Біологія 7 клас - Дидактичні матеріали - К. М. Задорожний 2007

За матеріалами сайта www.membrana.ru Цікава інформація до курсу ботаніки

ЦІКАВА ІНФОРМАЦІЯ ДО КУРСУ БОТАНІКИ

Позаземні рослини зустрінуть людей усіма кольорами веселки

Фіолетова трава, червоні дерева, чорні й пурпурні кущі цілком можуть рости на деяких планетах. Ніякої фантастики — такі результати наукового дослідження. Сучасні прилади вже дозволяють вивчати спектри екстрасонячних планет. І якщо на деяких з них є життя — наші знання допоможуть нам «побачити» його ознаки, навіть якщо життя це значною мірою відрізнятиметься за виглядом від земного.

Ненсі Кіанг (Nancy Kiang) з Інституту космічних досліджень Годдарда (NASA Goddard Institute for Space Studies) провела дослідження, яке показало, що рослини на інших планетах можуть мати майже будь- які кольори, крім, імовірно, синього.

Те, що давно та із задоволенням розписують фантасти, виявляється, має наукове підґрунтя. Якщо життя у Всесвіті поширене, наша вкритою зеленою рослинністю планета цілком може виявитися винятком. Різні землеподібні світи мають хизуватися лісами з листям майже всіх кольорів веселки.

Логіка проста: не лише хлорофіл може використовуватися рослиною для засвоєння сонячного світла. А яка сполука буде взята життям за основу для забезпечення процесу фотосинтезу — залежить від еволюції. Вона ж має просте правило: рослини повинні постаратися взяти від своєї зірки максимум доступної енергії.

Кіанг та її колеги змоделювали умови на екстрасонячних планетах, які схожі за основними параметрами на Землю й обертаються навколо зірок різного типу, про що докладно написали в статті журналу «Astrobiology».

«Ці планети можуть мати рослинність глобального масштабу, яку можна порівняти з такою на Землі, — говорить Кіанг, — це означає, що, якщо ви хочете виявити життя телескопом, у вас є шанс побачити достатню кількість чітких ознак життя».

Різні спектри сонець, різні атмосфери, хімія яких пов’язана з параметрами батьківських зірок, — усе це вплине на розвиток фотосинтезуючих рослин. Адже розподіл енергії випромінювання, що доходить до поверхні планети, за спектром сильно відрізнятиметься у планет, що розташовуються біля зірок різних спектральних типів (від гарячих F2, через G2, K2 до дуже тьмяних M5), тож воно залежатиме від концентрації в атмосфері кисню, озону, водяної пари й вуглекислого газу.

А далі просто: рослини на таких планетах мають пристосуватися до поглинання найбільш енергетично насиченої частини спектра. Десь це будуть сині кольори, десь максимум «підгодівлі» припаде на інфрачервоне випромінювання, і так далі. Кожному типу зірки та планети дослідники підібрали свою неповторну, найкращу для фотосинтезу ділянку спектра.

Кольори ж листя рослини залежать від частоти світла, яким воно зневажає (хлорофіл, скажімо, поглинає в основному синій і червоний кольори, але відбиває зелений). Тож на різних планетах рослини матимуть різноманітні відтінки, і вчені точно можуть сказати, які саме.

Наприклад, рослини на планеті, що обертається навколо червоного карлика, мають виглядати чорними! Адже така зірка випускає в багато разів менше світла, ніж наше Сонце. І місцеві рослини повинні в ході еволюції та природного добору придбати набір речовин, що допомагатимуть їм засвоювати практично весь спектр випромінювання.

Але чому сині листя дерев і траву Ненсі вважає малоймовірними? Просто сині кольори, тобто світло більшої частоти, несе й більше енергії. Це важливо з погляду еволюції живого. «Взагалі, рослини «прагнутимуть» використати синє світло, як тільки зможуть», — пояснює цю думку Вікторія Мідоуз (Victoria Meadows) з Каліфорнійського технологічного інституту (California Institute of Technology), співавтор дослідження.

Цікаво, що теоретичні викладки астробіологів спираються на вже відомі вченим фотосинтетичні системи. Наприклад, пурпурний і червоний кольори мають деякі фотосинтезуючі бактерії та водорості. А нещодавно вчені знайшли в океані нову групу одноклітинних водоростей з незвичайним фотосинтезуючим апаратом.

