Незамеченные следы «кремниевой» жизни на Земле
Интересная статья с канала «Цитадель адеквата» на яндекс-дзене.
Во-первых, почему «незамеченные». Слоистые, иногда похожие структурой на древесину, породы не редки и очень хорошо известны науке. Это диатомиты и радиоляриты, образованные из скелетов одноклеточных существ, некогда осевших на дно, а затем опустившихся на глубины, обеспечивающие обработку высокими температурами и давлениями. Не малая часть осадочных пород, это — кремниевые скелеты. Причём, их поставщики в природу отлично себя чувствуют в настоящем, образуя около 2% суммарной биомассы планеты и играя в биосфере чрезвычайно важную роль. В современности диатомеи являются основой жизни в море.
01 Здесь и далее фото и иллюстрации взяты из открытых источников и принадлежат их авторам
То есть, не заметить, будто бы, трудно, тем не менее, на масштабы и значимость «кремниевой» жизни на Земле редко обращается достойное внимание. «Кремниевой», ибо метаболизм диатомей, радиолярий и использующих силикатные скелеты губок вполне традиционный — углеродный. Тем не менее, загадок и просто фактов удивительных (не считая упомянутой выше распространённости) с ними связано более чем достаточно.
Но сначала о «кремниевых» существах. Они образуют три не родственные, независимо возникшие группы. Губки интересны, однако, рассматривались ранее, так что упомянуть стоит прежде всего о лучевиках. Радиолярии — морские простейшие, в свою очередь состоящие из нескольких не родственных, объединённых только на основании внешнего сходства групп. И у некоторых радиолярий скелет, кстати, не кремниевый, а целестиновый — на основе стронция. Это крупные планктонные одноклеточные организмы, питающиеся благодаря хемо- или фотосинтезирующим бактериям-симбионтам.
Вторую разновидностью носителей кремниевых скелетов являются диатомовые водоросли, в настоящий момент составляющие основу фитопланктона. Момент же этот настал, кстати, только 150 миллионов лет назад — в раннем мелу. Поскольку же сам фитопланктон — растения, осуществляющие фотосинтез не на дне, а в толще воды, — по косвенным признакам появился в товарных количествах и начал играть всё возрастающую роль на 70-80 миллионов лет раньше, в триасе, диатомеи можно охарактеризовать, как «продвинутый фитопланктон». Причём, данная, чрезвычайно успешная группа водорослей продолжает продвигаться и далее, вторгаясь на территорию грибов. Некоторые диатомеи перешли к гетеротрофному питанию.
Теперь об удивительном. Для начала, «скелет», у диатомей представляющий собой две перфорированные створки, а у радиолярий — собой лучистую, ощетинившуюся иглами конструкцию с центральной, покрытой отверстиями сферой — «черепом», — именно скелет. Он находится внутри организма, позволяя ему поддерживать форму. То есть, самой очевидной, лежащей на поверхности, защитной функции он не выполняет. Да и не мог бы выполнять, так как у диатомей и радиолярий отсутствует естественный враг, способный наносить им механические повреждения. Существа сравнимого размера не располагают челюстями или иным природным оружием, которому могла бы противостоять кремниевая броня. Более же крупные животные диатомей и радиолярий просто заглатывают целиком. И что они сделают своими шипами, если не крупнее клетки эпителия кишечника?
Во-вторых, хотя идея скелета простейшим известна, — например фораминиферы (настолько большие одноклеточные, что защита от врага с челюстями актуальна для них), обзаводятся раковинами, — «скелет» радиолярий и диатомей, на самом деле, не скелет в строгом смысле. Не часть их тела, материал для которой создан в процессах обмена веществ. Аналогом данного образования, скорее, может считаться чехлик личинки ручейника, — водного насекомого, склеивающего себе раковину из песчинок. Аналогичным образом строят раковины и некоторые фораминиферы.
Радиолярии и диатомеи таким же образом работают с более дисперсным материалом — наночастицами кремнезёма. Кремний не растворим в воде (что, собственно, является главной причиной отсутствия настоящей кремниевой жизни), но присутствует в растворе в виде мельчайшей взвешенной «пыли». Такие частицы могут преодолевать клеточную мембрану, если она запрограммирована пропускать их, но из-за высокой химической стабильности всё равно не включаются в процессы метаболизма. Внутри клетки они, просто, склеиваются, выстраиваясь в геометрические структуры. Как это происходит в точности неизвестно и понятно плохо. А чтобы масштаб проблемы стал яснее, достаточно сказать, что все строительные работы внутри клетки производятся не органоидами даже, а отдельными молекулами. Перемещения же грузов осуществляется направленными тепловыми токами цитоплазмы. И это нельзя увидеть в микроскоп. Ибо картина слишком мала для микроскопа оптического, электронный же микроскоп разрушает то что «увидел».
…Это одна из тайн «кремниевой» жизни. Технический, можно сказать, аспект. Как? Есть и вторая загадка: зачем?
Скелет, несомненно, полезен радиоляриям и диатомеям. Как отмечалось выше, он позволяет практически жидкому организму поддерживать постоянную форму. Для существа же, внутри которого все процессы основаны на диффузии в растворе и тепловом движении, данная проблема актуальна. Сотрясения среды, передающиеся через мембрану, и деформации могут смешать все химические карты.
Даёт скелет и некоторую защиту. Не от врагов, а, скорее, от излучений. Но более важна, по видимости, его балластная функция. Диатомея уравновешивается в воде и может маневрировать по вертикали за счёт архимедовых сил. По принципу батискафа. Тяжёлый скелет обеспечивает исходную отрицательную плавучесть. Тонуть же не даёт переменного объёма вакуоль заполненная жиром. Она же, кстати, обеспечивает диатомеям высокую питательную ценность, однако, последняя особенность им непосредственной пользы не приносит.
…Вопрос «зачем», таким образом, касается выбора материала. Зачем кремний, если есть куда более удобный материал? У все прочих организмов «минерализованные» скелеты и раковины известковые. Для их строительства используются водорастворимые и включающиеся в процессы метаболизма кальций и углекислота. Причём, ни то, ни другое, в море не является дефицитом. Наночастиц кремнезёма тоже более чем достаточно, но возни с ними, всё-таки, на порядок больше.
Однозначного ответа на данный вопрос нет. Возможно, в прошлом в море дефицит кальция несколько раз возникал. В процессах минерализации углерода, — в частности при образовании меловых отложений (но конкретно меловые скалы не имеют отношений к делу, к моменту их появления диатомеи уже были), — из круговорота веществ, вместе с углекислым газом, изымается и кальций. Затем, потери газа восполняются вулканическими выбросами, а кальция — размыванием вулканических пород. То есть, разными путями, а значит не синхронно. Поступление кальция запаздывает. В какие-то моменты массивное образование залежей известняков могло расчищать море от кальция, вынуждая его обитателей искать альтернативные решения.
И в этой ситуации не удивительно, что находили их одноклеточные, отличающиеся максимальным темпом смены поколений, а значит способные к быстрой эволюции. Многоклеточные не успевали что-то предпринять, и просто экономили, выживая в условиях дефицита, пока запасы кальция не восполнятся.
