معلومة

كم مرة ظهرت الحياة الأرضية من المحيط؟


غالبًا ما يتم تصوير التطور عن طريق الخطأ على أنه خطي في الثقافة الشعبية. إحدى السمات الرئيسية لهذا التصوير في الثقافة الشعبية ، ولكن حتى في انتشار العلم ، هو أن بعض الحيوانات التي تعيش في المحيطات تتخلص من قشورها وزعانفها وتزحف إلى اليابسة.

بالطبع ، هذا يعرض فقط واحد نسب الأجداد ل واحد أنواع محددة (الانسان العاقل). سؤالي هو: في أي مكان آخر تطورت الحياة من الماء إلى الأرض؟

حدسيًا ، يبدو هذا بمثابة قفزة هائلة يجب القيام بها (التكيف مع بيئة غريبة بشكل أساسي) ولكن لا يزال يجب أن يحدث عدة مرات (بشكل منفصل على الأقل بالنسبة للنباتات والحشرات والحبال ، نظرًا لأن أسلافهم المشتركة الأخيرة هي مسكن البحر). في الواقع ، كلما فكرت في الأمر ، وجدت المزيد من الأمثلة.


أشك في أننا نعرف الرقم الدقيق ، أو حتى في أي مكان قريب منه. ولكن هناك العديد من الاستعمار النظري المدعوم جيدًا والذي قد يثير اهتمامك ويساعد في تكوين صورة لمدى شيوع انتقال الحياة إلى الأرض. يمكننا أيضًا استخدام الحقائق المعروفة حول تباعد السلالات التطورية المختلفة ، جنبًا إلى جنب مع المعرفة حول الاستعمار السابق للأرض ، لعمل بعض الأحداث لأنفسنا. لقد فعلت ذلك هنا للكتل التصنيفية الواسعة بمقاييس مختلفة - إذا كنت مهتمًا ، يمكنك فعل الشيء نفسه مرة أخرى للواجهات الفرعية السفلية.

كما أشرت بحق ، يجب أن يكون هناك حدث استعمار واحد على الأقل لكل سلالة موجودة على الأرض والتي تباعدت عن سلالات أخرى موجودة على الأرض قبل استعمار الأرض. باستخدام الأدلة والمنطق الذي أورده أدناه ، على الأقل ، حدثت الاستعمار التسعة المستقل التالي:

  • بكتيريا
  • البكتيريا الزرقاء
  • العتيقة
  • الخلية
  • الفطريات
  • الطحالب
  • النباتات
  • الديدان الخيطية
  • المفصليات
  • الفقاريات

الاستعمار البكتيري والعتيق
يبدو أن أول دليل على الحياة على الأرض نشأ من 2.6 (واتانابي وآخرون ، 2000) إلى 3.1 (باتيستوزي وآخرون ، 2004) قبل مليار سنة. نظرًا لأن الأدلة الجزيئية تشير إلى تباعد البكتيريا والعتائق منذ 3.2 إلى 3.8 مليار سنة (Feng et al. ، 1997 - ورقة كلاسيكية) ، وبما أن كلا من البكتيريا والعتائق موجودة على الأرض (على سبيل المثال ، Taketani & Tsai ، 2010) ، يجب عليهم استعمرت الأرض بشكل مستقل. أود أن أقترح أنه كان هناك العديد من المستعمرات البكتيرية المختلفة أيضًا. واحد على الأقل مؤكد - يجب أن تكون البكتيريا الزرقاء قد استعمرت بشكل مستقل عن بعض الأشكال الأخرى ، لأنها تطورت بعد الاستعمار البكتيري الأول (Tomitani et al. ، 2006) ، وهي موجودة الآن على الأرض ، على سبيل المثال. في الأشنات.

استعمار البروتستان والفطريات والطحالب والنبات والحيوان
الطلائعيات هي مجموعة متعددة النوى من حقيقيات النوى البسيطة ، وبما أن الاختلاف الفطري عنها (Wang et al. ، 1999 - كلاسيكي آخر) يسبق ظهور الفطريات من المحيط (Taylor & Osborn ، 1996) ، فلا بد أنها ظهرت بشكل منفصل. بعد ذلك ، نظرًا لأن النباتات والفطريات تباعدت بينما كانت الفطريات لا تزال في المحيط (Wang et al. ، 1999) ، يجب أن تكون النباتات قد استعمرت بشكل منفصل. في الواقع ، تم اكتشافه صراحة بطرق مختلفة (مثل طرق الساعة الجزيئية ، Heckman et al. ، 2001) أن النباتات يجب أن تترك المحيط بشكل منفصل للفطريات ، ولكن ربما اعتمدت عليها لتكون قادرة على القيام بذلك (Brundrett ، 2002 - انظر الملاحظة في الأسفل حول هذه الورقة). بعد ذلك ، حيوانات بسيطة ... استعمرت مفصليات الأرجل الأرض بشكل مستقل (Pisani et al ، 2004) ، وبما أن الديدان الخيطية تباعدت قبل المفصليات (Wang et al. ، 1999) ، فلا بد أنها أيضًا وجدت الأرض بشكل مستقل. ثم جاءت رباعيات الأرجل متثاقلة في النهاية (Long & Gordon ، 2004).

ملاحظة حول ورقة Brundrett: تحتوي على أكثر من 300 مرجع! لابد أن هذا الرجل كان يأمل في الحصول على نوع من الجائزة.

مراجع

  • Battistuzzi FU، Feijao A، Hedges SB. 2004. مقياس زمني جينومي لتطور بدائيات النوى: نظرة ثاقبة حول أصل تكوين الميثان ، والتضمين الضوئي ، واستعمار الأرض. BMC Evol Biol 4:44.
  • بروندريت إم سي. 2002. التطور المشترك للجذور والفطريات الفطرية للنباتات البرية. طبيب نبات جديد 154: 275-304.
  • فنغ دي إف ، تشو جي ، دوليتل آر إف. 1997. تحديد أوقات الاختلاف باستخدام ساعة البروتين: التحديث وإعادة التقييم. وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم 94: 13028-13033.
  • هيكمان دي إس ، جيزر دي إم ، إيديل بي آر ، ستوفر آر إل ، كاردوس إن إل ، هيدجز إس بي. 2001. الدليل الجزيئي للاستعمار المبكر للأرض بواسطة الفطريات والنباتات. Science 293: 1129-1133.
  • لونغ جا ، جوردون إم إس. 2004. أعظم خطوة في تاريخ الفقاريات: مراجعة بيولوجية قديمة للأسماك - انتقال رباعي الأرجل. علم الحيوان الفسيولوجي والكيميائي الحيوي 77: 700-719.
  • Pisani D ، Poling LL ، Lyons-Weiler M ، Hedges SB. 2004. استعمار الحيوانات للأرض: التطور الجزيئي وأوقات الاختلاف بين المفصليات. BMC Biol 2: 1.
  • Taketani RG ، Tsai SM. 2010. تأثير الاستخدامات المختلفة للأراضي على بنية المجتمعات الأثرية في الأنثروسولات الأمازونية على أساس جينات 16S rRNA و amoA. ميكروب إيكول 59: 734-743.
  • تايلور تينيسي ، أوزبورن جم. 1996. أهمية الفطريات في تشكيل النظام البيئي القديم. مراجعة علم الأحياء القديمة وعلم الحفريات 90: 249-262.
  • وانغ دي واي ، كومار إس ، هيدجز سب. 1999. تقديرات وقت التباعد للتاريخ المبكر لشعب الحيوان وأصل النباتات والحيوانات والفطريات. بروك بيول سسي 266: 163-171.
  • واتانابي واي ، مارتيني جيج ، أوموتو هـ. 2000. الأدلة الجيوكيميائية للنظم الإيكولوجية الأرضية منذ 2.6 مليار سنة. طبيعة 408: 574-578.

جواب ريتشارد رائع ، ولن أكون دقيقًا. لكن إليك بعض الأمثلة الأخرى:

  • السلاحف (التي جعلت البحر يهبط إلى البحر ويعود إلى اليابسة!)
  • بطنية الأرجل (القواقع والبزاقات)
  • تارديغرادا (دببة الماء)
  • Onychophora (الديدان المخملية)
  • بلاناريا (الديدان المفلطحة)
  • Annelida (الديدان العلقية)

جنبا إلى جنب مع أمثلة ريتشارد التي تشمل جميع الأمثلة على الحيوانات الأرضية الواردة في ويكيبيديا.


كيف تطورت الحياة متعددة الخلايا؟

يكتشف العلماء طرقًا قد طورت بها الخلايا المفردة سمات رسختها في سلوك جماعي ، مما يمهد الطريق لحياة متعددة الخلايا. يمكن أن تلقي هذه الاكتشافات الضوء على كيفية تطور الحياة المعقدة خارج كوكب الأرض في العوالم الفضائية.

قام الباحثون بتفصيل هذه النتائج في عدد 24 أكتوبر 2016 من المجلة علم.

ظهرت أول كائنات وحيدة الخلية معروفة على الأرض منذ حوالي 3.5 مليار سنة ، أي بعد مليار سنة تقريبًا من تشكل الأرض. استغرقت أشكال الحياة الأكثر تعقيدًا وقتًا أطول لتتطور ، حيث لم تظهر الحيوانات متعددة الخلايا الأولى قبل حوالي 600 مليون سنة.

