Планетологические факторы и пределы эволюции биосферы

[bob]

Итак, происхождение жизни - вопрос тёмный. Наличие или отсутствие внеземной жизни - вопрос ещё более тёмный. Попробуем поиграть с имеющейся моделью эволюции земной жизни на больше-меньше. Какие факторы являются катализаторами/флегматизаторами биологической эволюции? Пока, с легонца, насчитал четыре: инсоляция, температура, радиоактивность, темп поступления микроэлементов на поверхность в связи с тектонической активностью.
С освещённостью и температурой всё ясно: до уровня, пока всё не выжжет, фотосинтез проходит быстрее и темп деления клеток выше.
С радиацией тоже ясно: до достижения опасного уровня она ускоряет мутации.
С планетологическим фактором для многих, возможно, это будет не очевидно, но где-то я уже писал, что Земля без рифтовых зон и чёрных курильщиков была бы совершенно стерильной планетой: не было бы микроэлементов для встраивания в белки. Получился бы смертельный всепланетный авитаминоз, так сказать. Так что космической катастрофе, приведшей к разломам плит и делению коры на материковую и океаническую, мы обязаны перемешиванием слоёв, организацией рифтовых зон, и всем богатством поверхностной минералогии, приведшим к возможности жизни. Темп поступления микроэлементов на поверхность - тоже важная деталь: между "авитаминозом" (отсутствием необходимых микроэлементов) и "гипервитаминозом" (отравлением биоты вулканизмом) тоже есть некий зазор диапазона допустимых значений.
Какие будут ещё идеи в этом ключе? Какие ещё параметры модельки и их соотношения нужны, чтобы ускорить или замедлить эволюцию жизни в эн раз?

[bob]

Забыл. Каждый из факторов действует, естественно, не линейно. Например, тот уровень радиации, который просто кайф для эволюции инфузорий и тараканов, для человека или слона - смерть на месте.
Или, например, планетологический фактор уровня доступных микроэлементов в норме действует только на основу пищевых цепочек (они фильтруют элементную базу для всех остальных). А на её вершину начинает напрямую, а не опосредованно, действовать только если вулканизм повысится настолько, что атмосфера станет не пригодна для дыхания. и т.п.

[alex_semenov]

Как по мне, скорость эволюции понятие вообще неуловимое. Один вид эволюционирует быстро, другой медленно. Можно ли вывести тут среднюю температуру по больнице?
Но для данного вида можно твердо сказать что скорость его эволюции определяется АДАПТИВНЫМ ЛАНДШАФТОМ.



Если ландшафт сложился так, что вид оказался в "горном массиве", то эволюция идет быстро. А если у нас относительно плоская унылая равнина…
Кстати. Последнее - мечта всякого генома.

Еще. Недавно слушая  в сети лекции Маркова (посвятил этому несколько вечеров), в какой то услышал (брошенный почти мимоходом) ЗАМЕЧАТЕЛЬНЫЙ ответ на вопрос куда движется эволюция? Почему эволюции все время "усложняет" виды?
Марков объяснил это математикой случайного блуждания. Как бы мимоходом. Я был потрясен тем насколько это сильный ответ!



График говорит сам за себя.  По мере протекания времени, случайные блуждания кода в среднем удаляются на корень из числа блужданий. То есть код СОВЕРШЕННО СЛУЧАЙНО становится все длиннее и длиннее. И если это эволюционно хотя бы импедансно (безразлично) то виды будут становитсья все сложней и сложней.

На мой взгляд идеальное решение старого вопроса, движется ли куда-нибудь эволюция?
Данная мысль слишком пронзительна что бы не быть интересной. Она многое ставит на свои места. В том числе и метафору С. Лема в "Голем-XIV" про "бормотание кода". И заявление Кунина про самое великое (пока) открытие в биологии XXI века (что вые революционные скачки в истории эволюции обеспечиваются ТОЛЬКО генным дрейфом).

[bob]

Как по мне, скорость эволюции понятие вообще неуловимое. Один вид эволюционирует быстро, другой медленно. Можно ли вывести тут среднюю температуру по больнице?
Но для данного вида можно твердо сказать что скорость его эволюции определяется АДАПТИВНЫМ ЛАНДШАФТОМ.

Кстати, да. Скорость деления клеток и клеточных мутаций (не доказуемо, но предположительно) приводит к возникновению нового вида только при объективной необходимости адаптации к новым условиям. А так, просто на ровном месте, высокая скорость смены поколений и мутагенная активность будут пропадать втуне.

