energia solară, trecând printr-o serie de transformări, apare în organismele vii într-o formă diferită.

Aici merită să răspundeți la întrebarea frecventă: „Care organelă folosește energia luminii solare?” Acestea sunt cloroplaste implicate în procesul de fotosinteză. Îl folosesc pentru a sintetiza substanțe organice din substanțe anorganice.

Fluxul continuu de energie este esența tuturor viețuitoarelor. Se mișcă constant între celule și organisme. La nivel celular, există mecanisme eficiente de conversie a energiei. Există 2 structuri principale în care are loc conversia energiei:

• Cloroplaste;
• Mitocondriile.

Oamenii, ca și alte organisme vii de pe planetă, își completează rezervele de energie din alimente. Mai mult, o parte din produsele consumate sunt de origine vegetală (mere, cartofi, castraveți, roșii), iar o parte din origine animală (carne, pește și alte fructe de mare). Animalele pe care le mâncăm își obțin energia și din plante. Prin urmare, toată energia pe care o primește corpul nostru este convertită din plante. Și pentru ei apare ca urmare a conversiei energiei solare.

În funcție de tipul de producție de energie, toate organismele pot fi împărțite în două grupe:

• Fototrofe. Atrageți energie din lumina soarelui;
• Chemotrofe. Ei obțin energie în timpul unei reacții redox.

Adică, energia solară este folosită de plante, iar animalele primesc energie care se află în moleculele organice atunci când mănâncă plante.

Cum se transformă energia în organismele vii?

Există 3 tipuri principale de energie convertită de organisme:

• Conversia energiei radiante. Acest tip de energie transportă lumina soarelui. La plante, energia radiantă este captată de pigmentul clorofilă. Ca rezultat al fotosintezei, este transformat în energie chimică. Acesta, la rândul său, este utilizat în procesul de sinteză a oxigenului și alte reacții. Lumina soarelui transportă energie cinetică, iar la plante se transformă în energie potențială. Rezerva de energie rezultată este stocată în nutrienți. De exemplu, în carbohidrați;
• Conversia energiei chimice. Din carbohidrați și alte molecule este transformat în energia legăturilor de fosfat de mare energie. Aceste transformări au loc în mitocondrii.
• Conversia energiei legăturilor de fosfat de înaltă energie. Este consumat de celulele unui organism viu pentru a efectua diferite tipuri de lucrări (mecanice, electrice, osmotice etc.).

În timpul acestor transformări, o parte din rezerva de energie se pierde și se disipează sub formă de căldură.

Utilizarea de către organism a energiei stocate

În procesul de metabolism, organismul primește o rezervă de energie care este cheltuită pentru efectuarea muncii biologice. Aceasta poate fi o muncă ușoară, mecanică, electrică, chimică. Și corpul își cheltuiește o parte foarte mare din energie sub formă de căldură.

Principalele tipuri de energie din organism sunt descrise pe scurt mai jos:

• Mecanic. Caracterizează mișcarea macrocorpurilor, precum și activitatea mecanică a mișcării lor. Poate fi împărțit în cinetică și potențială. Primul este determinat de viteza de mișcare a macrocorpurilor, iar al doilea de locația lor unul în raport cu celălalt;
• Chimic. Determinată de interacțiunea atomilor dintr-o moleculă. Este energia electronilor care se mișcă pe orbitele moleculelor și atomilor;
• Electric. Interacțiunea particulelor încărcate este cea care le face să se miște într-un câmp electric;
• Osmotic. Consumat atunci când se deplasează împotriva gradientului de concentrație al moleculelor de substanță;
• Energie de reglare.
• Termic. Determinată de mișcarea haotică a atomilor și moleculelor. Principala caracteristică a acestei mișcări este temperatura. Acest tip de energie este cel mai devalorizat dintre toate enumerate mai sus.

Relația dintre temperatură și energia cinetică a unui atom poate fi descrisă prin următoarea formulă:

E h = 3/2rT, unde

r ─ constanta Boltzmann (1,380*10 -16 erg/grad).