Навіть більше, на дні океану виявлено бактерію, яка є фотосинтезуючою, хоча сонячне світло на такі глибини не проникає. Зате там є інфрачервоне випромінювання від термальних донних джерел.

Як бачимо, навіть земне життя пропонує нам масу рішень, як засвоювати світло на найрізноманітніших довжинах хвиль. Що вже казати про еволюцію життя неземного! До речі, нещодавнє дослідження показало, що близько третини зірок, які мають планетні родини серед нашого найближчого оточення, мають подібні до Землі планети з рідкими водними океанами на поверхні й умовами, придатними для зародження життя.

Слід також сказати, що можливості техніки з виявлення планет постійно і відчутно зростають. Одна з найменших з виявлених екстрасонячних планет більша за Землю за масою лише в 5,5 раза, а за діаметром — набагато ближче. Є в улові астрономів і планети набагато меншої маси, щоправда, вони обертаються навколо пульсара. Але ж колись ми вміли «ловити» лише екстрасонячних газових гігантів, що перевершують за розмірами Юпітер.

Але цікаво, чи підпорядковується наша земна рослинність описаним вище правилам? Виявляється, не цілком. Світло, що потрапляє на земну поверхню, «багате» на зелені промені, але переважна рослинність саме ці кольори й не використовує для фотосинтезу.

Учені вважають, що тут перед нами, можливо, приклад не найбільш вдалої еволюції. Однак, якщо говорити про сонячне світло, що досягає поверхні Землі, червоні кольори тут перевершують решту, так би мовити, «масовістю» — за числом фотонів. А синій має більшу енергію на кожний фотон (у повній відповідності до формули Планка). Тож у виборі червоного і синього кольорів як «живлення» є своя логіка. І все- таки...

Інше нещодавнє дослідження показало, що рання Земля цілком могла мати пурпурну рослинність, а не зелену, як сьогодні. Про це говорить Шил Дасшарма (Shil Dassharma) з університету Меріленда (University of Maryland).

Дійсно, еволюція привела до того, що наші очі дуже чутливі до зеленого світла. Чому б рослинам не мати таку ж здатність? Причина, на думку Шила, у тому, що хлорофіл з’явився після того, як інша світлочутлива молекула — ретинол — уже була присутня на ранній Землі. Ретинол, який сьогодні знаходять, наприклад, у мембрані фотосинтетичних мікробів, що називаються галобактеріями, поглинає зелене світло й відбиває назад червоне і фіолетове, комбінація яких і здається нам фіолетовою.

Примітивні мікроби, які використали ретинол для засвоєння сонячного світла, можливо, домінували на молодій Землі, міркує Дасшарма. Тож перші біологічні «гарячі точки» на нашій планеті цілком могли вирізнятися фіолетовим забарвленням.

Виходить, що розвиток спочатку мікроорганізмів, а потім і рослин, які використовують для фотосинтезу хлорофіл, а отже, червону й синю частини спектра, стали результатом їх конкурентної боротьби з «фіолетовими» мікробами. Останні просто захопили зелену частину спектра, і тому, щоб вижити, «спізнілі народитися» істоти з хлорофілом усередині були змушені пристосуватися до «поїдання» тієї частини спектра, що залишилася вільною. Загалом — боротьба за ресурс у чистому вигляді.

Легко уявити ситуацію, коли, скажімо, хлорофільні мікроорганізми розвивалися під багатим шаром мікроорганізмів ретинолових, що забирали в них зелені промені.

Чому ж у результаті червоно-фіолетові (за зовнішнім виглядом) організми були витиснені кудись на узбіччя, у той час як зелені завоювали планету? Шил пояснює це дуже просто. Хоча хлорофіл використовує далеко не пік сонячного спектра, зате, порівняно з ретинолом, він застосовує його куди більш ефективно.

Припущення Дасшарми — лише припущення. Але воно має вагоме обґрунтування. Так, скажімо, ретинол має більш просту структуру, ніж хлорофіл. Ретинол легше відтворити в тих умовах, що існували на ранній Землі (з низьким рівнем кисню). Крім того, процес, необхідний для того, щоб створити ретинол, дуже подібний до ланцюжка реакцій, необхідних для синтезу жирних кислот. Цей ланцюжок, на думку вчених, був одним із ключових умов для розвитку живих клітин. «Жирні кислоти були необхідні, щоб сформувати мембрани в найбільш ранніх клітинах», — говорить Дасшарма.