كان تطور الحياة متعددة الخلايا من ميكروبات أحادية الخلية أبسط لحظة محورية في تاريخ علم الأحياء على الأرض وأعاد تشكيل بيئة الكوكب بشكل جذري. ومع ذلك ، فإن أحد الألغاز حول الكائنات متعددة الخلايا هو سبب عدم عودة الخلايا إلى الحياة أحادية الخلية.

قال المؤلف الرئيسي للدراسة إريك ليبي ، عالم الأحياء الرياضية في معهد سانتا في في نيو مكسيكو: "من الواضح أن أحادية الخلية ناجحة - فالكائنات أحادية الخلية أكثر وفرة من الكائنات متعددة الخلايا ، وهي موجودة منذ ما لا يقل عن ملياري سنة إضافية". "إذن ما هي ميزة أن تكون متعدد الخلايا والبقاء على هذا النحو؟"

عادة ما يكون الجواب على هذا السؤال هو التعاون ، حيث تستفيد الخلايا من العمل معًا أكثر مما تستفيد من العيش بمفردها. ومع ذلك ، في سيناريوهات التعاون ، هناك فرص مغرية باستمرار "للخلايا للتنصل من واجباتها - أي الغش" ، قال ليبي.

قال ليبي: "على سبيل المثال ، فكر في مستعمرة النمل حيث الملكة فقط هي التي تضع البيض ويجب على العمال ، الذين لا يستطيعون التكاثر ، التضحية بأنفسهم من أجل المستعمرة". "ما الذي يمنع النمل العامل من مغادرة المستعمرة وتشكيل مستعمرة جديدة؟ حسنًا ، من الواضح أن عامل النمل لا يمكنه التكاثر ، لذلك لا يمكنه إنشاء مستعمرة خاصة به. ولكن إذا حصلت على طفرة مكنتها من القيام بذلك ، فستكون هذه مشكلة حقيقية للمستعمرة. هذا النوع من الصراع سائد في تطور تعدد الخلايا لأن الكائنات متعددة الخلايا الأولى كانت مجرد طفرة بعيدة عن كونها أحادية الخلية تمامًا. "

أظهرت التجارب أن مجموعة الميكروبات التي تفرز جزيئات مفيدة يمكن لجميع أعضاء المجموعة الاستفادة منها يمكن أن تنمو بشكل أسرع من المجموعات التي لا تفعل ذلك. ولكن ضمن هذه المجموعة ، فإن المستغلين الذين لا ينفقون الموارد أو الطاقة لإفراز هذه الجزيئات ينمون بشكل أسرع على الإطلاق. مثال آخر على الخلايا التي تنمو بطريقة تضر بأعضاء آخرين من مجموعاتها هي الخلايا السرطانية ، والتي تمثل مشكلة محتملة لجميع الكائنات متعددة الخلايا.

في الواقع ، من المحتمل أن العديد من الكائنات البدائية متعددة الخلايا عانت من حالات أحادية الخلية ومتعددة الخلايا ، مما يوفر فرصًا للتخلي عن نمط حياة جماعي. على سبيل المثال ، البكتيريا تألق الزائفة يتطور بسرعة لتوليد حصائر متعددة الخلايا على الأسطح للحصول على وصول أفضل للأكسجين. ومع ذلك ، بمجرد تكوين الحصيرة ، يكون للغشاشين أحادي الخلية حافز لعدم إنتاج الغراء المسؤول عن تكوين الحصيرة ، مما يؤدي في النهاية إلى تدمير الحصيرة.

لحل لغز كيفية استمرار الحياة متعددة الخلايا ، يقترح العلماء ما يسمونه "آليات التصعيد". السقاطة هي أجهزة تسمح بالحركة في اتجاه واحد فقط. بالقياس ، فإن آليات التصعيد هي سمات توفر فوائد في سياق المجموعة ولكنها ضارة للأفراد المنعزلين ، مما يمنع في النهاية العودة إلى حالة أحادية الخلية ، كما قال ليبي والمؤلف المشارك في الدراسة ويليام راتكليف في معهد جورجيا للتكنولوجيا في أتلانتا.

بشكل عام ، كلما زادت السمة التي تجعل الخلايا في المجموعة معتمدة بشكل متبادل ، كلما عملت كسقاطة. على سبيل المثال ، قد تقوم مجموعات من الخلايا بتقسيم العمل بحيث تنتج بعض الخلايا جزيءًا حيويًا واحدًا بينما تنمو الخلايا الأخرى مركبًا أساسيًا مختلفًا ، لذلك تعمل هذه الخلايا معًا بشكل أفضل من بعضها البعض ، وهي فكرة تدعمها التجارب الحديثة مع البكتيريا.

يمكن أن يفسر السقاطة أيضًا التعايش بين الميكروبات القديمة الذي أدى إلى تعايش المتعايشين داخل الخلايا ، مثل الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء التي تساعد مضيفيها على التوالي على الاستفادة من الأكسجين وضوء الشمس. تعمل الكائنات وحيدة الخلية المعروفة باسم Paramecia بشكل سيئ عندما تشتق تجريبيًا من المتعايشات الضوئية ، وفي المقابل يفقد المتعايشون الجينات المطلوبة للحياة خارج مضيفيهم.

يمكن أن تؤدي آليات التصعيد هذه إلى نتائج تبدو غير منطقية. على سبيل المثال ، موت الخلايا المبرمج ، أو موت الخلية المبرمج ، هو عملية يتم من خلالها انتحار الخلية بشكل أساسي. ومع ذلك ، تظهر التجارب أن ارتفاع معدلات موت الخلايا المبرمج يمكن أن يكون له فوائد في الواقع. في مجموعات كبيرة من خلايا الخميرة ، تعمل الخلايا المبرمجية مثل الحلقات الضعيفة التي يسمح موتها للكتل الصغيرة من خلايا الخميرة بالتحرر والانتشار في مكان آخر حيث قد يكون لديها مساحة أكبر ونمو العناصر الغذائية.

قال ليبي: "هذه الميزة لا تعمل مع الخلايا المنفردة ، مما يعني أن أي خلية تخلت عن المجموعة ستعاني من عيب". يوضح هذا العمل أن الخلية التي تعيش في مجموعة يمكنها تجربة بيئة مختلفة اختلافًا جوهريًا عن الخلية التي تعيش بمفردها. يمكن أن تكون البيئة مختلفة جدًا لدرجة أن السمات الكارثية للكائن الانفرادي ، مثل زيادة معدلات الوفاة ، يمكن أن تصبح مفيدة للخلايا في المجموعة ".

عندما يتعلق الأمر بما تعنيه هذه النتائج في البحث عن حياة فضائية ، قال ليبي إن هذا البحث يشير إلى أن السلوك خارج كوكب الأرض قد يبدو غريبًا حتى يفهم المرء بشكل أفضل أن الكائن الحي قد يكون عضوًا في مجموعة.

قال ليبي: "يمكن للكائنات الحية في المجتمعات أن تتبنى سلوكيات قد تبدو غريبة أو معاكسة للحدس دون اعتبار مناسب لسياقها المجتمعي". "إنها في الأساس تذكير بأن قطعة اللغز هي لغز حتى تعرف كيف تتناسب مع سياق أكبر."

يخطط ليبي وزملاؤه لتحديد آليات تصعيد أخرى.

قال ليبي: "لدينا أيضًا بعض التجارب في الأعمال لحساب الاستقرار الذي توفره بعض سمات التصعيد المحتملة".

اشترك للحصول على آخر الأخبار والأحداث والفرص من برنامج NASA Astrobiology Program.


تاريخ علم الأحياء الفلكي

بعد وقت قصير من إنشاء وكالة ناسا في عام 1958 ، بدأت الوكالة جهدًا واسع النطاق لمعرفة كيفية البحث عن وجود الحياة - القديمة والحالية - خارج الأرض. لم يكن الانضمام إلى برامج الفضاء البشرية والروبوتية للوكالة مع فرع من علم الأحياء دائمًا أمرًا سهلاً أو مقبولاً ، لا سيما أنه لم يتم العثور على عينات حقيقية من الحياة في أي مكان آخر. ولكن حتى الآن أصبح البرنامجان متشابكين للغاية ، ومترابطين للغاية ، بحيث سيتضرر كل منهما بشدة دون الآخر.

نشأ بعض هذا الاقتران الأولي من توقيت عرضي ، وهو تجاور تقدمين تاريخيين. جاءت في البداية اكتشافات مفاجئة ونظريات متابعة حول كيفية تنظيم الحياة لنفسها ، وكيف يمكن أن تكون قد بدأت على الأرض. تبع ذلك بعد فترة وجيزة نجاحاتنا الأولى في السفر إلى الفضاء ، ووعد ضمني بالمزيد في المستقبل.

لذا فإن قدرة الأمة على الوصول إلى الفضاء جاءت في وقت كان الناس فيه منفتحين ومتحمسين لمعرفة المزيد عن ديناميكيات وأصول الحياة على الأرض ... وربما أبعد من ذلك.