Pentru cei care nu sunt interesați de animale, dar caută de unde să cumpere un cadou de Revelion mai ieftin, un cod promoțional Groupon le va veni cu siguranță la îndemână.

Unele organisme, în comparație cu altele, au o serie de avantaje incontestabile, de exemplu, capacitatea de a rezista la temperaturi extrem de ridicate sau scăzute. Există o mulțime de astfel de creaturi vii rezistente în lume. În articolul de mai jos vă veți familiariza cu cele mai uimitoare dintre ele. Ei, fără exagerare, sunt capabili să supraviețuiască chiar și în condiții extreme.

1. Păianjeni săritori din Himalaya

Gâștele cu cap de bar sunt cunoscute ca fiind printre cele mai înalte păsări zburătoare din lume. Sunt capabili să zboare la o altitudine de peste 6 mii de metri deasupra solului.

Știți unde se află cea mai înaltă zonă populată de pe Pământ? În Peru. Acesta este orașul La Rinconada, situat în Anzi, lângă granița cu Bolivia, la o altitudine de aproximativ 5100 de metri deasupra nivelului mării.

Între timp, recordul pentru cele mai înalte creaturi vii de pe planeta Pământ a revenit păianjenilor săritori din Himalaya Euophrys omnisuperstes („stă deasupra tuturor”), care trăiesc în colțurile și colțurile de pe versanții Muntelui Everest. Alpiniștii le-au găsit chiar și la o altitudine de 6.700 de metri. Acești păianjeni minusculi se hrănesc cu insecte care sunt aruncate pe vârfurile munților de vânturile puternice. Sunt singurele viețuitoare care trăiesc permanent la o înălțime atât de mare, fără a număra, desigur, unele specii de păsări. De asemenea, se știe că păianjenii săritori din Himalaya sunt capabili să supraviețuiască chiar și în condiții de lipsă de oxigen.

2. Jumper cangur uriaș

Când ni se cere să numim un animal care poate supraviețui fără să bea apă pentru perioade lungi de timp, primul lucru care ne vine în minte este cămila. Cu toate acestea, în deșert fără apă poate supraviețui nu mai mult de 15 zile. Și nu, cămilele nu stochează rezerve de apă în cocoașe, așa cum cred în mod eronat mulți oameni. Între timp, există încă animale pe Pământ care trăiesc în deșert și sunt capabile să trăiască fără o singură picătură de apă de-a lungul întregii vieți!

Cangurii uriași sunt rude cu castorii. Durata lor de viață variază de la trei până la cinci ani. Saritorii uriași de cangur primesc apă împreună cu hrana și se hrănesc în principal cu semințe.

Saritorii cangur giganți, după cum notează oamenii de știință, nu transpiră deloc, așa că nu pierd, ci, dimpotrivă, acumulează apă în corp. Le puteți găsi în Death Valley (California). Pâlniile de cangur gigantice sunt în prezent pe cale de dispariție.

3. Viermi rezistenti la temperaturi ridicate

Deoarece apa conduce căldura din corpul uman de aproximativ 25 de ori mai eficient decât aerul, o temperatură de 50 de grade Celsius în adâncurile mării va fi mult mai periculoasă decât pe uscat. Acesta este motivul pentru care bacteriile prosperă sub apă, și nu organismele multicelulare care nu pot rezista la temperaturi prea ridicate. Dar sunt si exceptii...

Anelidele marine de adâncime Paralvinella sulfincola, care trăiesc în apropierea gurilor hidrotermale de pe fundul Oceanului Pacific, sunt probabil cele mai iubitoare de căldură creaturi de pe planetă. Rezultatele unui experiment realizat de oamenii de știință cu încălzirea unui acvariu au arătat că acești viermi preferă să se stabilească acolo unde temperatura ajunge la 45-55 de grade Celsius.

