Теория биохимической эволюции

⇐ ПредыдущаяСтр 9 из 11Следующая ⇒

Как уже упоминалось, в состав первичной атмосферы Земли входили пары воды и несколько газов: CO₂, CO, H₂S, NH₃, CH₄. При этом кислород практически отсутствовал, и атмосфера имела восстановительный характер.

Возникновение жизни на Земле и ее биосферы – одна из основных проблем современного естествознания. Согласно гипотезе биохимической эволюции А.И.Опарина зарождение жизни на Земле – это длительный процесс становления живой материи из неживой под воздействием физико-химических факторов.

В то же время в вопросе о происхождении первых «протоклеток», моменте перехода от «нежизни» к жизни еще очень много неясного.

Гиперциклы и зарождение жизни. Лучше понять процесс происхождения и эволюции жизни, можно, обратясь к расмотренной ранее теории химической эволюции Руденко и гипотезы немецкого физико-химика М. Эйгена. Согласно последней, процесс возникновения живых клеток тесно связан с взаимодействием нуклеотидов (нуклеотиды – элементы нуклеиновых кислот, в состав которых входят азотистые основания – цитозин, гуанин, тимин, аденин), являющихся материальными носителями информации, и протеинов (полипептидов), служащих катализаторами химических реакций. В процессе взаимодействия нуклеотиды под влиянием протеинов воспроизводят самих себя и передают информацию следующему за ними протеину, так что возникает замкнутая автокаталитическая цепь, которую М. Эйген назвал гиперциклом. В ходе дальнейшей эволюции из них возникают первые живые клетки, сначала безъядерные (прокариоты), а затем с ядрами – эукариоты.

Здесь, как видим, прослеживается логическая связь между теорией эволюции катализаторов и представлениями о замкнутой автокаталитической цепи. В ходе эволюции принцип автокатализа дополняется принципом самовоспроизведения целого циклически организованного процесса в гиперциклах, предложенного М.Эйгеном. Воспроизведение компонентов гиперциклов, так же как и их объединение в новые гиперциклы, сопровождается усилением метаболизма, связанного с синтезированием высокоэнергетических молекул и выведением как «отбросов» бедных энергией молекул. Здесь интересно отметить особенности вирусов как промежуточной формы между жизнью и нежизнью: они лишены способности к метаболизму и, внедряясь в клетки, начинают пользоваться их метаболической системой. Итак, по Эйгену происходит конкуренция гиперциклов, или циклов химических реакций, которые приводят к образованию белковых молекул (рис.).

Рис. Гиперцикл и возникновение гипотетической клетки

Циклы, которые работают быстрее и эффективнее, чем остальные, «побеждают» в конкурентной борьбе. Фактически, Эйген выдвинул концепцию образования упорядоченных макромолекул из неупорядоченного вещества на основе матричной репродукции естественного отбора. Он начинает с того, что дарвиновский принцип естественного отбора – это единственный понятный нам способ создания новой информации как физической величины, отражающей меру упорядоченности системы (в противоположность энтропии – «беспорядку»). Другими словами, если имеется система самовоспроизводящихся единиц, которые строятся из материала, поступающего в ограниченном количестве из единого источника, то в ней с неизбежностью возникает конкуренция и, как ее следствие, отбор. Эволюционное поведение, управляемое естественным отбором, основано на самовоспроизведении с " информационным шумом" (в случае эволюции биологических видов роль " шума" выполняют мутации). Наличия этих двух физических свойств достаточно, чтобы стало принципиально возможным возникновение системы с прогрессирующей степенью сложности.

Простейшим примером гиперцикла может служить размножение РНК-содержащего вируса в бактериальной клетке. Этот гиперцикл конкурирует с любой самовоспроизводящейся единицей, не являющейся его членом; он не может стабильно сосуществовать и с другими гиперциклами – если только не объединен с ними в автокаталитический цикл следующего, более высокого, порядка. Состоя из самостоятельных самовоспроизводящихся единиц (что гарантирует сохранение фиксированного количества информации, передающейся от " предков" к " потомкам" ), он обладает и интегрирующими свойствами. Таким образом, гиперцикл объединяет эти единицы в систему, способную к согласованной эволюции, где преимущества одного индивида могут использоваться всеми ее членами, причем система как целое продолжает интенсивно конкурировать с любой единицей иного состава.

В процессе возникновения жизни на Земле различают несколько основных этапов. Их последовательность в процессе эволюции: абиогенный синтез низкомолекулярных органических веществ, образование биополимеров, формирование коацерватов, возникновение фотосинтеза.

Рис. 4. Схема абиогенеза

Интересно сопоставить действительные представления о биохимической эволюции с тем, что пытаются обычно представить креационисты, критикующие эту теорию (рис.).

Согласно современным гипотезам, вещества, возникшие в первичной атмосфере, в основном вымывались в океанах, размеры которых увеличивались по мере остывания Земли. Были проведены эксперименты с газами, предположительно входившими в состав этой атмосферы, в условиях, считающимися близкими к господствовавшим в то время. В этих экспериментах получены сложные органические молекулы, сходные с основными компонентами биологических структур. Земные океаны превращались во все более концентрированный раствор таких веществ.

Некоторые органические молекулы имеют тенденцию собираться вместе. В первичном океане эти скопления, вероятно, приобретали форму капель, похожих на образуемые маслом в воде. Такие капли, по-видимому, и были предшественниками примитивных клеток – первых форм живого.