تم تسليط الضوء على العلاقة بين استكشاف الفضاء وعلم الأحياء الفلكي (الذي كان يسمى بعد ذلك بعلم الأحياء الخارجية) ومنح شرعية مبكرة من قبل عالم الأحياء الجزيئية الذي تحول إلى عالم الأحياء الخارجية جوشوا ليدربيرج. حتى قبل إنشاء وكالة ناسا رسميًا ، كان يتواصل مع زملائه حول احتمالات إيجاد حياة خارج الأرض. حصل على جائزة نوبل (عن عمر يناهز 33 عامًا ، لاكتشافاته حول الجينات الوراثية للبكتيريا) في نفس العام الذي تأسست فيه وكالة ناسا.

بحلول عام 1960 كان يكتب في المجلة علم أن: "علم الأحياء الخارجية ليس أكثر روعة من تحقيق السفر إلى الفضاء بحد ذاته ، ولدينا مسؤولية جسيمة لاستكشاف آثاره على العلم ورفاهية الإنسان من خلال أفضل رؤيتنا ومعرفتنا العلمية."

في حين تم تعريف الستينيات داخل وكالة ناسا بشكل أساسي من خلال الجهود المبذولة لإنزال البشر على القمر ، كانت الوكالة طوال تلك الفترة تدعم أيضًا جهدًا قويًا للتحضير لمهمة إلى المريخ. هدفها الأساسي: البحث عن بصمات الحياة خارج الأرض.

تطلب هذا الجهد بحثًا جوهريًا في النقاش الحتمي حول طبيعة "الحياة" التي يقوم بها فايكنغ سيبحثون عنه. علاوة على ذلك ، أصبح أولئك الذين يعملون في المجالات البيولوجية مهتمين بشكل صحيح بماهية الحياة الميكروبية فايكنغ قد تجلب مركبات الهبوط إلى المريخ من الأرض ، وتوقع المزيد من الحياة خارج كوكب الأرض التي قد تعود يومًا ما إلى كوكبنا.

لذلك ، أثناء البحث عن الحياة الحالية أو الماضية على المريخ كانت فكرة شائعة جدًا ، فتحت صندوق باندورا من الأسئلة الصعبة للغاية حول الطبيعة التي لا تزال غامضة وأصول الحياة. ومع ذلك ، وصلت إمكانية العثور فعليًا على حياة خارج كوكب الأرض إلى درجة حرارة عالية من الإثارة خلال فايكنغ الهبوط في عام 1976. تنبأ الكثيرون بوجود حياة على سطح المريخ - بما في ذلك كارل ساجان ، الذي كان يتطلع إلى المواجهة عبر فايكنغ، مرئية ، وربما عائمة.

لكن تلك التنبؤات أفسحت المجال لأول صور لمشهد مريخي قاتم وقاحل ، ثم إلى استنتاجات علمية سلبية ولكنها مربكة أيضًا حول ما إذا تم اكتشاف علامات على الحياة ، أو حتى لمركبات عضوية.

كانت التجربة واقعية بما فيه الكفاية لدرجة أن دراسة المريخ أخذت مقعدًا خلفيًا مفاجئًا ، وسيستغرق الأمر عقودًا قبل أن يتعافى الاهتمام. وبينما عادت المركبات المدارية ومركبات الإنزال والمركبات الجوالة إلى المريخ في التسعينيات والعقد الأول من القرن الحادي والعشرين ، لم تبدأ مهمة أخرى في علم الأحياء الفلكية (وإن لم تكن اكتشاف الحياة) حتى هبوط مركبة كيوريوسيتي عام 2012. لحسن الحظ ، تم تعلم الكثير في السنوات الفاصلة.

على سبيل المثال ، تم اكتشاف مجتمعات ميكروبية غير معروفة سابقًا على الأرض والتي تعيش - تزدهر ، حتى - في ما كان يُعتبر سابقًا بيئات ميتة وغير صالحة للسكن. تم اكتشاف أول اكتشاف كبير من "محبي الحياة القاسية" في سواد المحيط العميق قبالة جزر غالاباغوس ، جنبًا إلى جنب مع الفتحات الحرارية المائية المنتشرة في قاع البحر. لم يتم العثور على الميكروبات والديدان الأنبوبية في وقت لاحق فقط تعيش في الظلام الدامس ، ولكنهم كانوا يعيشون في الماء الذي أصبح شديد السخونة بسبب الفتحات.

قاد اكتشاف عام 1977 الباحثين إلى بيئات قاسية حول العالم ، حيث وجدوا الميكروبات تعيش في البرد القارس ، في المياه شديدة الحموضة والمالحة ، في صخور مناجم الذهب المحفورة على بعد أميال تحت الأرض ، في الغلاف الجوي المرتفع فوق الأرض ، وفي المناطق المحيطة ذات المستويات العالية. من النشاط الإشعاعي.

أخبر هذا الانفجار الذي غالبًا ما ترعاه وكالة ناسا العلماء كثيرًا عن الحياة على الأرض ، لكنه أشار أيضًا بوضوح تام إلى أن الحياة يمكن أن توجد خارج الأرض في ظروف اعتبرت لفترة طويلة غير قابلة للبقاء - مثل المحيطات المتجمدة لقمر كوكب المشتري يوروبا.

وجد الباحثون أيضًا جميع المواد الكيميائية اللازمة للحياة في الفضاء ، والعديد من اللبنات الأساسية في النيازك وحتى المذنبات. تم العثور على الأحماض الأمينية ، على سبيل المثال ، في عينات من المذنب Wild 2 بعد أن مرت المركبة الفضائية Stardust التابعة لناسا عبر غيبوبة المذنب المتربة في عام 2004 ، واكتشف علماء ناسا النيوكليوتيدات في النيازك. وقد أخبرت هذه النتائج من مجال "الكيمياء الفلكية" العلماء أن المكونات التي يُفترض أنها ضرورية للحياة تقع في الواقع على الكواكب والأقمار والكويكبات في كل مكان.

كانت الطريقة التي يمكن أن تنظم بها هذه المركبات العضوية وغيرها من المركبات العضوية في أشكال تتكاثر ذاتيًا ، وفي النهاية كائنات حية ، من بين المجالات الأكثر تحديًا في علم الأحياء الفلكي. من خلال البحث في البنية التحتية الجينية للحياة وكذلك محاولة إعادة إنشائها في المختبر ، دفع العلماء لغز أصول الحياة إلى عالم مبكر من RNA وحتى عالم ما قبل RNA. لكن العملية التي من خلالها اتخذت المواد غير الحية سمات الحياة لا تزال بعيدة المنال.

كانت الأبحاث القائمة على الأرض ضرورية لعلم الأحياء الفلكي وقد غيرت بشكل كبير فهمنا للأرض وما يمكن أن يكون ممكنًا في عوالم أخرى. لكن المهمات الروبوتية والتلسكوبات الفضائية التابعة لوكالة ناسا والأوروبية كانت في أغلب الأحيان المحركات التي تقود هذا المجال.

مسترشدة بشعار "اتبع الماء" ، اكتشفت بعثات ناسا في نظامنا الشمسي مجموعة متنوعة مذهلة من أهداف البيولوجيا الفلكية. في البداية جاء قمر كوكب المشتري أوروبا ، مع محيط تحت قشرته الجليدية. تشير الأبحاث الجارية إلى أن الماء مالح ، وهو محلول ملحي له أوجه تشابه واضحة مع محيطاتنا. وربما تم اكتشاف أعمدة من تلك المياه مؤخرًا تتسرب من القمر - تشبه في بعض النواحي تلك التي تنطلق من قمر زحل إنسيلادوس.

كانت قصة المياه على المريخ واعدة بشكل خاص ، مع تحديد قنوات الأنهار العميقة وأنظمة الوادي والمراوح الغرينية ، ومؤخراً ، البحيرات والاقتراحات حول المحيط الشمالي الكبير. يبدو أن الكوكب القزم سيريس وقمر كوكب المشتري جانيميد يحتفظان بالمحيطات الداخلية ، ويبدو أن احتمالات العثور على المزيد من عوالم المياه لا حصر لها.

ذلك لأن السنوات العشرين الماضية شهدت ثورة في فهمنا للكواكب الخارجية - الأجسام التي تدور حول شموس بعيدة. لطالما اشتبه العلماء في أن النجوم الأخرى تنتج أنظمة شمسية ، ولكن لم يتم اكتشاف أولها حتى عام 1995. ومنذ ذلك الحين تم التعرف على آلاف آخرين ، خاصةً بواسطة تلسكوب كيبلر الفضائي التابع لناسا ، ولكن أيضًا من خلال الملاحظات الأرضية.

نظرًا لأن العدد التقديري للكواكب الخارجية قد نما إلى مليارات عديدة ، فإن احتمال أن يكون بعضها موطنًا للكائنات الحية أصبح أكثر منطقية وموضوعًا لبحث كبير. لقد قرر العلماء أن بعض الكواكب صخرية و "شبيهة بالأرض" ، وتدور حول شمسها جيدًا داخل "منطقة صالحة للسكن" - على مسافة حيث يمكن أن يظل الماء سائلاً على سطح الكوكب لبعض الوقت على الأقل . هناك حاجة إلى أكثر بكثير من مجرد سطح صخري وأحيانًا مياه سائلة لجعل الكوكب صالحًا للسكن حقًا ، ولكنها بداية مهمة.

عند العودة إلى الوراء ، يمكننا أن نرى أن مجموعة واسعة من التطورات في علم الأحياء الفلكية مهدت الطريق لما أصبح على الفور أكبر الأخبار على الإطلاق & # 8212 الكشف المحتمل عن علامات الحياة المريخية القديمة.