И заявление Кунина про самое великое (пока) открытие в биологии XXI века (что вые революционные скачки в истории эволюции обеспечиваются ТОЛЬКО генным дрейфом).

Не известно, насколько оно справедливо. Но если так, то вот на скорость смены биологических эр выделенные мной факторы будут влиять почти линейно. Они не ускорят и не замедлят заметно эволюцию отдельного вида, но биотопа в целом - вполне. В смысле, эра ящеров быстрее или медленнее сменится эрой млекопитающих, а дерево разнообразия конкретных видов в них будет пропорционально длиннее или короче в каждой.

[alex_semenov]

А действительно ли радиация ускоряет эволюцию?

Репарация ДНК:

Повреждение ДНК под воздействием факторов окружающей среды, а также нормальных метаболических процессов, происходящих в клетке, происходит с частотой от нескольких сотен до 1000 случаев в каждой клетке, каждый час

То есть, частота мутаций (а значит и скорость эволюции) зависит не столько от интенсивности источников хаоса (они всегда чрезывачайно интенсивны!), а от способности этой материи ему сопротивляться. А эта способность в свою очередь зависит от того насколько данный генотип хорошо СООТВЕТСТВУЕТ окружающей среде. Насколько он к ней адаптирован.  Проще говоря, находится ли он на неком склоне адаптивного ландшафта или в некой впадине-вершине (по сути на неком плато, плоскости).

[bob]

А действительно ли радиация ускоряет эволюцию?

Репарация ДНК:

Повреждение ДНК под воздействием факторов окружающей среды, а также нормальных метаболических процессов, происходящих в клетке, происходит с частотой от нескольких сотен до 1000 случаев в каждой клетке, каждый час

То есть, частота мутаций (а значит и скорость эволюции) зависит не столько от интенсивности источников хаоса (они всегда чрезывачайно интенсивны!), а от способности этой материи ему сопротивляться. А эта способность в свою очередь зависит от того насколько данный генотип хорошо СООТВЕТСТВУЕТ окружающей среде. Насколько он к ней адаптирован.  Проще говоря, находится ли он на неком склоне адаптивного ландшафта или в некой впадине-вершине (по сути на неком плато, плоскости).

Не, ну с этим никто не спорит. Если организм уже адаптирован к среде, то любая мутация - это просто опасное отклонение от нормы, она подавляется. Речь идёт о скорости видообразования, в случае изменения среды. Когда свойства, ранее бывшие нормальными, оптимальными, становятся мало пригодны к среде обитания.
Например, в условиях повышенной радиации, какие-нибудь протеи или амёбы быстрее перевалят через линию водораздела и захватят новый ареал по ту сторону горного хребта, дадут поросль нового подвида, жизнеспособную в другом климате. И те признаки, которые ранее снижали их конкурентоспособность и подавлялись естественным отбором - например медленный метаболизм, станут наиболее ценными для выживания.

P.S. Немного поторопился с названием темы. Наверное её стоило назвать "Наиболее глобальные астрофизические и планетологические долговременно действующие факторы экосферы, и их влияние на эволюцию биоты весьма землеподобной планеты в солнечноподобной планетной системе". (В отличие от обсуждаемых в других темах систем красных и бурых карликов, ледяных спутников, однократных экстремально-катастрофических условий или ещё чего-то сильно отличающегося от местных условий.) Но это слишком пространно. 

[Technecy]

Отличные картинки, товарищ Семёнов.
Давайте представим этот график в 3Д и для нескольких функций (1-эволюция гена, 2-положительные факторы, 3 отрицательные факторы). А точки пересечения функций 1и2 будем принимать снова за начало координат, а пересечение функций 1и3 за конец ветки(тупик). Получится реальная картина того, чего вы рисовали в теме про эволюцию цивилизаций, я вам ещё говорил что всё намного сложнее, если помните.

[L_Pt]

С радиацией тоже ясно: до достижения опасного уровня она ускоряет мутации.

Однозначно скорость мутаций не есть лимитирующим фактором изменчивости.