Согласно современным теориям, эти органические молекулы служили также источником энергии для первых организмов. Примитивные клетки или клеткоподобные структуры могли получать ее, используя имеющиеся в изобилии химические соединения. По мере развития и усложнения организмы становились все более самостоятельными, приобретая такие способности: расти, размножаться и предавать свои признаки следующим поколениям.

Таким образом, первые организмы, возникшие на Земле и долго существовавшие в водах первичного океана – это прокариоты, т.е. безъядерные организмы. Прокариот называют также «бактериями». Кроме того, эти организмы не нуждались в кислороде для своей жизнедеятельности, т.е. были анаэробами. Они удовлетворяли свои энергетические нужды, потребляя органические соединения из окружающей среды, т.е. были гетеротрофами (от греческих слов heteros – другой и trophos – питающийся). К этой группе сейчас относятся все животные и грибы, а также многие одноклеточные, например большинство бактерий.

До того как атмосфера стала аэробной, т.е. кислородной, существовали только лишенные ядерных оболочек прокариотические клетки, генетический материал которых не организован в сложные хромосомы.

По мере увеличения численности примитивных гетеротрофов запас сложных молекул, от которых зависело их существование, накапливавшийся в течение миллионов лет, начал истощаться. Органики за пределами клеток становилось все меньше, и между ними началась конкуренция. Под ее давлением клетки, которые могли эффективно использовать ставшие ограниченными источниками энергии, получили в сравнении с другими больше шансов выжить. С течением времени в результате длительного медленного процесса вымирания (элиминации) наименее приспособленных возникли организмы, способные создавать собственно богатые энергией молекулы из простых неорганических веществ. Они называются автотрофами, что означает по-гречески «самостоятельно питающиеся». Без появления этих первых автотрофов жизнь на Земле прекратилась бы.

Наиболее преуспевающими оказались автотрофы, у которых появилась система для непосредственного использования солнечной энергии, т.е. фотосинтеза. Первые фотосинтезирующие организмы были намного проще современных растений, но уже значительно сложнее, чем примитивные гетеротрофы. Для поглощения и использования солнечной энергии потребовалась особая, улавливающая световую энергию пигментная система и сопряженная с ней система запасания этой энергии в связях органических молекул.

Доказательства существования фотосинтезирующих организмов были найдены в породах возрастом 3, 4 млрд. лет, т.е. на 100 млн. лет более молодых, чем те, в которых обнаружены первые ископаемые свидетельства жизни на Земле. Однако можно быть почти уверенным в том, что и жизнь, и фотосинтез появились значительно раньше. С появлением автотрофов поток энергии в биосфере приобрел современные черты: лучистая энергия улавливается фотосинтезирующими организмами, а от них предается всем остальным живым существам.

По мере увеличения количества автотрофов облик планеты изменялся. Эта биологическая революция связана с одним из наиболее эффективных способов фотосинтеза, используемым почти всеми ныне живущими автотрофами и включающим расщепление молекулы воды с высвобождением кислорода. В результате количество газообразного кислорода в атмосфере увеличивалось, а это имело два важных последствия.

Во-первых, часть кислорода во внешнем слое атмосферы превращалась в озон, который, накопившись в достаточном количестве, начал поглощать ультрафиолетовые лучи падающего на землю солнечного света, губительные для живого. Около 450 млн. лет назад организмы, защищенные озоновым слоем, уже могли выживать у поверхности воды и на суше.

Во-вторых, увеличение количества свободного кислорода дало возможность более эффективно использовать богатые энергией углеродсодержащие молекулы, образованные в ходе фотосинтеза, позволив организмам расщеплять и окислять их в процессе дыхания (окислительное фосфорилирование). А дыхание дает значительно больше энергии, чем любое анаэробное (бескислородное) разложение.

Окисли́ тельное фосфорили́ рование – метаболический путь, при котором энергия, образовавшаяся при окислении (обязательно нужно присутствие кислорода) питательных веществ, запасается в митохондриях клеток в виде АТФ.

Все виды организмов, жившие на Земле ранее примерно 1, 5 млрд. лет назад, были гетеротрофами или автотрофными бактериями. Согласно палеонтологическим данным, увеличение концентрации свободного кислорода сопровождалось появлением первых эукариотических клеток, имеющих ядерные оболочки, особо устроенные хромосомы и ограниченные мембранами органеллы. Эукариотические организмы, отдельные клетки которых обычно значительно крупнее бактериальных, возникли около 1, 5 млрд. лет назад, а многочисленными и разнообразными стали примерно 1 млрд. лет назад. Все живые существа, кроме бактерий, состоят из одной или многих эукариотических клеток. Следует отметить, что первые этапы становления жизни на Земле заняли миллиарды лет (рис.).

Рис. Начальный этап эволюции жизни

Таким образом, концепция самоорганизации позволяет установить связь между живым и неживым в ходе эволюции, так что возникновение жизни представляется отнюдь не чисто случайной и крайне маловероятной комбинацией условий и предпосылок для ее появления. Кроме того, жизнь сама готовит условия для своей дальнейшей эволюции.

Нерегулярные полимеры – полимеры, в которых нет определенной закономерности в последовательности молекул.

Теории возникновения жизни.

⇐ Предыдущая 2 3 4 5 6 7 8910 11 Следующая ⇒