تحدثت العناوين الرئيسية في عام 1996 عن فريق بحثي تابع لوكالة ناسا ، بقيادة ديفيد مكاي ، وجد ستة مؤشرات للحياة الماضية في نيزك من المريخ. تم تقديم النيزك الشهير ALH84001 ، الذي تم اكتشافه في منطقة ألان هيلز في القارة القطبية الجنوبية في عام 1984 ، على أنه يحتوي على علامات واضحة على وجود حياة ميكروبية على كوكب المريخ. بل كانت هناك صور لما تم تفسيره على أنه بقايا أحفورية لشكل حياة شبيه بالبكتيريا.

كما هو الحال مع فايكنغ النتائج ، ومع ذلك ، لم يقتنع الكثير في مجتمعات المريخ والبيولوجيا الفلكية. بينما مؤلفو كل من فايكنغ النتائج ونتائج نيزك المريخ تقف بجانب عملهم ، وقد رفضها الإجماع العلمي إلى حد كبير & # 8212 مستنتجًا أنه يمكن تفسير النتائج دون وجود علم الأحياء.

ومع ذلك ، فإن نيزك المريخ والإثارة المحيطة به أعطت دفعة قوية لبحث ناسا المتجدد عن الحياة خارج الأرض. تأسس معهد ناسا للبيولوجيا الفلكية بعد عامين من إصدار ورقة نيزك المريخ ، وكان باروخ بلومبرج الحائز على جائزة نوبل مديرًا له ، وتقوم المنظمة بتمويل أبحاث واسعة النطاق منذ ذلك الحين.

تتضمن بعض الأعمال دراسة البيئات على الأرض من أجل فهم أفضل للبيئات المماثلة المحتملة خارج الأرض (ما يسمى "البيئات التناظرية"). تذهب أعمال أخرى إلى تطوير التكنولوجيا لاستخدامها على الكواكب والأقمار الأخرى ، بينما تستكشف الأبحاث الأخرى أصول الحياة على كوكبنا وتطورها المبكر.


التطور: خارج البحر

شهد يوم الخميس 26 يوليو إطلاق موقع SciLogs.com ، وهو شبكة مدونة علمية جديدة باللغة الإنجليزية. SciLogs.com ، المنزل الجديد تمامًا لمدونى Nature Network ، يشكل جزءًا من مجموعة SciLogs الدولية للمدونات الموجودة بالفعل باللغات الألمانية والإسبانية والهولندية. للاحتفال بهذه الإضافة إلى عائلة المدونات العلمية NPG ، تنشر بعض مدونات NPG منشورات تركز على "البدايات".

المشاركة في مهرجان التدوين عبر الشبكات هذا هي مدونة Soapbox Science التابعة لـ nature.com ، ومدونة Scitable’s Student Voices والمدونون من SciLogs.com و SciLogs.de وشبكة مدونة Scitable and Scientific American. انضم إلينا ونحن نستكشف التفسيرات المتنوعة للبدايات - من الأمثلة العلمية مثل الخلايا الجذعية إلى التجارب الأولى مثل نشر ورقتك البحثية الأولى. يمكنك أيضًا متابعة المحادثات والمساهمة فيها على وسائل التواصل الاجتماعي باستخدام علامة التصنيف #BeginScights. - بورا

في البداية كانت الأرض بلا شكل ، وكان الفراغ والظلام على وجه العمق ، كما انهارت سحابة عملاقة من الغاز والغبار لتشكل نظامنا الشمسي. تم تشكيل الكواكب أثناء دوران السديم ، وتحريكها بواسطة مستعر أعظم قريب ، وفي الوسط ، اشتعلت أسرع عملية انضغاط للجسيمات لتصبح شمسنا. منذ حوالي 4.5 مليار سنة ، بدأت الأرض المنصهرة في البرودة. جلبت الاصطدامات العنيفة مع المذنبات والكويكبات سائل الحياة - الماء - وبدأت الغيوم والمحيطات في التبلور. لم يكن الأمر كذلك إلا بعد مرور مليار عام على نشوء الحياة الأولى ، وملء الغلاف الجوي بالأكسجين.

على مدى المليارات القليلة التالية ، اندمجت الكائنات وحيدة الخلية وأصبحت خطط جسم متعددة الخلايا متنوعة ومتشعة ، منتشرة في مجموعة من اللافقاريات. ومع ذلك ، فإن كل هذه الوفرة والحياة كانت مقتصرة على البحار ، وجلس أرض شاسعة وفيرة غير مستغلة. منذ حوالي 530 مليون سنة ، هناك أدلة على أن الحيوانات التي تشبه حريشها بدأت في استكشاف العالم فوق الماء. في مكان ما منذ حوالي 430 مليون سنة ، استعمرت النباتات الأرض الجرداء ، وخلقت أرضًا غنية بالأغذية والموارد ، بينما تطورت الأسماك من الفقاريات الأسلاف في البحر. لقد مر 30 مليون سنة أخرى قبل أن تزحف تلك الأسماك التي تعود إلى عصور ما قبل التاريخ خارج الماء وتبدأ النسب التطوري الذي نجلس فوقه اليوم. لفهم الحياة كما نعرفها ، علينا أن ننظر إلى الوراء إلى حيث أتينا ، ونفهم كيف تحد أسلافنا لعالم جديد تمامًا فوق الأمواج.

لقد كانت خطوة صغيرة بالنسبة للأسماك ، لكنها كانت قفزة عملاقة بالنسبة للرجل المتحرك. رغم ذلك ، بالنظر إلى أنواع الأسماك الحديثة ، ليس من الصعب تصور التكيف البطيء للحياة خارج البحر. في ذلك اليوم فقط ، كنت أطعم سمكة العقرب الأليف خاصتي Stumpy ، وقد فاجأني بهذا الزحف البطيء والمتعمد نحو طعامه:

يظهر عدد من الأسماك سمات لا تختلف عن تلك التي كانت موجودة في رباعيات الأرجل الأولى: الفقاريات ذات الأطراف الأربعة التي تحدت الحياة على الأرض لأول مرة ، وهي من نسل مباشر للأسماك القديمة. يشتهر العديد من أقارب Stumpy ، بما في ذلك gurnards ، بسلوكيات "المشي". وبالمثل ، فقد تكيف طيور النمور تشريحيًا وسلوكيًا للبقاء على قيد الحياة على الأرض. لا يمكنهم فقط استخدام زعانفهم للتنقل من مكان إلى آخر ، بل يمكنهم أيضًا التنفس من خلال جلدهم كما تفعل البرمائيات ، مما يسمح لهم بالبقاء على قيد الحياة عندما يغادرون بركهم الضحلة. عدلت أسماك السلور المشي من نظامها التنفسي لدرجة أنها تستطيع البقاء على قيد الحياة لأيام خارج الماء. لكن كل هذه ليست سوى لمحات عن الكيفية التي بدأت بها رباعيات الأرجل الأولى ، حيث لم يتكيف أي من هذه الحيوانات تمامًا مع الحياة على الأرض. لفهم كيف حققت رباعيات الأرجل مثل هذا العمل الفذ ، يجب علينا أولاً أن نفهم الحواجز التي تكمن بين حياتهم تحت سطح البحر والأرض التي تنتظرهم فوقها.

العيش في الهواء بدلاً من الماء محفوف بالصعوبات. تعتبر الحركة مشكلة واحدة ، على الرغم من أن التطور في عدد من السلالات قد أظهر ، أنها ليست مشكلة كبيرة كما قد تعتقد. ومع ذلك ، بينما يبدو أن طيور النمور وسمك السلور يمشيان بسهولة ، لا يمكن قول الشيء نفسه عن أسلافنا. بعض أقدم رباعيات الأرجل ، مثل إيتشثيوستيجا كانوا مرهقين للغاية على الأرض ، ومن المحتمل أنهم أمضوا معظم وقتهم في راحة المياه. جاءت رباعيات الأرجل الأولى هذه من سلالات قديمة من الأسماك تسمى Sarcopterygii أو الأسماك ذات الزعانف ، والتي لم يبق منها اليوم سوى عدد قليل منها. كما يوحي الاسم ، تمتلك هذه الحيوانات زعانف لحمية تشبه مجدافًا بدلاً من أشعة الشمس الضعيفة لمعظم أنواع الأسماك الحديثة. كانت هذه الزعانف الفصية المغطاة باللحم ناضجة للتكيف مع الأطراف.

لكن كان على رباعيات الأرجل المبكرة تطوير أكثر من طريقة جديدة للمشي - كان على هياكلها العظمية بأكملها أن تتغير لتحمل المزيد من الوزن ، لأن الماء يدعم الكتلة بطريقة لا يفعلها الهواء ببساطة. يجب أن تصبح كل فقرات أقوى للحصول على الدعم. تغيرت الضلوع والفقرات شكلها وتطورت للحصول على دعم إضافي ولتوزيع الوزن بشكل أفضل. تنفصل الجماجم ، وتطورت الأعناق للسماح بحركة أفضل للرأس وامتصاص صدمة المشي. فقدت العظام وتحولت ، مما أدى إلى تبسيط الأطراف وإنشاء نمط مكون من خمسة أرقام لا يزال ينعكس في أيدينا وأقدامنا. مفاصل مفصلية للحركة ، وتدور للأمام للسماح بالزحف بأربع أرجل. بشكل عام ، استغرق الأمر 30 مليون سنة طويلة أو نحو ذلك لتطوير خطة الجسم المناسبة للمشي على الأرض.

