ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОКЕАНОЛОГИИ: ФИЗИКА, ГЕОЛОГИЯ, БИОЛОГИЯ, ЭКОЛОГИЯ

18. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ БИОСФЕРЫ

Выявлена и проведена детализация механизмов эволюции предбиологических систем, включая: абиогенный синтез предшественников аденозинтрифосфата (АТФ), фотохимическое фосфорелирование АТФ в присутствии флавопро-теиноидных микросфер. А также проведена оптимизация выхода полипептидов (олигоглицинов) в присутствии солей фосфорной кислоты, осуществлена детализация роли катализа и усовершенствована компьютерная модель генетического кода. (ГЕОХИ РАН, ИБ РАН, ИБХ РАН, ИБХФ РАН)

Осуществлена реконструкция ранней истории Земли, в том числе, создана модель последовательных этапов формирования ранней земной коры, отражающая этапы окислительно-восстановительной эволюции мантии и наращивания ядра Земли. (ГЕОХИ РАН)

Усовершенствована модель аккумуляции планет путем формирования и объединения пылевых сгущений, а не твердых планетезималей, как считалось ранее. На этой основе дано объяснение механизма образования системы Земля – Луна. (ГЕОХИ РАН, ИПМ РАН, ИДГ РАН, ИПМАШ РАН).

Выявлены особенности эволюции сложившейся биосферы. В частности установлено, что в прокариотной биосфере преобладали продуценты – бактерии и лишь в экстремальных условиях возрастала роль архей. В отсутствии же эукариотов роль хищников могли исполнять вирусы. Развитие представлений о
K-Na эволюции состава клеточной жидкости позволило установить генохроно-логии микрофоссилий от архея до позднего протерозоя. (ИО РАН, ИЭФБ РАН, СПбНЦ РАН, ГИН РАН, ПИН РАН, ИГГД РАН)

Впервые обнаружены и охарактеризованы ископаемые гумусовые соединения, сформированные в условиях наземной аридной экосистемы 300 млн. лет назад (верхний карбон), которые являются древнейшими из описанных в литературе. Беспрецедентная устойчивость этих органо-минеральных комплексов обусловлена формированием прочных ковалентных связей органических молекул с Si-OH группами решетки глинистого минерала палыгорскита с уникальными адсорбционными характеристиками его структуры. Палыгорскитовый состав изученных палеопочв и наличие в нижней части профиля гипса позволило сделать вывод, что величина годовых осадков была ниже 300 мм/год, а величина рН находилась в интервале 6-9. (ИФХиБПП РАН)

Показано, что образование молекул РНК с новыми последовательностями могло происходить в результате протекания неферментативных реакций расщепления/лигирования между фрагментами протяженных молекул РНК. Лигирование происходит в комплексе с олигонуклеотидом-матрицей и без него. Введение 3-нуклеотидного выпетливания в стебель I приводит к значительному увеличению активности рибозима как в реакции лигирования, так и в реакции расщепления РНК-субстратов. Полученные результаты позволяют объяснить принципы рекомбинации и эволюции молекул РНК, которые могли реализовываться в пребиотическом «мире РНК» в отсутствие ферментов. (ИХБФМ СО РАН)

Установлено, что несмотря на крайне низкую растворимость железа в щелочных условиях в обстановке содового выщелачивания, не свойственного морским местам обитания анаэробные микроорганизмы способны использовать Fe(III) как акцептор электрона, образуя минералы Fe(II) сидерит и магнетит. Процесс показан на примере чистых культур новых видов микроорганизмов и на комбинациях их чистых культур, что имеет значение для понимания возможных условий формирования отложений железистых кварцитов. (ИНМИ РАН)

В раннепротерозойском Кодаро-Удоканском бассейне западной части Алданского щита, характеризующимся высокой биопродуктивностью, обнару-жены осадочные текстуры микробиального происхождения, отпечатки микробных колоний, органостенные и минерализованные микрофоссилии, что свидетель-ствует о существовании в раннем протерозое сложноорганизованных сообществ микроорганизмов (бактерий, протистов, грибов). (ИНГГиГ СО РАН)