Нарешті, галобактерії, які використовують ретинол для фотосинтезу, взагалі — зовсім не бактерії. Ця група організмів належить до надцарства Археї, чиє походження йде так далеко назад у часі, що тоді Земля ще навіть не мала кисневої атмосфери! Все це вказує на те, що ретинол виник раніше за хлорофіл.

Однак не всі вчені згодні з міркуваннями Дасшарми. Геохімік Девід Дес Марас (David Des Marais) з дослідницького центра Реймса (Rames Research Center) відзначає, що одержання максимуму енергії — це як обоюдогострий меч. Надлишок енергії теж може бути шкідливим, як і її нестача. І рослини на нашій планеті цілком могли пристосуватися до одержання оптимальної кількості енергії.

Разом з тим, «фіолетова рання Земля» Дасшарми може дуже вплинути на пошуки життя за межами Сонячної системи. Дійсно, учені повинні уявляти, що саме їм слід шукати. Тут ми знову повертаємося до роботи Кіанг з колегами. Адже її викладки також націлені саме на пошук реальних екстрасонячних світів, що дають притулок життю.

Як показав практичний дослід з попелястим світлом Селени, навіть у відбитому Місяцем спектрі випромінювання нашої планети цілком можна знайти хлорофіл — явну ознаку життя. А отже, в інших планет можна виявити спектральні сліди інших речовин, асоційованих з різноманітними фотосинтезуючими схемами.

Спираючись на розрахунки Кіанг, учені можуть передбачати, які саме спектральні сліди слід шукати на тій чи іншій планеті, умови на якій сприятливі для розвитку життя. Фактично, у вчених, зокрема у групі Мідоуз, уже є комп’ютерні моделі екстрасонячних планет земного типу, які можуть показати весь спектр самої планети залежно від типу батьківської зірки.

Залишається лише спрямувати телескопи в потрібну ділянку неба, і фіолетові, зелені або пурпурні ліси, що вкривають такі планети, сповістять про себе.

Щоправда, питання, чи «зобов’язане» життя на інших планетах хоч у чомусь дотримуватись правил, виведених нами з огляду на життя земне, — залишається відкритим.

Гриб девону виростав угору на дев’ять метрів

Ця загадка не давала спокою палеонтологам 150 років. Щось, що називали Prototaxites, не можна було впевнено віднести не те що до родини або роду, але до жодного біологічного царства. Лише сьогодні аналіз скам’янілостей, здається, дозволив-таки визначитися із цим гігантським створінням давньої Землі, від чого, втім, воно не перестало бути вкрай дивним.

Історія Prototaxites — чудовий приклад того, що бачити й зрозуміти, що ж саме ти бачиш, як кажуть, дві великі різниці. Американський учений Доусон (J. W Dawson), який першим описав це загадкове створіння (1859), вважав, що це скам’янілості гнилої деревини, якось пов’язаної з нинішніми тисами (Taxus), тому й дав їм назву Prototaxites. Тільки от до справжніх тисів цьому створінню було «тупотіти й тупотіти», адже розповсюджений Prototaxites хоча й траплявся по всій Землі, але тільки 420—350 мільйонів років тому.

Наприкінці ХІХ ст. вчені стали вважали, що це була морська водорість, точніше — коричнева морська водорість, і ця думка зміцнилася, надовго потрапивши до енциклопедій і підручників. Хоча уявити собі щось подібне до водорості (або колонії водоростей), що виросло у вигляді «стовбура» шести-, а подеколи й дев’ятиметрової висоти — важкувато.

Але що робити? Зрізи скам’янілостей завзято «не хотіли» нагадувати зрізи дерев, та й узагалі на рослину не були схожі. Кільця на зрізах, до речі, там спостерігаються, але це не річні кільця дерев.

Між іншим, Prototaxites був найбільшим організмом на суші в той час: хребетні тільки почали з’являтися, тож навколо дивного високого «стовпа» бігали безкрилі комахи, багатоніжки та плазували черви.