في الوقت نفسه ، واجه هؤلاء الساكنون المرهقون الذين يريدون أن يكونوا على الأرض عقبة أخرى: الهواء نفسه. مع الخياشيم الماهرة في سحب الأكسجين من الماء ، كانت رباعيات الأرجل المبكرة غير مجهزة لاستنشاق الهواء. بينما يعتقد الكثيرون أن رباعيات الأرجل المبكرة حولت خياشيمها إلى رئتين ، فإن هذا في الواقع ليس صحيحًا - بدلاً من ذلك ، كان الجهاز الهضمي للأسماك هو الذي تكيف ليشكل الرئتين. أول رباعيات الأرجل تترك الماء يتنفس عن طريق ابتلاع الهواء وامتصاص الأكسجين في أمعائها. بمرور الوقت ، تم تشكيل جيب خاص ، مما يسمح بتبادل الغازات بشكل أفضل. في العديد من الأسماك ، يوجد هيكل مشابه - يسمى مثانة السباحة - والذي يسمح لهم بضبط الطفو في الماء ، وبالتالي افترض الكثيرون أن رباعيات الأرجل عبارة عن مثانات سباحة مشتركة. في الواقع ، ليس من الواضح بالضبط متى تطور رباعيات الأرجل إلى الرئتين. في حين أن الأقارب الوحيدين الذين بقوا على قيد الحياة من رباعيات الأرجل المبكرة - أسماك الرئة - يمتلكون أيضًا رئتين (إذا لم يكشف اسمهم عن ذلك) ، لا يبدو أن العديد من رباعيات الأرجل الأحفورية يمتلكونها ، مما يشير إلى أن الأسماك الرئوية طورت بشكل مستقل قدرتها على تنفس الهواء. ما نعرفه هو أنه لم يتنفس رباعيات الأرجل حقًا مثل أحفادهم المعاصرين إلا منذ حوالي 360 مليون سنة.

المشكلة الأخرى مع الهواء هي أنه يميل إلى تجفيف الأشياء. ربما تكون قد سمعت عن إحصائية أن أجسامنا تتكون من 98٪ من الماء ، ولكن ، بالإضافة إلى الكائنات البرية المتطورة جيدًا ، لدينا هياكل متطورة للغاية تضمن عدم تبخر كل هذه المياه ببساطة. احتاجت رباعيات الأرجل المبكرة إلى تطويرها بمفردها. في البداية ، مثل البرمائيات التي ستنشأ عنها ، من المحتمل أن يكون العديد من رباعيات الأرجل عالقًا في الموائل الرطبة لتجنب فقدان الماء. لكن في النهاية ، لغزو الأراضي الجافة والصحاري ، كان على الحيوانات أن تجد طريقة أخرى لمنع نفسها من الجفاف. من المحتمل أن العديد من رباعيات الأرجل المبكرة بدأوا في تجربة طرق لعزل بشرتهم عن الماء. كان الأمر الأكثر أهمية هو البيض الجاف. تحل البرمائيات مشكلة الجفاف عن طريق وضع بيضها في الماء ، لكن رباعيات الأرجل التي غزت الأرض لم يكن لديها هذا الرفاهية.

كان الحل لطبيعة اليابسة الجافة هو تغليف البيض في عدد من طبقات الأغشية ، فيما يعرف الآن باسم بيضة السلى. حتى أطفالنا يعكسون ذلك ، حيث لا يزال الأطفال الرضع ينمون في كيس يحيط بالجنين يحيط بالجنين ، على الرغم من أننا لم نعد نضع البيض. سمح هذا التكيف الحاسم للحيوانات بقطع الروابط مع الموائل المائية ، وتمييز السلالة الرئيسية من رباعيات الأرجل ، بما في ذلك الزواحف والطيور والثدييات ، من البرمائيات.

سمحت هذه التكيفات الحاسمة للهياكل العظمية رباعية الأرجل والتشريح بغزو العالم فوق الأمواج. بدون براعتهم التطورية ، مجموعة متنوعة من الحيوانات ، بما في ذلك جميع الثدييات ، لن تكون حيث هي اليوم. ومع ذلك ، ما زلنا بالكاد نفهم الإعدادات البيئية التي دفعت هذه الحيوانات المبكرة إلى الخروج من البحر. هل قدمت الأرض الجافة مكافأة لا نهاية لها من الطعام حتى لا يتم نسيانها؟ ربما ، ولكن هناك أدلة على أن أسلافنا تحدوا العالم الجاف في وقت مبكر جدًا ، حتى قبل معظم النباتات أو الحشرات الأرضية ، لذلك من المحتمل أن الأرض كانت قاحلة. وهل هربوا من المنافسة والافتراس في العمق؟ أم أن الأرض كانت مهمة لسبب غير محدد حتى الآن؟ قد لا نعرف أبدًا. لكن بينما نتأمل في بداياتنا ، علينا أن ننسب الفضل إلى الحيوانات الجريئة التي بدأت السلالة التطورية المتنوعة التي نحن جزء منها. على الرغم من أننا قد لا نفهم أبدًا سبب تركهم للمياه ، إلا أننا ممتنون لذلك.

وظائف أخرى في سلسلة Evolution:

الصورة: نموذج من تكتاليك وردية، أحد أقدم أسلاف رباعيات الأرجل. الصورة مقدمة من تايلر كيلور.


كم مرة ظهرت الحياة الأرضية من المحيط؟ - مادة الاحياء

الكائنات الحية (حتى الكائنات الحية القديمة مثل البكتيريا) معقدة للغاية. ومع ذلك ، فإن كل هذا التعقيد لم يقفز بشكل كامل من الحساء البدائي. بدلاً من ذلك ، نشأت الحياة بشكل شبه مؤكد في سلسلة من الخطوات الصغيرة ، كل منها يعتمد على التعقيد الذي تطور سابقًا:

    تم تشكيل جزيئات عضوية بسيطة.
    تعتبر الجزيئات العضوية البسيطة ، المشابهة للنيوكليوتيدات الموضحة أدناه ، اللبنات الأساسية للحياة ويجب أن تكون قد شاركت في أصلها. تشير التجارب إلى أنه كان من الممكن تصنيع الجزيئات العضوية في الغلاف الجوي للأرض المبكرة وتمطر في المحيطات. جزيئات RNA و DNA & # 151 المادة الوراثية لكل أشكال الحياة & # 151 هي مجرد سلاسل طويلة من النيوكليوتيدات البسيطة.

يفترض العديد من علماء الأحياء أن هذه الخطوة أدت إلى "عالم RNA" يقوم فيه RNA بالعديد من الوظائف ، حيث يقوم بتخزين المعلومات الجينية ، ونسخ نفسه ، وأداء وظائف التمثيل الغذائي الأساسية. اليوم ، يتم تنفيذ هذه الوظائف بواسطة أنواع مختلفة من الجزيئات (DNA ، RNA ، والبروتينات ، في الغالب) ، ولكن في عالم RNA ، RNA فعل كل شيء.

فتح التكرار الذاتي الباب أمام الانتقاء الطبيعي. Once a self-replicating molecule formed, some variants of these early replicators would have done a better job of copying themselves than others, producing more "offspring." These super-replicators would have become more common — that is, until one of them was accidentally built in a way that allowed it to be a super-super-replicator — and then, الذي - التي variant would take over. Through this process of continuous natural selection, small changes in replicating molecules eventually accumulated until a stable, efficient replicating system evolved.


محتويات

The term terrestrial is typically applied for species that live primarily on the ground, in contrast to arboreal species, which live primarily in trees.

There are other less common terms that apply to specific groups of terrestrial animals:

  • Saxicolous creatures are rock dwelling. Saxicolous is derived from the Latin word "saxum," meaning a rock.
  • Arenicolous creatures live in the sand.
  • Troglofauna predominantly live in caves.

Terrestrial invasion is one of the most important events in the history of life. [1] [2] [3] Terrestrial lineages evolved in several animal phyla, among which vertebrates, arthropods, and mollusks are representatives of more successful groups of terrestrial animals.

Terrestrial animals do not form a unified clade rather, they share only the fact that they live on land. The transition from an aquatic to terrestrial life has evolved independently and successfully many times by various groups of animals. [3] Most terrestrial lineages originated under a mild or tropical climate during the Paleozoic and Mesozoic, whereas few animals became fully terrestrial during the Cenozoic.

When excluding internal parasites, free living species in terrestrial environments are represented by the following eleven phyla:

    (hairy-backs) live in transient terrestrial water and go dormant during desiccation (wheel animals) live in transient terrestrial water and go dormant during desiccation (roundworms) by going dormant during desiccation (water bears) live in transient terrestrial water and go dormant during desiccation (land planarians) require moist habitats and have restricted range (ribbon worms in Monostilifera) require moist habitats and have restricted range (velvet worms) require moist habitats and have restricted range, the only solely terrestrial phylum (Clitellates) require moist habitats, highly diverse and derived from their marine relatives (fully terrestrial members: Insects, Arachnids, Myriapods, Woodlice, Sandhoppers, and Terrestrial crabs, semi-terrestrial members include Water Fleas, Copepods, and Seed Shrimp) (Gastropods: land snails and slugs) (Tetrapods)

Roundworms, gastrotrichs, tardigrades, rotifers and some smaller species of arthropods and annelids are microscopic animals that require a film of water to live in, and are therefore considered semi-terrestrial. [4] Flatworms, ribbon worms, velvet worms and annelids all depend on more or less moist habitats. The three remaining phyla, arthropods, mollusks, and chordates, all contain species that have adapted totally to dry terrestrial environments, and which have no aquatic phase in their life cycles.