4. Rechinul din Groenlanda

Rechinii din Groenlanda se numără printre cele mai mari creaturi vii de pe planeta Pământ, dar oamenii de știință nu știu aproape nimic despre ei. Înoată foarte încet, la egalitate cu un înotător amator obișnuit. Cu toate acestea, este aproape imposibil să vezi rechinii din Groenlanda în apele oceanului, deoarece de obicei trăiesc la o adâncime de 1200 de metri.

Rechinii din Groenlanda sunt, de asemenea, considerați cele mai iubitoare de frig creaturi din lume. Preferă să locuiască în locuri unde temperatura ajunge la 1-12 grade Celsius.

Rechinii din Groenlanda trăiesc în ape reci, ceea ce înseamnă că trebuie să conserve energie; asta explică faptul că înoată foarte încet - cu o viteză de cel mult doi kilometri pe oră. Rechinii din Groenlanda mai sunt numiți și „rechini adormiți”. Nu sunt pretentiosi la mancare: mananca tot ce pot prinde.

Potrivit unor oameni de știință, speranța de viață a rechinilor din Groenlanda poate ajunge la 200 de ani, dar acest lucru nu a fost încă dovedit.

5. Viermii diavolului

Timp de câteva decenii, oamenii de știință au crezut că doar organismele unicelulare ar putea supraviețui la adâncimi foarte mari. Se credea că formele de viață multicelulare nu pot trăi acolo din cauza lipsei de oxigen, a presiunii și a temperaturilor ridicate. Cu toate acestea, recent, cercetătorii au descoperit viermi microscopici la o adâncime de câteva mii de metri de suprafața pământului.

Nematozii Halicephalobus mephisto, numiti dupa un demon din folclorul german, au fost descoperiti de Gaetan Borgoni si Tallis Onstott in 2011 in probe de apa prelevate la o adancime de 3,5 kilometri intr-o pestera din Africa de Sud. Oamenii de știință au descoperit că prezintă rezistență ridicată la diferite condiții extreme, cum ar fi acei viermi rotunzi care au supraviețuit dezastrului navetei spațiale Columbia care a avut loc la 1 februarie 2003. Descoperirea viermilor diavolului ar putea ajuta la extinderea căutării vieții pe Marte și pe orice altă planetă din galaxia noastră.

6. Broaște

Oamenii de știință au observat că unele specii de broaște literalmente îngheață la începutul iernii și, dezghețându-se primăvara, revin la o viață plină. Există cinci specii de astfel de broaște în America de Nord, cea mai comună fiind Rana sylvatica, sau broaște de lemn.

Broaștele de lemn nu știu să se îngroape în pământ, așa că, odată cu apariția vremii reci, pur și simplu se ascund sub frunzele căzute și îngheață, ca tot ce le înconjoară. În interiorul corpului, mecanismul lor natural de apărare „antigel” este declanșat și ei, ca un computer, intră în „modul de repaus”. Rezervele de glucoză din ficat le permit în mare măsură să supraviețuiască iernii. Dar cel mai uimitor lucru este că broaștele de lemn își demonstrează abilitățile uimitoare atât în ​​sălbăticie, cât și în condiții de laborator.

7. Bacteriile de adâncime

Știm cu toții că cel mai adânc punct al Oceanului Mondial este șanțul Marianelor, care se află la o adâncime de peste 11 mii de metri. În partea de jos, presiunea apei atinge 108,6 MPa, ceea ce este de aproximativ 1072 de ori mai mare decât presiunea atmosferică normală la nivelul Oceanului Mondial. În urmă cu câțiva ani, oamenii de știință care foloseau camere de înaltă rezoluție plasate în sfere de sticlă au descoperit amibe uriașe în șanțul Marianei. Potrivit lui James Cameron, care a condus expediția, acolo înfloresc și alte forme de viață.

După ce au studiat probe de apă din fundul șanțului Marianei, oamenii de știință au descoperit un număr mare de bacterii în el, care, în mod surprinzător, s-au înmulțit activ, în ciuda adâncimii mari și a presiunii extreme.

8. Bdelloidea

Rotiferele Bdelloidea sunt mici animale nevertebrate care se găsesc de obicei în apă dulce.