Перші ж судинні рослини, далекі предки хвойних і папоротевих, хоча і з’явилися на 40 мільйонів років раніше, проте в момент, коли на Землі влаштувалися Prototaxites (у ранньому девоні), ще не піднімалися вище за метр.

До речі, про розміри. У Саудівській Аравії було знайдено зразок Prototaxites завдовжки 5,3 метра, що має діаметр 1,37 метра біля основи й 1,02 метра на іншому кінці.

У штаті Нью-Йорк відкопали стовбур завдовжки 8,83 метра з діаметром 34 сантиметра на одному кінці й 21 сантиметр — на іншому. Сам же Доусон описав екземпляр з Канади — довжина 2,13 метра й максимальний діаметр в 91 сантиметр.

Величезні Prototaxites підносяться над пейзажем раннього девону (ілюстрація із сайта xs4all.nl)

Що ще важливо відзначити про будову Prototaxites? У нього немає таких клітин, які є в рослин. Але є дуже тонкі капіляри (трубки) діаметром від 2 до 50 мікрометрів.

Сьогодні вчені, спираючись на результати багаторічних досліджень цього представника давнього живого світу, висунули нові версії. Одні фахівці, починаючи із Франциса Хюбера (Francis Hueber) з американського національного музею природознавства (Smithsonian Institution, National Museum of Natural History), схилилися до того, що Prototaxites є плодоносним тілом величезного гриба; інші — до того, що це величезний лишайник. Останню версію зі своїми аргументами висунув Марк- Андре Селозе (Marc-Andre Selosse) з університету Монпельє (Universite de Montpellier ІІ).

Один із завзятих прихильників версії про гриб — Чарльз Кевін Бойс (Charles Kevin Boyce), який нині працює в університеті Чикаго (University of Chicago). Він надрукував кілька робіт, присвячених детальному вивченню Prototaxites.

Бойс не втомлюється дивуватися цьому створінню. «Незалежно від того, які аргументи ви висуваєте, однаково виходить щось божевільне, — говорить дослідник. — Гриб заввишки 20 футів не має ніякого сенсу. Жодна морська водорість не дасть 20 футів висоти. Але от вона — скам’янілість — перед нами».

Нещодавно Францис Хюбер закінчив титанічну роботу: зібрав безліч екземплярів Prototaxites з різних країн і зробив сотні найтонших зрізів, виконавши тисячі їхніх фотографій. Аналіз внутрішньої структури показав, що це гриб. Однак учений був розчарований тим, що не зміг знайти характерні репродуктивні структури, які чітко вказали б усім, що це, мовляв, справді гриб (що додало впевненості супротивникам Хюбера зі «стану лишайників»).

Останній (за часом, але явно не останній в історії Prototaxites) доказ грибної сутності дивного організму девонського періоду — це стаття Хюбера, Бойса та їхніх колег у журналі «Geology».

Автори нової роботи проаналізували співвідношення ізотопів Карбону в скам’янілостях супергриба та скам’янілостях рослин того ж періоду. Відмінності чітко вказали на те, що Prototaxites — не рослина.

«Великий спектр знайдених ізотопів важко примирити з аутотрофним метаболізмом, але зате він погоджується з анатомією, що вказує на гриб, і з припущенням, що Prototaxites був гетеротрофним організмом, який жив на субстраті, багатому на різні ізотопи», — пишуть автори статті.

Простіше кажучи, рослини одержують свій Карбон із повітря (з вуглекислого газу), а гриби — із ґрунту. І якщо всі рослини одного виду й однієї епохи покажуть те саме співвідношення ізотопів, у грибів воно залежатиме від того місця, на якому вони ростуть, тобто від раціону.

До речі, аналіз співвідношення ізотопів Карбону в різних екземплярах Prototaxites сьогодні допомагає вченим відтворити й рідні екосистеми цього давнього створіння. Оскільки одні його екземпляри, схоже, «їли» рослини, інші як їжу використовували мікробні угруповання ґрунту, треті, можливо, одержували поживні речовини з мохів.

Про загадку великого росту палеозойського гриба міркує співавтор цього дослідження, Керол Хоттон (Carol Hotton), зі Смітсоніанського музею природознавства: вона вважає, що великі розміри допомагали грибу далі поширювати свої спори — по розрізнених болотах, хаотично розкиданих по пейзажу.