Difficulties Edit

Labeling an animal species "terrestrial" or "aquatic" is often obscure and becomes a matter of judgment. Many animals considered terrestrial have a life-cycle that is partly dependent on being in water. Penguins, seals, and walruses sleep on land and feed in the ocean, yet they are all considered terrestrial. Many insects, e.g. mosquitos, and all terrestrial crabs, as well as other clades, have an aquatic life cycle stage: their eggs need to be laid in and to hatch in water after hatching, there is an early aquatic form, either a nymph or larva.

There are crab species that are completely aquatic, crab species that are amphibious, and crab species that are terrestrial. Fiddler crabs are called "semi-terrestrial" since they make burrows in the muddy substrate, to which they retreat during high tides. When the tide is out, fiddler crabs search the beach for food. The same is true in the mollusca. Many hundreds of gastropod genera and species live in intermediate situations, such as for example, Truncatella. Some gastropods with gills live on land, and others with a lung live in the water.

As well as the purely terrestrial and the purely aquatic animals, there are many borderline species. There are no universally accepted criteria for deciding how to label these species, thus some assignments are disputed.

Fossil evidence has shown that sea creatures, likely related to arthropods, first began to make forays on to land around 530 million years ago. There is little reason to believe, however, that animals first began living reliably on land around this same time period. A more likely hypothesis is that these early arthropods' motivation for venturing on to dry land was to mate (as modern horseshoe crabs do) or lay eggs out of the reach of predators. [5] As time went on, evidence suggests that by approximately 375 million years ago [3] the bony fish best adapted to life in shallow coastal/swampy waters (such as Tiktaalik الوردية), were much more viable as amphibians than were their arthropod predecessors. Thanks to relatively strong, muscular limbs (which were likely weight-bearing, thus making them a preferable alternative to traditional fins in extremely shallow water), [6] and lungs which existed in conjunction with gills, Tiktaalik and animals like it were able to establish a strong foothold on land by the end of the Devonian period. As such, they are likely the most recent common ancestor of all modern tetrapods.

Gastropod mollusks are one of the most successful animals that have diversified in the fully terrestrial habitat. [7] They have evolved terrestrial taxa in more than nine lineages. [7] They are commonly referred to as land snails and slugs.

Terrestrial invasion of gastropod mollusks has occurred in Neritopsina, Cyclophoroidea, Littorinoidea, Rissooidea, Ellobioidea, Onchidioidea, Veronicelloidea, Succineoidea, and Stylommatophora, and in particular, each of Neritopsina, Rissooidea and Ellobioidea has likely achieved land invasion more than once. [7]

Most terrestrialization events have occurred during the Paleozoic or Mesozoic. [7] Gastropods are especially unique due to several fully terrestrial and epifaunal lineages that evolved during the Cenozoic. [7] Some members of rissooidean families Truncatellidae, Assimineidae, and Pomatiopsidae are considered to have colonized to land during the Cenozoic. [7] Most truncatellid and assimineid snails amphibiously live in intertidal and supratidal zones from brackish water to pelagic areas. [7] Terrestrial lineages likely evolved from such ancestors. [7] The rissooidean gastropod family Pomatiopsidae is one of the few groups that have evolved fully terrestrial taxa during the late Cenozoic in the Japanese Archipelago only. [7] Shifts from aquatic to terrestrial life occurred at least twice within two Japanese endemic lineages in Japanese Pomatiopsidae and it started in the Late Miocene. [7]

About one-third of gastropod species are terrestrial. [8] In terrestrial habitats they are subjected to daily and seasonal variation in temperature and water availability. [8] Their success in colonizing different habitats is due to physiological, behavioral, and morphological adaptations to water availability, as well as ionic and thermal balance. [8] They are adapted to most of the habitats on Earth. [8] The shell of a snail is constructed of calcium carbonate, but even in acidic soils one can find various species of shell-less slugs. [8] Land-snails, such as Xerocrassa seetzeni and Sphincterochila boissieri, also live in deserts, where they must contend with heat and aridity. [8] Terrestrial gastropods are primarily herbivores and only a few groups are carnivorous. [9] Carnivorous gastropods usually feed on other gastropod species or on weak individuals of the same species some feed on insect larvae or earthworms. [9]

Terrestrial arthropods come from many distinct lineages: both sister Panarthropod phyla Velvet Worms and Water Bears have some degree of terrestrialization, with Velvet Worms being solely terrestrial. Among Euarthropods Myriapods, Arachnids, and Insects all independently adapted to terrestrial life and diversified in very ancient times. More recently three groups of Crustaceans have also independently adapted to terrestrial life: Woodlice Sandhoppers and Terrestrial Crabs, according to the Pancrustacea hypothesis insects are crustaceans, but of a very distant group from either of those groups

Additionally many microscopic crustacean groups like copepods and amphipods (of which Sandhoppers are members) and Seed Shrimp are known to go dormant when dry and live in transient bodies of water

Semi-terrestrial animals are macroscopic animals that rely on very moist environments to thrive, they may be considered a transitional point between true terrestrial animals and aquatic animals. Among vertebrates Amphibians have this characteristic relying on a moist environment and breathing through their moist skin.

Many other animal groups solely have terrestrial animals that live like this: Land Planarians, Land Ribbon Worms, Nematodes, and Land Annelids breathe like this.

Land Annelids are primarily of the group Clitellata and demonstrate many unique terrestrial adaptations especially in their methods of reproduction, they tend towards being simpler than their marine relatives, laking many of the complex appendages polychaetes have.

Velvet worms are prone to desiccation not due to breathing through their skin but due to their spiracles being inefficient at protecting from desiccation, like Clitellates they demonstrate extensive terrestrial adaptations and differences from their marine relatives including live birth. During the Carboniferous the marine relatives of Velvet Worms went extinct, making them the only solely terrestrial phylum.

Many animals live in terrestrial environments by thriving in transient often microscopic bodies of water and moisture, these include Rotifers and Gastrotrichs which lay resilient eggs capable of surviving years in dry environments, and some of which can go dormant themselves. Nematodes are usually microscopic with this lifestyle. Water Bears although only having lifespans of a few months, famously can enter suspended animation during dry or hostile conditions and survive for decades, this allows them to be ubiquitous in terrestrial environments despite needing water to grow and reproduce. Many microscopic crustacean groups like copepods and amphipods (of which Sandhoppers are members) and Seed Shrimp are known to go dormant when dry and live in transient bodies of water too [4]

    (2002). Gaining ground: the origin and evolution of tetrapods. Indiana University Press, 369 pp., ISBN978-0-253-34054-2.
  • Cloudsley-Thompson J. L. (1988). Evolution and adaptation of terrestrial arthropods. Springer, 141 pp., 978-3-540-18188-0.
  • Dejours P. et al. (1987). Comparative physiology: life in water and on land. Liviana Editrice, Italy, 556 pp., 978-0-387-96515-4.
  • Gordon M. S. & Olson E. C. (1995). Invasions of the land: the transitions of organisms from aquatic to terrestrial life. Columbia University Press, 312 pp., 978-0-231-06876-5.
  • Little C. (1983). The colonisation of land: Origins and adaptations of terrestrial animals. مطبعة جامعة كامبريدج ، كامبريدج. 290 pp., 978-0-521-25218-8.
  • Little C. (1990). The terrestrial invasion. An ecophysiological approach to the origin of land animals. مطبعة جامعة كامبريدج ، كامبريدج. 304 pp. 978-0-521-33669-7.
  • Zimmer, Carl (1999). At the Water's Edge : Fish with Fingers, Whales with Legs, and How Life Came Ashore but Then Went Back to Sea. New York: Touchstone. ISBN0684856239 .

This article incorporates CC-BY-2.0 text from the reference [7] and CC-BY-2.5 text from the reference [8] and CC-BY-3.0 text from the reference [9]


Disciplinary divide

Looking closer, the divide between those who support a terrestrial and those supporting an oceanic origin is split between disciplines. Synthetic chemists generally favour a continental origin and geologists and biologist mostly deep-sea hydrothermal vents. Chemists argue it&rsquos impossible to do the chemistry in hydrothermal vents, while biologists argue that the terrestrial chemistry proposed just isn&rsquot like anything seen in biochemistry and doesn&rsquot narrow the gap between geochemistry and biochemistry.

So is there a way to unite the disciplines? &lsquoAt the moment there is not much common ground between these ideas,&rsquo Lane says. Deamer agrees. &lsquoAt this point, all we can say is that everyone has the right to do a plausibility judgement on the basis of their ideas but then they also must do experimental and observational tests.&rsquo

The smaller problems will be solvable &ndash that&rsquos what gets me out of bed in the morning

What is needed is that killer piece of evidence or experiment that could join the dots together and explain how and where life began from a prebiotic world. &lsquoIt would really be a big breakthrough if we can find a ribozyme among all of these trillions of random polymers that we are making,&rsquo suggests Deamer. Ribozymes are RNA catalysts that are part of the cell&rsquos protein-synthesis machinery, but are candidates for the first self-replicating molecules.