Reprezentanții rotiferelor Bdelloidea lipsesc populațiile sunt reprezentate doar de femele partenogenetice; Bdelloidea se reproduc asexuat, despre care oamenii de știință cred că le afectează negativ ADN-ul. Care este cel mai bun mod de a depăși aceste efecte nocive? Răspuns: mâncați ADN-ul altor forme de viață. Datorită acestei abordări, Bdelloidea a dezvoltat o abilitate uimitoare de a rezista la deshidratare extremă. Mai mult, pot supraviețui chiar și după ce au primit o doză de radiații care este letală pentru majoritatea organismelor vii.

Oamenii de știință cred că capacitatea lui Bdelloidea de a repara ADN-ul le-a fost oferită inițial pentru a supraviețui la temperaturi ridicate.

9. Gândaci

Există un mit popular conform căruia, după un război nuclear, doar gândacii vor rămâne în viață pe Pământ. Aceste insecte pot sta săptămâni întregi fără mâncare sau apă, dar și mai uimitor este faptul că pot trăi multe zile după ce își pierd capul. Gândacii au apărut pe Pământ acum 300 de milioane de ani, chiar mai devreme decât dinozaurii.

Gazdele „Mythbusters” dintr-unul dintre programe au decis să testeze gândacii pentru supraviețuire în cursul mai multor experimente. În primul rând, au expus un anumit număr de insecte la 1.000 de radi de radiație, o doză capabilă să omoare o persoană sănătoasă în câteva minute. Aproape jumătate dintre ei au reușit să supraviețuiască. După ce MythBusters au crescut puterea de radiație la 10 mii de radi (ca în timpul bombardamentului atomic de la Hiroshima). De data aceasta, doar 10% dintre gândaci au supraviețuit. Când puterea de radiație a ajuns la 100 de mii de radi, niciun gândac, din păcate, nu a reușit să supraviețuiască.

10. Tardigrade

Animalele nevertebrate acvatice microscopice, tardigradele, sunt probabil cele mai rezistente ființe vii de pe planeta Pământ. Aceste, într-o oarecare măsură, creaturi drăguțe sunt capabile să supraviețuiască la orice: frig, căldură, presiune mare și chiar radiații puternice. Tardigradele sunt capabile să supraviețuiască în condiții extreme intrând într-o stare de deshidratare care poate dura zeci de ani! Ei revin la existența deplină imediat după ce se trezesc în apă.

Material pregătit de Rosemarina

P.S. Numele meu este Alexandru. Acesta este proiectul meu personal, independent. Mă bucur foarte mult dacă ți-a plăcut articolul. Vrei să ajuți site-ul? Uită-te la reclama de mai jos pentru ceea ce ai căutat recent.

Copyright site © - Această știre aparține site-ului și este proprietatea intelectuală a blogului, este protejată de legea drepturilor de autor și nu poate fi folosită nicăieri fără un link activ către sursă. Citiți mai multe - „despre calitate de autor”

Acesta este ceea ce căutai? Poate că acesta este ceva ce nu ai putut găsi atât de mult timp?

Organismele vii nu fac excepție în sensul că schimbul lor de energie se supune tuturor legilor fizice obișnuite. Procesele de creștere și întreținere a vieții necesită cheltuieli energetice, care trebuie cumva compensate. Organismele vii absorb energia din mediu într-o astfel de formă încât poate fi utilizată în condițiile specifice ale existenței lor la temperaturi și presiuni date. Apoi returnează o cantitate echivalentă de energie mediului, dar într-o formă diferită, mai puțin accesibilă. Forma utilă de energie necesară unei celule vii se numește energie liberă; poate fi definită pur și simplu ca energie capabilă să lucreze la temperatură și presiune constante.

Orez. 1-3. Organismele vii efectuează diferite tipuri de muncă datorită energiei libere a mediului pe care o absorb. Ele returnează o cantitate echivalentă de energie mediului înconjurător sub formă de căldură și alte forme de energie necorespunzătoare de mișcare haotică. Gradul de „depreciere” (disipare) a energiei poate fi caracterizat prin entropie.