С планетологическим фактором для многих, возможно, это будет не очевидно, но где-то я уже писал, что Земля без рифтовых зон и чёрных курильщиков была бы совершенно стерильной планетой: не было бы микроэлементов для встраивания в белки. Получился бы смертельный всепланетный авитаминоз, так сказать. Так что космической катастрофе, приведшей к разломам плит и делению коры на материковую и океаническую, мы обязаны перемешиванием слоёв, организацией рифтовых зон, и всем богатством поверхностной минералогии, приведшим к возможности жизни. Темп поступления микроэлементов на поверхность - тоже важная деталь: между "авитаминозом" (отсутствием необходимых микроэлементов) и "гипервитаминозом" (отравлением биоты вулканизмом) тоже есть некий зазор диапазона допустимых значений.

Вполне возможно, что вулканизм горячих точек вполне сможет справиться с задачей. Во всяком случаи обратное не очевидно.


Из несказаного: для морской жизни - площадь мелководий.
Одной из причин кембрийского взрыва было то, что воды мирового океана начали заливать и низменные участки материковой коры, образовав то, что мы теперь называем шельфом.

[bob]

Одной из причин кембрийского взрыва было то, что воды мирового океана начали заливать и низменные участки материковой коры, образовав то, что мы теперь называем шельфом.

А потом, после трансгрессии - регрессия, почти обнажившая шельф и уничтожившая любимые всякой живностью болота и эстуарии.

P.S. Из планетолого-астрофизических факторов забыл достаточно существенные - магнитное поле с радиационными поясами и уровень озона. Тоже интересно покрутить рукоятку вправо-влево, убавить-прибавить. Но это практически учтено в пункте "радиация" (помимо естественного грунтового фона), так что не будем распыляться.

[idris]

Магнитное поле ничего не значит. Если например есть мощная атмосфера или океан. Сквозь них никакие частичны от звезды не пробьются.

Тектоника тоже не так и важна. Вместо нее вполне может подойти несколько вариантов выброса веществ на поверхность, хоть сомневаюсь что это так уж и важно.
Первый: Юпитер-Ио. Второй: падения астероидов - когда они неизбежно пробивают внешние слои планет и способствуют масштабным вулканическим процессам, вне какой либо тектоники и плит. Примерами на Земле являются огромные вулканические плато Путорана и окрестности в Сибири, Декан в Индии ряд других, на других планетах тоже есть следы кратеров с явным заполнением их расплавленной лавой, которые эти же самые кратеры и создали.

Проблемой является свободный кислород в атмосфере - сильнейший окислитель! Он резко (на десятки порядков для некоторых) тормозит подвижность и доступность для жизни огромного числа элементов. Но кислород очевидно был не всегда. Так что без него в условиях наличия жидкой воды, которая все растворяет проблем с доступностью микроэлементов быть не должно.

[незлой]

вроде-б после каждого "великого вымирания" эволюция спринт устраивала, нет?
"по фронту волны" по крайней мере
смысле -- по пресловутому "усложнению"

[L_Pt]

Проблемой является свободный кислород в атмосфере - сильнейший окислитель! Он резко (на десятки порядков для некоторых) тормозит подвижность и доступность для жизни огромного числа элементов.

Сходу вспомнил только железо.

Какие еще из "огромного" числа?

[Peredron]

Статья: "Сверхобитаемые миры, или почему Земля к ним не относится"

http://compulenta.computerra.ru/universe/SETI/10010848/

[idris]

Все халькофильные элементы: медь, свинец, кобальт, цинк, ртуть и т.д. в присутствии кислорода практически мгновенно выпадают в осадок в виде гидрокислов или окислов или при сорбции их на других гидрокислах. Есть еще и марганец кроме железа.

Плюс разные  элементы из ряда сера, фосфор, мышьяк и т.д. без кислорода в принципе дают какие то более менее свободные активные формы. А если есть кислород, то тут же с ним соединяются и становятся труднодоступны.

[Klapaucius]

Статья: "Сверхобитаемые миры, или почему Земля к ним не относится"

http://compulenta.computerra.ru/universe/SETI/10010848/

Хорошая статья. "Мыодникеры" в любом отличии от Земли видят "аргумент", а ведь Земля - не обязательно идеальное место. И всё хорошо разобрано, конечно не без замечаний.

Насчёт личного (моего) мнения. Жизнь, как считается, возникла или занесена почти сразу. Но вот топтались с одноклеточными, динозаврами и т.д. Лишь некие катастрофы подстёгивали эволюцию, такое впечатление. Действительно, стабильная экосистема способствует "застою", видообразование возможно только при изменениях окружающей среды. Некоторые этапы земной эволюции выглядят уж чересчур долгими. Слишком стабильная планета? Наверное. Но есть и другая сторона медали. Слишком быстрые изменения могут, безусловно, даже жизнь как таковую изничтожить, она не успеет перестроиться. Такие случаи в истории Земли тоже известны, но все не слишком древние свидетельствуют о том, что вымирания были не 100%.