Further evidence to support the origins of life in deep sea hydrothermal vents centres on showing a plausible set of metabolic steps leading to complex molecules. At JPL, they are looking at how amino acid behave in their chemical gardens, according to Barge. &lsquoWe are working on making an amino acid, and then seeing whether [amino acids] get stuck in the chimneys and whether you can concentrate them and maybe make some peptides.&rsquo

&lsquoThere are problems and difficulties,&rsquo Lane acknowledges. &lsquoCan we really make carbon dioxide react with hydrogen to make more complex molecules like amino acids and nucleotides? I&rsquom fairly confident we can do that, but I am aware we have not demonstrated that yet.&rsquo Other difficult questions include whether lipid membranes can be stabilised in seawater with its high calcium and magnesium ion concentrations. But says Lane the big problem of the thermodynamic driving force is solved by hydrothermal vents. &lsquoWhich gives me confidence that the smaller problems will be solvable in that context too, even if they look difficult now &ndash that&rsquos what gets me out of bed in the morning.&rsquo

Of course there is one other possibility &ndash that life did not start on earth at all. Panspermia &ndash the theory that life was seeded from space, seems eccentric, but not everybody counts it out. &lsquoAn argument can be made that life actually began on Mars,&rsquo according to Deamer, because it was first to cool down to a temperatures that could support life.

Whether this is the case or not, life elsewhere is certainly feasible. Jupiter&rsquos moon Europa and Saturn&rsquos moon Enceladus are candidates because they both have oceans beneath icy shells. In the next five years, Nasa is planning to send a spaceprobe to both these moons to look for signs of life. Understanding our own origin story could help us work out where to look.

مراجع

1 M J Russell, R M Daniel and A J Hall, Terra Nova, 1993, 5, 343 (DOI: 10.1111/j.1365-3121.1993.tb00267.x)

2 W Martin and M J Russell, Philos. عبر. R. Soc. B: Biol. Sci., 2003, 358, 59 (DOI: 10.1098/rstb.2002.1183)

3 L M Barge وآخرون, انجيو. تشيم. كثافة العمليات إد. إنجل., 2015, 54, 8184 (DOI: 10.1002/anie.201501663)

4 B Herschy وآخرون, جيه مول. Evol., 2014, 79, 213 (DOI: 10.1007/s00239-014-9658-4)

5 F Klein وآخرون, Proc. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية, 2015, 112, 12036 (DOI: 10.1073/pnas.1504674112)

6 L Da Silva, M C Maurel and D Deamer, جيه مول. Evol., 2015, 80, 86 (DOI: 10.1007/s00239-014-9661-9)

7 M W Powner, B Gerland and J D Sutherland, طبيعة سجية, 2009, 459, 239 (DOI: 10.1038/nature08013)

8 B H Patel وآخرون, نات. تشيم., 2015, 7, 301 (DOI: 10.1038/nchem.2202)

This article is reproduced with permission from Chemistry World. The article was first published on April 16, 2017.


Crocodile Eyes

MacIver had an intriguing hypothesis, but he needed evidence. He teamed up with Schmitz, who had expertise in interpreting the eye sockets of four-legged “tetrapod” fossils (of which Tiktaalik was one), and the two scientists pondered how best to test MacIver’s idea.

MacIver and Schmitz first made a careful review of the fossil record to track changes in the size of eye sockets, which would indicate corresponding changes in eyes, since they are proportional to socket size. The pair collected 59 early tetrapod skulls spanning the water-to-land transition period that were sufficiently intact to allow them to measure both the eye orbit and the length of the skull. Then they fed those data into a computer model to simulate how eye socket size changed over many generations, so as to gain a sense of the evolutionary genetic drift of that trait.

They found that there was indeed a marked increase in eye size — a tripling, in fact — during the transitional period. The average eye socket size before transition was 13 millimeters, compared to 36 millimeters after. Furthermore, in those creatures that went from water to land and back to the water — like the Mexican cave fish Astyanax mexicanus — the mean orbit size shrank back to 14 millimeters, nearly the same as it had been before.

There was just one problem with these results. Originally, MacIver had assumed that the increase occurred after animals became fully terrestrial, since the evolutionary benefits of being able to see farther on land would have led to the increase in eye socket size. But the shift occurred before the water-to-land transition was complete, even before creatures developed rudimentary digits on their fishlike appendages. So how could being on land have driven the gradual increase in eye socket size.

Early tetrapods probably hunted like crocodiles, waiting with eyes out of the water.

In that case, “it looks like hunting like a crocodile was the gateway drug to terrestriality,” MacIver said. “Just as data comes before action, coming up on land was likely about how the huge gain in visual performance from poking eyes above the water to see an unexploited source of prey gradually selected for limbs.”

This insight is consistent with the work of Jennifer Clack, a paleontologist at the University of Cambridge, on a fossil known as Pederpes finneyae, which had the oldest known foot for walking on land, yet was not a truly terrestrial creature. While early tetrapods were primarily aquatic, and later tetrapods were clearly terrestrial, paleontologists believe this creature likely spent time in water and on land.

After determining how much eye sizes increased, MacIver set out to calculate how much farther the animals could see with bigger eyes. He adapted an existing ecological model that takes into account not just the anatomy of the eye, but other factors such as the surrounding environment. In water, a larger eye only increases the visual range from just over six meters to nearly seven meters. But increase the eye size in air, and the improvement in range goes from 200 meters to 600 meters.

MacIver and Schmitz ran the same simulation under many different conditions: daylight, a moonless night, starlight, clear water and murky water. “It doesn’t matter,” MacIver said. “In all cases, the increment [in air] is huge. Even if they were hunting in broad daylight in the water and only came out on moonless nights, it’s still advantageous for them, vision-wise.”

Using quantitative tools to help explain patterns in the fossil record is something of a novel approach to the problem, but a growing number of paleontologists and evolutionary biologists, like Schmitz, are embracing these methods.

“So much of paleontology is looking at fossils and then making up narratives on how the fossils might have fit into a particular environment,” said John Long, a paleobiologist at Flinders University in Australia who studies how fish evolved into tetrapods. “This paper has very good hard experimental data, testing vision in different environments. And that data does fit the patterns that we see in these fish.”

Schmitz identified two key developments in the quantitative approach over the past decade. First, more scientists have been adapting methods from modern comparative biology to fossil record analysis, studying how animals are related to each other. Second, there is a lot of interest in modeling the biomechanics of ancient creatures in a way that is actually testable — to determine how fast dinosaurs could run, for instance. Such a model-based approach to interpreting fossils can be applied not only to biomechanics but to sensory function — in this case, it explained how coming out of the water affected the vision of the early tetrapods.

A model of Tiktaalik الوردية, a 375-million-year-old transitional fossil that had a neck — unheard of for a fish — and both lungs and gills.

“Both approaches bring something unique, so they should go hand in hand,” Schmitz said. “If I had done the [eye socket size] analysis just by itself, I would be lacking what it could actually mean. Eyes do get bigger, but why?” Sensory modeling can answer this kind of question in a quantitative, rather than qualitative, way.

Schmitz plans to examine other water-to-land transitions in the fossil record — not just that of the early tetrapods — to see if he can find a corresponding increase in eye size. “If you look at other transitions between water and land, and land back to water, you see similar patterns that would potentially corroborate this hypothesis,” he said. For example, the fossil record for marine reptiles, which rely heavily on vision, should also show evidence for an increase in eye socket size as they moved from water to land.


From Fins to Limbs and Water to Land: Evolution of Terrestrial Movement in Early Tetrapods

The aerial scene depicts two Late Devonian early tetrapods — Ichthyostega and Acanthostega — coming out of the water to move on land. Footprints trail behind the animals to show a sense of movement. Credit: Davide Bonadonna

The water-to-land transition is one of the most important and inspiring major transitions in vertebrate evolution. And the question of how and when tetrapods transitioned from water to land has long been a source of wonder and scientific debate.

Early ideas posited that drying-up-pools of water stranded fish on land and that being out of water provided the selective pressure to evolve more limb-like appendages to walk back to water. In the 1990s newly discovered specimens suggested that the first tetrapods retained many aquatic features, like gills and a tail fin, and that limbs may have evolved in the water before tetrapods adapted to life on land. There is, however, still uncertainty about when the water-to-land transition took place and how terrestrial early tetrapods really were.

A paper published today (November 25, 2020) in طبيعة سجية addresses these questions using high-resolution fossil data and shows that although these early tetrapods were still tied to water and had aquatic features, they also had adaptations that indicate some ability to move on land. Although, they may not have been very good at doing it, at least by today’s standards.

Lead author Blake Dickson, PhD 󈧘 in the Department of Organismic and Evolutionary Biology at Harvard University, and senior author Stephanie Pierce, Thomas D. Cabot Associate Professor in the Department of Organismic and Evolutionary Biology and curator of vertebrate paleontology in the Museum of Comparative Zoology at Harvard University, examined 40 three-dimensional models of fossil humeri (upper arm bone) from extinct animals that bridge the water-to-land transition.