Биопредшественниками углеводородов нижнего протерозоя Балтийского и Алданского щитов были планктонные авто- и гетеротрофные эукариоты и разнообразные прокариоты, в том числе цианобактерии, обитавшие в морском бассейне, осадконакопление в котором характеризовалось низким содержанием карбонатов. Органическое вещество подверглось диагенетическим преобразова-ниям в восстановительных обстановках без сероводородного заражения и мощной катагенетической переработке, которая могла разрушить значительную часть биомаркеров. Судя по соотношению С_орг и δ13С НОВ, в разрезе заонежской свиты (нижний протерозой) скв. Зажогинской-175 не было существенных вертикальных перетоков битумоидов, и твердые битумы и, весьма вероятно, сохранившиеся битумоиды являются в значительной мере автохтонными. (ИНГГиГ СО РАН)

Установлено, что эволюция биоценотического покрова Северной Евразии в период становления современной зональности прошла через три кризисных периода: плейстоцен–голоценовый переход, пред- и пост- оптимальную голоценовую перестройку, разделенные несколькими фазами климатического оптимума, и современный этап антропогенной трансформации. Формы и характер плейстоцен–голоценового перехода на разных широтных участках Северной Евразии были существенно различны. Они зависели от характера и степени выраженности широтной зональности в последнюю фазу ледниковой эпохи позднего плейстоцена. Наиболее глубокие экосистемные преобразования претерпели сообщества, где тундро-степные ассоциации пастбищного типа трансформировались в таежные. (ИЭРиЖ УрО РАН)

На основании биоинформационного изучения трендов эволюции на уровне РНК, белков, геномов прокариот и сообществ прокариот впервые выявлен эффект асимметрии частот замен «цитозин→урацил» в транспортных РНК (тРНК). Таким образом, тРНК не находятся в детальном эволюционом равновесии, постоянно теряя цитозины и приобретая урацилы, что согласуется с гипотезой происхож-дения организмов Земли от общего гипертермофильного предка. На основании сравнения геномов археобактерий рода Pyrococcus из глубоководных экосистем обнаружен четкий эволюционный тренд адаптации структур неродственных белков к высокому давлению: утрата белков с параллельными β-слоями и приобретение белков с более плотной структурой (антипараллельные β-слои). (ИЦиГ СО РАН)

Появление хорошо развитых донных сообществ началось еще в венде, но с начала кембрия это развитие приобрело лавинообразный характер. Две мощные эволюционные радиации, получившие название «Кембрийский эволюционный взрыв» (Cambrian Explosion) и «Великая ордовикская эволюционная радиация» (Great Ordovician Biodiversification Event), привели к относительной стабилизации уровня биоразнообразия с ордовика до конца палеозоя.

С морфогенетической точки зрения начало формирования кембрийской эволюционной фауны отражает формирование планов строения всех типов многоклеточных, тогда как начало становления палеозойской эволюционной фауны в ордовике связано с окончанием формирования планов строения всех классов морских животных. С физиологической и трофической точек зрения смена вендской фауны кембрийской, а затем собственно палеозойской эволюционной фауной, отражает переход от питания преимущественно бактериями и разложенной ими органикой к питанию непосредственно живыми одноклеточными и многоклеточными эукариотами и связанное с этим удлинение и усложнение пищевых цепочек.

Появление пелагических фильтраторов, видимо, значительно увеличило продуктивность фотического слоя в эпиконтинентальных морях с постоянно высоким приносом биогенов. В ордовике продуктивность этого слоя, видимо, еще больше увеличилась из-за увеличения разнообразия и численности пелагических фильтраторов. Эволюция трофических связей в венде и раннем палеозое проходила в три этапа: вендский, кембрийский и ордовикский, на каждом из котором последовательно увеличивались пищевые возможности организмов благодаря последовательному добавлению новых пищесборных и пищеварительных адаптаций. Это приводило к удлинению пищевых цепочек и взрывному усложнению пищевых сетей. (ПИН РАН)

Определено, что надвидовые таксоны разного ранга обладают высокой степенью экологической индивидуальности, они ведут себя как цельные блоки, имеющие признаки системной организации. Фауна, флора и биота в целом характеризуются определенной организованностью не только на видовом, но и на более высоком таксономическом уровне, имеют отчетливую «блочную» струк-туру. Это особенно наглядно демонстрирует биота Арктики, обеднение которой заключается не только и не столько в снижении общего видового богатства, сколько в выпадении или резком снижении значимости целых крупных таксонов при относительном процветании других. Очевидно, флоро- и фауногенез – это отнюдь не совокупность случайных актов, обусловленных расселительными, миграционными и эволюционными явлениями, совершающимися на видовом уровне, но процесс весьма строго детерминированный экологической спецификой, адаптивными потенциями крупных систематических групп. (ИПЭЭ РАН)