Tipul mai puțin util de energie returnat de celulă în mediu este eliberat în principal sub formă de căldură, care este disipată în mediu și transformată în energie de mișcare aleatorie. Astfel, putem formula un alt principiu al logicii moleculare a viețuitoarelor:

Organismele vii creează și mențin elemente complexe, ordonate și intenționate ale structurii lor datorită energiei libere a mediului; Ei returnează apoi această energie mediului într-o formă mai puțin potrivită pentru ei.

Deși organismele vii sunt capabile să transforme energia, ele sunt fundamental diferite de mașinile obișnuite create de om. Sistemele de conversie a energiei din celulele vii sunt construite în întregime din molecule organice relativ fragile și instabile, care nu pot rezista la temperaturi ridicate, curent electric puternic și acțiunea acizilor și bazelor puternice. Toate părțile unei celule vii au aproximativ aceeași temperatură, nu există diferențe semnificative de presiune în celule. Din aceasta putem concluziona că celulele nu pot folosi căldura ca sursă de energie, deoarece căldura poate lucra numai atunci când se mută de la un corp mai fierbinte la unul mai rece. Celulele nu seamănă deloc cu motoarele termice și electrice, tipurile de motoare cu care suntem cel mai familiar.

Celulele vii sunt mașini chimice care funcționează la o temperatură constantă.

Acesta este un alt principiu al logicii moleculare a stării de viață. Celulele folosesc energia chimică pentru a efectua lucrări chimice în timpul creșterii și biosintezei componentelor celulare, precum și munca osmotică necesară pentru a transporta nutrienții în celulă și munca mecanică a aparatului contractil și motor.

Orez. 1-4. Lumina soarelui este sursa originală a tuturor formelor de energie biologică.

Pentru toate organismele vii din biosferă, sursa de energie este în cele din urmă radiația solară, care apare ca urmare a reacției de fuziune nucleară - fuziunea nucleelor ​​de hidrogen pentru a forma nuclee de heliu, care curge în Soare la o temperatură neobișnuit de ridicată. Celulele vegetale fotosintetice captează energia din radiația solară și o folosesc pentru a transforma dioxidul de carbon și apa într-o varietate de produse vegetale bogate în energie, cum ar fi amidonul și celuloza. În același timp, ei eliberează oxigen molecular în atmosferă. Alte organisme care nu sunt capabile de fotosinteză obțin energia de care au nevoie prin oxidarea produselor vegetale bogate în energie cu oxigenul atmosferic. Dioxidul de carbon rezultat și alți produși de oxidare revin în mediu și sunt din nou implicați de plante în ciclul substanțelor. Acest lucru ne oferă motive să formulăm încă două principii ale logicii moleculare a stării de viață.

Nevoile energetice ale tuturor organismelor vii sunt satisfăcute direct sau indirect de energia solară.

Întreaga lume vegetală și animală (în general, toate organismele vii) depind unele de altele, deoarece energia și materia sunt schimbate constant între ele prin mediul extern.

Corliss a sugerat că gurile hidrotermale ar putea crea cocktailuri de substanțe chimice. Fiecare sursă, a spus el, era un fel de atomizor al bulionului primordial.

Pe măsură ce apa fierbinte curgea prin roci, căldura și presiunea au făcut ca compușii organici simpli să fuzioneze în alții mai complecși, cum ar fi aminoacizii, nucleotidele și zaharurile. Mai aproape de granița cu oceanul, unde apa nu era atât de fierbinte, au început să se lege în lanțuri - formând carbohidrați, proteine ​​și nucleotide precum ADN-ul. Apoi, când apa s-a apropiat de ocean și s-a răcit și mai mult, aceste molecule s-au adunat în celule simple.

A fost interesant, teoria a atras atenția oamenilor. Dar Stanley Miller, al cărui experiment am discutat în prima parte, nu a crezut. În 1988, el a scris că orificiile de ventilație de adâncime erau prea fierbinți.