На идеальной планете (без массовых вымираний и застоев) может всё намного быстрее, и может такие планеты даже есть в статистически значимом количестве.

Да и вообще, если уж вспомнили о Венере и Марсе, может они у нас, из-за особенностей эволюции Солнца или даже каких-то случайных катаклизмов потеряли биосферу. И мы оперируем неправильными данными для оценок встречаемости внеземной землеподобной жизни.

[idris]

Нельзя быть чуть чуть беременной. Если предполагать уничтожение жизни, это означает ее уничтожение полное и абсолютное. В истории жизни на Земле нет таких примеров. Значит уничтожить жизнь, исходя из данных по Земле, нельзя.  А примеров других биосфер мы не знаем.

[L_Pt]

Все халькофильные элементы: медь, свинец, кобальт, цинк, ртуть и т.д. в присутствии кислорода практически мгновенно выпадают в осадок в виде гидрокислов или окислов или при сорбции их на других гидрокислах. Есть еще и марганец кроме железа.

Плюс разные  элементы из ряда сера, фосфор, мышьяк и т.д. без кислорода в принципе дают какие то более менее свободные активные формы. А если есть кислород, то тут же с ним соединяются и становятся труднодоступны.

Не спешите. Какие вы знаете подвижные формы восстановленных халькофильных элементов? Неужели вы хотите сказать, что одновалентная или металлическая медь (раз уж она в списке первая) лучше доступна биоте, чем окисленная двухвалентная?

А насчет таких неметаллов как сера или фосфор, так кислород однозначно повышает их подвижность, превращая в растворимые формы SO₃^2-, SO₄^2-, HPO₄^2-
К мышьяку это тоже относится, только для большинства форм он не нужен и вреден.

[Stalk.er]

http://compulenta.computerra.ru/universe/SETI/10010848/

Да, тоже прочитал эту статью вчера. Хорошая статья. Многие мысли были высказаны до неё, но в ней они более-менее собрались вместе. Последний фактор обитаемости правда маловато освещён. Влияние атмосферы на степень обитаемости - просто огромный.
И действительно, Земля - это не самое идеальное место для жизни.

[Stalk.er]

Насчет репарации ДНК. Читал в каких-то статьях на Элементах, что в экстремальных стрессовых условиях у организма начинает сбоить механизм репарации и число мутаций резко увеличивается.

[Nucleosome]

С освещённостью и температурой всё ясно: до уровня, пока всё не выжжет, фотосинтез проходит быстрее и темп деления клеток выше.

ну не совсем пока выгорят - на каком уровен тепловые кобелния в фермантах требуеют их более высокой устойчивости, а стало быть и структуры, что в итоге приводит к резкому снижению общей скорости - то есть структур неуменьшаемой сложности нужно много.

С радиацией тоже ясно: до достижения опасного уровня она ускоряет мутации.

вот хотел отверить, но Алекс меня опредил:

То есть, частота мутаций (а значит и скорость эволюции) зависит не столько от интенсивности источников хаоса (они всегда чрезывачайно интенсивны!), а от способности этой материи ему сопротивляться.

но всё-таки в этом:

Например, в условиях повышенной радиации, какие-нибудь протеи или амёбы быстрее перевалят через линию водораздела и захватят новый ареал по ту сторону горного хребта, дадут поросль нового подвида, жизнеспособную в другом климате.

радиация им едва ли чем поможет. дело в том, чт она повышает частоту (при её скачкообразом повышении), всех мутаций - а тут надо отобрать только некоторые из общей массы. конечно - их частота будет выше, но и других вместе с ними тоже, а другие с заметной вероятностью будут вредными. то есть сбивать все приемущества даваемые "нужными" на нет. и тогда получится, что надо искать не прсото носителей требуемых мутаций (мы ведь не в лаборатории выделяем нужным нам мутаций и не важны нам остальные признаки), а ещё и "чистых" мутантов - то есть без прочих /вредных/ мутаций. и когда частота мутаций высока, то шансы на это малы. более того - они сильно снижаются (чисто статистически) при возрастании частоты. если же речь о планете с общим уровнем естественной радиации, то он вряд ли играет какую-либо роль - как уже ответил Алекс - у организмов будут просто более совершенные механизмы испарвления мутаций и всё (примеры чего есть - как некая батерия, название длинное гипер-устойчива благодаря дубилрованию генетического материала и способности воссоздавать свой геном из фрагментов) среди многоклеточных к радиации поразительно устойчивы родственники Членистоногих Тихоходки

Получился бы смертельный всепланетный авитаминоз, так сказать.