Ну, а на питання, як цей гриб виростав до таких дивовижних розмірів, учені відповідають просто: «Повільно». Адже з’їсти цей гриб у той час не було кому.

Неймовірно дрібні археї виявлено під час вогнепальної розшифровки

Дослідницька група під керівництвом професора Джилліан Банфілд (Jill F. Banfield) з Каліфорнійського університету в Берклі (University of California, Berkeley) виявила три нові бактерії. Знахідка дуже здивувала вчених: мікроби виявилися не тільки дуже дрібними, але й дуже розповсюдженими. До того ж вони становлять певний інтерес і для астробіології.

Протягом одинадцяти років Джилліан займалася дослідженнями мікробів, що живуть у залізних копальнях і беруть участь в окисненні руди. Однак вона була надзвичайно здивована, коли завдяки колезі з того ж університету Бретту Бейкеру (Brett Baker) їй удалося виявити серед цих бактерій цілі три нові види, про які професор Банфілд навіть і не підозрювала всі ці роки.

Ці бактерії виявилися вкрай дрібними (розміром з великий вірус), і вчені поки що не розібралися з тонкощами їх морфології. Ці мікроорганізми вважаються зовсім новим типом бактерій, які, згідно з біологічною систематикою, належать до домену археїв. Такі бактерії вирізняються цілою низкою особливостей, зокрема біохімією, і нерідко є екстремофілами (бувають гарячими).

Це відкриття вдалося зробити тільки завдяки розшифровці генома бактерій з допомогою методу, відомого за назвою «shotgun sequencing»

(з англійської можна перекласти приблизно як «вогнепальна розшифровка»), що розроблений корпорацією «Celera» і використовувався для «розбору» людської ДНК.

Бактерії, що було виявлено

Банфілд додала, що знайдені археї живуть у середовищі з дуже високою кислотністю і в результаті їх життєдіяльності в руді відбувається з’єднання Феруму з іншими елементами. Однак, незважаючи на це дослідниця додала, що такі бактерії могли б бути попередниками життя на інших планетах та існувати, наприклад, у марсіанському ґрунті, багатому на Ферум. Така заява звучить особливо інтригуюче, якщо згадати, що ці мікроби були знайдені випадково, хоча до цього існували серед інших видів.

Про ці мікроорганізми відомо поки що небагато. Наприклад, як сказав Бейкер, не зрозуміло, живуть вони самостійно чи можуть існувати тільки в симбіозі з іншими організмами.

Невідомі бактерії вперше виявлені в асфальті

Під час досліджень покладів нафти й асфальту вчені з Каліфорнійського університету в Ріверсайді (University of California, Riverside — UCR) виявили сотні нових видів бактерій прямо в центрі Лос-Анджелеса. Цікаво, що мікроорганізми дожили до нашого часу, незважаючи на надзвичайно високу токсичність середовища.

За оцінками дослідників, близько 28 тисяч років тому ґрунт у цьому районі (ранчо Ла Бреа — La Brea, Каліфорнія) з бактеріями змішався з так званою важкою нафтою (не придатною для переробки). Коли склад цієї суміші почали вивчати, то виявили в ній ензими трьох не відомих науці класів — речовин, які ці бактерії виділяли для переробки нафти.

Також, як стверджує Девід Кролі (David E. Crowley), професор UCR, керівник досліджень, ці мікроорганізми змогли вижити, обходячись без води й кисню.

При цьому бактерії без особливих проблем процвітали в таких агресивних умовах. У результаті переробки мікробами цих токсичних речовин виділявся метан, за бульбашками якого вчені здогадалися про існування біологічної активності в родовищі.

Усього в Ла Бреа вченим удалося виявити 200 видів бактерій, переважна частина яких належить до цілого ряду родин, дотепер не відомих науці.

Цікаво відзначити, що виявлені бактерії споріднені з іншими, уже вивченими, які також мають схильність до перебування в екстремальних умовах.

На сьогодні Кроулі та його колеги змогли розшифрувати ДНК виявлених бактерій. А найближчим часом учені планують піддати ці мікроорганізми більш ретельному генетичному аналізу.

Знахідка становить значний інтерес для промисловості в таких галузях, як, наприклад, очищення нафтопродуктів, створення нових ліків і розробка альтернативних джерел палива.