Deși căldura extremă poate crea substanțe chimice precum aminoacizii, experimentele lui Miller au arătat că le poate și distruge. Compușii de bază precum zaharurile „ar putea supraviețui pentru câteva secunde, nu mai mult”. Mai mult, este puțin probabil ca aceste molecule simple să formeze lanțuri, deoarece apa din jur le-ar despărți instantaneu.

În acest moment, geologul Mike Russell s-a alăturat luptei. El credea că teoria gurilor hidrotermale poate fi destul de corectă. Mai mult, i se părea că aceste surse vor fi o casă ideală pentru precursorii organismului Wachtershauser. Această inspirație l-a determinat să creeze una dintre cele mai larg acceptate teorii despre originile vieții.

Geologul Michael Russell

Cariera lui Russell a inclus multe lucruri interesante - a făcut aspirină în timp ce căuta minerale valoroase - și într-un incident remarcabil din anii 1960, a coordonat răspunsul la o posibilă erupție vulcanică în ciuda lipsei de pregătire. Dar era mai interesat de modul în care suprafața Pământului s-a schimbat de-a lungul secolelor. Această perspectivă geologică a permis ideilor sale despre originea vieții să prindă contur.

În anii 1980, el a descoperit dovezi fosile ale unui tip mai puțin violent de ventilație hidrotermală în care temperaturile nu depășeau 150 de grade Celsius. Aceste temperaturi ușoare, a spus el, ar fi permis moleculelor de viață să trăiască mai mult decât credea Miller.

Mai mult decât atât, rămășițele fosile ale acestor orificii „rece” conțineau ceva ciudat: pirita minerală, compusă din fier și sulf, formată în tuburi cu diametrul de 1 mm. În timp ce lucra în laborator, Russell a descoperit că pirita poate forma și picături sferice. Și el a sugerat că primele molecule organice complexe s-ar fi putut forma în interiorul acestor structuri simple de pirit.

Pirita de fier

În această perioadă, Wachtershauser a început să-și publice ideile, care implicau un flux de apă fierbinte, îmbogățită chimic, care curge prin minerale. El chiar a sugerat că pirita a fost implicată în acest proces.

Russell a pus doi și doi împreună. El a propus ca gurile hidrotermale din adâncurile mării, suficient de reci pentru a permite formarea structurilor de pirite, au adăpostit precursori ai organismelor Wachtershauser. Dacă Russell avea dreptate, viața a început pe fundul mării - iar metabolismul a fost primul.

Russell a compilat totul într-o lucrare publicată în 1993, la 40 de ani după experimentul clasic al lui Miller. Nu a generat aceeași frenezie mediatică, dar a fost probabil mai important. Russell a combinat două idei aparent separate - ciclurile metabolice Wachtershauser și gurile hidrotermale Corliss - în ceva cu adevărat convingător.

Russell a oferit chiar și o explicație pentru modul în care primele organisme și-au obținut energia. Adică a înțeles cum ar putea funcționa metabolismul lor. Ideea lui s-a bazat pe opera unuia dintre geniile uitate ale științei moderne.

Peter Mitchell, laureat al Premiului Nobel

În anii 1960, biochimistul Peter Mitchell s-a îmbolnăvit și a fost forțat să demisioneze de la Universitatea din Edinburgh. În schimb, a înființat un laborator privat pe o proprietate îndepărtată din Cornwall. Izolat de comunitatea științifică, și-a finanțat munca dintr-o turmă de vaci de lapte. Mulți biochimiști, inclusiv Leslie Orgel, ale cărui lucrări despre ARN am discutat în partea 2, au considerat ideile lui Mitchell complet ridicole.

Câteva decenii mai târziu, o victorie absolută îl aștepta pe Mitchell: în chimie în 1978. Nu a devenit celebru, dar ideile sale sunt în fiecare manual de biologie de astăzi. Mitchell și-a petrecut cariera dând seama ce fac organismele cu energia pe care o primesc din alimente. În esență, se întreba cum reușim cu toții să rămânem în viață în fiecare secundă.