тут не уверен. дело в том, что в нашем случае таких витаминов если не много повсеместно, то достатоно для того, чтобы выбить из гонки тех, кто их не использует. но если бы их не было бы биосфера пошла бы иным путём (возможно), создавая "голые" энзимы, с активными центрами только из заряженных концов органики - конечно, опять проблемы структуризации, что и с высокими температурами, но наверное всё же совсем мёртвечины не получилось бы. хотя наверное да - наличие микроэлементов для эволюции биосферы благо в сравнии с тем, когда их нет. ну то есть, но куда меньше - о чём писал idris.

Так что космической катастрофе, приведшей к разломам плит и делению коры на материковую и океаническую, мы обязаны перемешиванием слоёв, организацией рифтовых зон, и всем богатством поверхностной минералогии, приведшим к возможности жизни.

почему космической? что, если бы не толкнуло что из вне, так все плиты бы и сомкнулись в одну твёрдую скорлупку? а что они не сомкнулись за истёкшие миллиарды лет? ведь тектоника вроде никогда не прекращалась

Последнее - мечта всякого генома.

ну они вообще натуры не очень мечтательные. а вообще равниные не выйдет - будет скучно, и из хаотических возникающих кочек будут формироваться новые пики и ущелья

Почему эволюции все время "усложняет" виды?
Марков объяснил это математикой случайного блуждания. Как бы мимоходом. Я был потрясен тем насколько это сильный ответ!

увы... это не ответ. я не знаю почему Марков привёл картинки фиксации аллелей в результате дрейфа как пример улсожения - никакого усложнения тут нет и в помине - дрейф вообще не носит никакого конструктивного характера, поскольку по определению случаен, то есть фиксирует (или просто накапливает, поддерживая разнообразие) всё то, что не затрагивается отбором. но разнообразие (внутривидовое, ведь речь о популяции) и сложность - вещи не связанные. так что из этого:

И если это эволюционно хотя бы импедансно (безразлично) то виды будут становитсья все сложней и сложней.

ничего не выйдет. объяснение сложности лежит совсем в иной плоскости - а именно в конкуренции, и наращивании антагонистичных приспособлений

И заявление Кунина про самое великое (пока) открытие в биологии XXI века (что вые революционные скачки в истории эволюции обеспечиваются ТОЛЬКО генным дрейфом).

это не великое открытие, это только мнение Кунина (если он его вообще высказывал, в чём я сомневаюсь), вообще  дрейф конечно есть и нейтральных мутаций - видимо не видимо, но значит всё это для эволюции только как источник разнообразия, из которого потом можно будет выбрать удачные сочетания - но это снова отбор, а сам по себе дрейф не даёт ничего. ну или почти - когда речь о перепрыгивании с пика на пи разделённых неглубоких ущельем. а революции в биосфере - за ущельями ой какой глубины...

Скорость деления клеток и клеточных мутаций (не доказуемо, но предположительно) приводит к возникновению нового вида только при объективной необходимости адаптации к новым условиям. А так, просто на ровном месте, высокая скорость смены поколений и мутагенная активность будут пропадать втуне.

хм... не знаю вообще никто точно не может сказать сколько именно надо просто хаотично накопленных мутаций, чтобы вид разошёлся в два, да и в каждом случае это будет заметно различаться

Но вот топтались с одноклеточными, динозаврами и т.д. Лишь некие катастрофы подстёгивали эволюцию, такое впечатление.

честно - не думаю. ну и с динозаврами это не топтание вовсе, а весьма быстрый путь - по крайней мере не на излёте. катастрофы конечно имеют значение, но эволшюция хорошо идёт и между ними... выход на сушу вроде бы ничем не споровождался, да и появление эукариот как будто тоже (хотя было это давно и когда именно - очень расплывчато)

Насчет репарации ДНК. Читал в каких-то статьях на Элементах, что в экстремальных стрессовых условиях у организма начинает сбоить механизм репарации и число мутаций резко увеличивается.

это просто условия пробивают эти механизмы