Three major stages of humerus shape evolution: from the blocky humerus of aquatic fish, to the L-shape humerus of transitional tetrapods, and the twisted humerus of terrestrial tetrapods. Columns (left to right) = aquatic fish, transitional tetrapod, and terrestrial tetrapod. Rows = Top: extinct animal silhouettes Middle: 3D humerus fossils Bottom: landmarks used to quantified shape. Credit: Courtesy of Blake Dickson

“Because the fossil record of the transition to land in tetrapods is so poor we went to a source of fossils that could better represent the entirety of the transition all the way from being a completely aquatic fish to a fully terrestrial tetrapod,” said Dickson.

Two thirds of the fossils came from the historical collections housed at Harvard’s Museum of Comparative Zoology, which are sourced from all over the world. To fill in the missing gaps, Pierce reached out to colleagues with key specimens from Canada, Scotland, and Australia. Of importance to the study were new fossils recently discovered by co-authors Dr. Tim Smithson and Professor Jennifer Clack, University of Cambridge, UK, as part of the TW:eed project, an initiative designed to understand the early evolution of land-going tetrapods.

The researchers chose the humerus bone because it is not only abundant and well preserved in the fossil record, but it is also present in all sarcopterygians — a group of animals which includes coelacanth fish, lungfish, and all tetrapods, including all of their fossil representatives. “We expected the humerus would carry a strong functional signal as the animals transitioned from being a fully functional fish to being fully terrestrial tetrapods, and that we could use that to predict when tetrapods started to move on land,” said Pierce. “We found that terrestrial ability appears to coincide with the origin of limbs, which is really exciting.”

The evolutionary pathway and shape change from an aquatic fish humerus to a terrestrial tetrapod humerus. Credit: Courtesy of Blake Dickson

The humerus anchors the front leg onto the body, hosts many muscles, and must resist a lot of stress during limb-based motion. Because of this, it holds a great deal of critical functional information related to an animal’s movement and ecology. Researchers have suggested that evolutionary changes in the shape of the humerus bone, from short and squat in fish to more elongate and featured in tetrapods, had important functional implications related to the transition to land locomotion. This idea has rarely been investigated from a quantitative perspective — that is, until now.

When Dickson was a second-year graduate student, he became fascinated with applying the theory of quantitative trait modeling to understanding functional evolution, a technique pioneered in a 2016 study led by a team of paleontologists and co-authored by Pierce. Central to quantitative trait modeling is paleontologist George Gaylord Simpson’s 1944 concept of the adaptive landscape, a rugged three-dimensional surface with peaks and valleys, like a mountain range. On this landscape, increasing height represents better functional performance and adaptive fitness, and over time it is expected that natural selection will drive populations uphill towards an adaptive peak.

Dickson and Pierce thought they could use this approach to model the tetrapod transition from water to land. They hypothesized that as the humerus changed shape, the adaptive landscape would change too. For instance, fish would have an adaptive peak where functional performance was maximized for swimming and terrestrial tetrapods would have an adaptive peak where functional performance was maximized for walking on land. “We could then use these landscapes to see if the humerus shape of earlier tetrapods was better adapted for performing in water or on land” said Pierce.

“We started to think about what functional traits would be important to glean from the humerus,” said Dickson. “Which wasn’t an easy task as fish fins are very different from tetrapod limbs.” In the end, they narrowed their focus on six traits that could be reliably measured on all of the fossils including simple measurements like the relative length of the bone as a proxy for stride length and more sophisticated analyses that simulated mechanical stress under different weight bearing scenarios to estimate humerus strength.

“If you have an equal representation of all the functional traits you can map out how the performance changes as you go from one adaptive peak to another,” Dickson explained. Using computational optimization the team was able to reveal the exact combination of functional traits that maximized performance for aquatic fish, terrestrial tetrapods, and the earliest tetrapods. Their results showed that the earliest tetrapods had a unique combination of functional traits, but did not conform to their own adaptive peak.

“What we found was that the humeri of the earliest tetrapods clustered at the base of the terrestrial landscape,” said Pierce. “indicating increasing performance for moving on land. But these animals had only evolved a limited set of functional traits for effective terrestrial walking.”

The researchers suggest that the ability to move on land may have been limited due to selection on other traits, like feeding in water, that tied early tetrapods to their ancestral aquatic habitat. Once tetrapods broke free of this constraint, the humerus was free to evolve morphologies and functions that enhanced limb-based locomotion and the eventual invasion of terrestrial ecosystems

“Our study provides the first quantitative, high-resolution insight into the evolution of terrestrial locomotion across the water-land transition,” said Dickson. “It also provides a prediction of when and how [the transition] happened and what functions were important in the transition, at least in the humerus.”

“Moving forward, we are interested in extending our research to other parts of the tetrapod skeleton,” Pierce said. “For instance, it has been suggested that the forelimbs became terrestrially capable before the hindlimbs and our novel methodology can be used to help test that hypothesis.”

Dickson recently started as a Postdoctoral Researcher in the Animal Locomotion lab at Duke University, but continues to collaborate with Pierce and her lab members on further studies involving the use of these methods on other parts of the skeleton and fossil record.

Reference: “Functional Adaptive Landscapes Predict Terrestrial Capacity at the Origin of Limbs” by Blake V. Dickson, Jennifer A. Clack, Timothy R. Smithson and Stephanie E. Pierce, 25 November 2020. طبيعة سجية.
DOI: 10.1038/s41586-020-2974-5


How life may have first emerged on Earth: Foldable proteins in a high-salt environment

A structural biologist at the Florida State University College of Medicine has made discoveries that could lead scientists a step closer to understanding how life first emerged on Earth billions of years ago.

Professor Michael Blaber and his team produced data supporting the idea that 10 amino acids believed to exist on Earth around 4 billion years ago were capable of forming foldable proteins in a high-salt (halophile) environment. Such proteins would have been capable of providing metabolic activity for the first living organisms to emerge on the planet between 3.5 and 3.9 billion years ago.

The results of Blaber's three-year study, which was built around investigative techniques that took more than 17 years to develop, are published in the journal وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.

The first living organisms would have been microscopic, cell-like organizations capable of replicating and adapting to environmental conditions -- a humble beginning to life on Earth.

"The current paradigm on the emergence of life is that RNA came first and in a high-temperature environment," Blaber said. "The data we are generating are much more in favor of a protein-first view in a halophile environment."

The widely accepted view among scientists is that RNA, found in all living cells, would have likely represented the first molecules of life, hypothesizing an "RNA-first" view of the origin of living systems from non-living molecules. Blaber's results indicate that the set of amino acids produced by simple chemical processes contains the requisite information to produce complex folded proteins, which supports an opposing "protein-first" view.

Another prevailing view holds that a high-temperature (thermophile) environment, such as deep-ocean thermal vents, may have been the breeding ground for the origin of life. "The halophile, or salt-loving, environment has typically been considered one that life adapted into, not started in," Blaber said. "Our study of the prebiotic amino acids and protein design and folding suggests the opposite."

Without the ability to fold, proteins would not be able to form the precise structures essential for functions that sustain life as we know it. Folding allows proteins to take on a globular shape through which they can interact with other proteins, perform specific chemical reactions, and adapt to enable organisms to exploit a given environment.

"There are numerous niches that life can evolve into," Blaber said. "For example, extremophiles are organisms that exist in high temperatures, high acidity, extreme cold, extreme pressure and extreme salt and so on. For life to exist in such environments it is essential that proteins are able to adapt in those conditions. In other words, they have to be able to fold."

Comet and meteorite fragments, like those that recently struck in the Urals region of Russia, have provided evidence regarding the arrival of amino acids on Earth. Such fragments predate Earth and would have been responsible for delivering a set of 10 prebiotic (before life) amino acids, whose origins are in the formation of our solar system.

Today the human body uses 20 common amino acids to make all its proteins. Ten of those emerged through biosynthetic pathways -- the way living systems evolve. Ten -- the prebiotic set -- can be made by chemical reactions without requiring any living system or biosynthetic pathway.

Scientific evidence exists to support many elements in theories of abiogenesis (the emergence of life), including the time frame (around 3.5 to 3.9 billion years ago) and the conditions on Earth and in its atmosphere at that time. Earth would have been made up of volcanic land masses (the beginning of the formation of continents), salty oceans and fresh-water ponds, along with a hot (around 80 degrees Celsius) and steamy atmosphere comprising carbon dioxide and nitrogen. Oxygen would have come later as a by-product of green plant life and bacteria that emerged.

Using a technique called top-down symmetric deconstruction, Blaber's lab has been able to identify small peptide building blocks capable of spontaneous assembly into specific and complex protein architectures. His recent work explored whether such building blocks can be composed of only the 10 prebiotic amino acids and still fold.

His team has achieved foldability in proteins down to 12 amino acids -- about 80 percent of the way to proving his hypothesis.

If Blaber's theory holds, scientists may refocus where they look for evidence in the quest to understand where, and how, life began.

"Rather than a curious niche that life evolved into, the halophile environment now may take center stage as the likely location for key aspects of abiogenesis," he said.

"Likewise, the role of the formation of proteins takes on additional importance in the earliest steps in the beginnings of life on Earth."


شاهد الفيديو: Boeke Vat 01 - Die vorming van die Kaap (كانون الثاني 2022).