El știa că toate celulele își stochează energia într-o singură moleculă: adenozin trifosfat (ATP). Un lanț de trei fosfați este atașat de adenozină. Adăugarea unui al treilea fosfat necesită multă energie, care este apoi blocată în ATP.

Când o celulă are nevoie de energie - de exemplu, când un mușchi se contractă - descompune al treilea fosfat în ATP. Aceasta transformă ATP în adenozid fosfat (ADP) și eliberează energia stocată. Mitchell a vrut să știe cum o celulă produce ATP în primul rând. Cum stochează suficientă energie în ADP pentru a atașa al treilea fosfat?

Mitchell știa că enzima care produce ATP se află în membrană. Prin urmare, el a presupus că celula pompează particule încărcate (protoni) prin membrană, atât de mulți protoni sunt pe o parte, dar nu pe cealaltă.

Protonii încearcă apoi să se scurgă înapoi prin membrană pentru a echilibra numărul de protoni de pe fiecare parte - dar singurul loc prin care pot trece este enzima. Fluxul de protoni care curge a furnizat astfel enzimei energia necesară pentru a crea ATP.

Mitchell și-a conturat ideea pentru prima dată în 1961. El și-a petrecut următorii 15 ani apărând-o din toate părțile, până când dovezile au devenit de necontestat. Acum știm că procesul Mitchell este folosit de fiecare ființă vie de pe Pământ. Se întâmplă în celulele tale chiar acum. La fel ca ADN-ul, stă la baza vieții așa cum o cunoaștem noi.

Russell a împrumutat de la Mitchell ideea unui gradient de protoni: prezența unui număr mare de protoni pe o parte a membranei și a câțiva pe cealaltă parte. Toate celulele au nevoie de un gradient de protoni pentru a stoca energie.

Celulele moderne creează gradienți prin pomparea protonilor peste membrane, dar acest lucru necesită un mecanism molecular complex care pur și simplu nu ar putea apărea de la sine. Așa că Russell a făcut un alt pas logic: viața trebuie să se fi format undeva cu un gradient natural de protoni.

De exemplu, undeva lângă izvoarele hidrotermale. Dar trebuie să fie un tip special de sursă. Când Pământul era tânăr, mările erau acide, iar apa acidă are o mulțime de protoni. Pentru a crea un gradient de protoni, sursa de apă trebuie să aibă un conținut scăzut de protoni: trebuie să fie alcalină.

Sursele lui Corliss erau nepotrivite. Nu numai că erau prea fierbinți, dar erau și acri. Dar în 2000, Deborah Kelly de la Universitatea din Washington a descoperit primele izvoare alcaline.

Kelly a trebuit să muncească din greu pentru a deveni om de știință. Tatăl ei a murit în timp ce ea termina liceul, iar ea a fost forțată să muncească pentru a rămâne la facultate. Dar ea a reușit și a ales ca subiect de interes vulcanii subacvatici și izvoarele hidrotermale fierbinți. Acest cuplu a adus-o în centrul Oceanului Atlantic. În acest moment, scoarța terestră a crăpat și o creastă de munți s-a ridicat din fundul mării.

Pe această creastă, Kelly a descoperit un câmp hidrotermal pe care l-a numit „Orașul pierdut”. Nu erau ca cele descoperite de Corliss. Apa curgea din ele la o temperatura de 40-75 de grade Celsius si era usor alcalina. Mineralele carbonate din această apă s-au adunat împreună în „stâlpi de fum” albi, abrupți, care se ridicau de pe fundul mării ca niște țevi de orgă. Arată înfiorător și fantomatic, dar nu sunt: ​​ele găzduiesc multe microorganisme.

Aceste orificii alcaline se potrivesc perfect în ideile lui Russell. El credea ferm că viața a apărut în astfel de „orașe pierdute”. Dar a fost o problemă. Ca geolog, nu știa suficient despre celulele biologice pentru a-și prezenta teoria în mod convingător.

Coloană de fum dintr-o „cameră neagră pentru fumat”

Așa că Russell a făcut echipă cu biologul William Martin. În 2003, au prezentat o versiune îmbunătățită a ideilor anterioare ale lui Russell. Și aceasta este probabil cea mai bună teorie a apariției vieții în acest moment.

Datorită lui Kelly, ei știau acum că rocile izvoarelor alcaline erau poroase: erau punctate cu găuri minuscule umplute cu apă. Aceste buzunare minuscule, au teoretizat ei, au acționat ca „cuști”. Fiecare buzunar conținea substanțe chimice de bază, inclusiv pirita. Combinate cu gradientul natural de protoni din surse, au fost un loc ideal pentru a începe metabolismul.

Odată ce viața a învățat să valorifice energia apelor de izvor, spun Russell și Martin, a început să creeze molecule precum ARN-ul. În cele din urmă, ea și-a creat o membrană și a devenit o celulă adevărată, scăpând din roca poroasă în apă deschisă.

Un astfel de complot este considerat în prezent una dintre principalele ipoteze despre originea vieții.

Celulele scapă dintr-un canal hidrotermal

În iulie 2016, a primit un impuls atunci când Martin a publicat un studiu care reconstruiește unele dintre detaliile lui „” (LUCA). Acesta este un organism care a trăit cu miliarde de ani în urmă și din care a provenit toată viața existentă.

Este puțin probabil să găsim vreodată dovezi fosile directe ale existenței acestui organism, dar, cu toate acestea, putem face presupuneri educate despre cum arăta și ce a făcut, studiind microorganismele zilelor noastre. Asta a făcut Martin.

El a examinat ADN-ul a 1.930 de microorganisme moderne și a identificat 355 de gene care au fost împărtășite de aproape toate. Acest lucru sugerează cu tărie că aceste 355 de gene au fost transmise, prin generații și generații, dintr-un strămoș comun - în jurul timpului în care a trăit ultimul strămoș comun universal.

Aceste 355 de gene includ unele pentru utilizarea gradientului de protoni, dar nu pentru a-l genera, așa cum au prezis teoriile lui Russell și Martin. În plus, LUCA pare să fi fost adaptat la prezența unor substanțe chimice precum metanul, sugerând că locuia într-un mediu vulcanic activ, cum ar fi un aerisire.

Susținătorii ipotezei lumii ARN indică două probleme cu această teorie. Unul poate fi fixat; celălalt poate fi fatal.

Gurile hidrotermale

Prima problemă este că nu există dovezi experimentale pentru procesele descrise de Russell și Martin. Au un istoric pas cu pas, dar niciunul dintre acești pași nu a fost observat în laborator.

„Oamenii care cred că totul a început cu reproducerea găsesc în mod constant noi date experimentale”, spune Armen Mulkijanyan. „Oamenii care sunt pro-metabolism nu fac asta”.

Dar asta se poate schimba, datorită colegului lui Martin, Nick Lane, de la University College London. El a construit un „reactor de origine a vieții” care simulează condițiile din interiorul unui izvor alcalin. El speră să vadă cicluri metabolice și poate chiar molecule precum ARN. Dar e încă devreme.

A doua problemă este localizarea surselor în marea adâncă. După cum a observat Miller în 1988, moleculele cu lanț lung precum ARN-ul și proteinele nu se pot forma în apă fără enzime auxiliare.

Pentru mulți oameni de știință, acesta este un argument fatal. „Dacă ești bun la chimie, nu vei fi vândut pe ideea izvoarelor de adâncime, pentru că știi că chimia tuturor acelor molecule este incompatibilă cu apa”, spune Mulkijanian.

Cu toate acestea, Russell și aliații săi rămân optimiști.

Abia în ultimul deceniu a ieșit în prim-plan o a treia abordare, susținută de o serie de experimente neobișnuite. Promite ceva pe care nici lumea ARN, nici orificiile hidrotermale nu au reușit să-l realizeze: o modalitate de a crea o celulă întreagă de la zero. Mai multe despre asta în partea următoare.