Читать книгу Биология. Общая биология. Профильный уровень. 10 класс - Н. И. Сонин - Страница 21

Анализируя описанные гипотезы, можно прийти к заключению о том, что развитие такой системы взаимодействия органических «автоматов» добиологической природы происходило различными способами и продолжалось длительное время. Однако главными направлениями эволюции, приведшей к возникновению биологических систем, следует считать ряд событий, среди которых: эволюция протобионтов, возникновение каталитической активности белков, появление генетического кода и способов преобразования энергии.

Возникновение энергетических систем. В условиях Земли основной механизм, с помощью которого малые органические молекулы можно сделать реакционно способными в водном растворе, заключается в соединении этих молекул с различными формами фосфата.

При переносе фосфатной группы энергия высвобождается или поглощается, поэтому в биологических системах, благодаря таким переносам, энергия запасается и затем используется в реакциях конденсации или в обмене веществ. В настоящее время высокоэнергетические связи, образуемые между фосфатами и органическими соединениями, обеспечивают протекание всех биологических реакций. Не исключено, что это справедливо и для протоклеток.

Очень многие малые органические биомолекулы способны легко вступать почти во все реакции в присутствии больших количеств воды только в том случае, когда они активированы фосфатом; следовательно, синтез полимеров и в протоклетках обеспечивали активированные фосфатом промежуточные соединения. Реакции конденсации с отщеплением воды не свойственны современным биохимическим процессам, а реакции с переносом фосфата и сейчас, и ранее составляли единственный путь осуществления конденсации мономеров. Для проведения реакций переноса фосфата требуется источник высокоэнергетического фосфата, простейшей формой которого является пирофосфат:

Эта молекула неустойчива в водном растворе, и поэтому протоклетке был доступен лишь растворенный неорганический фосфат. В ходе эволюции отбирались более длинные полипептидные цепочки, обладающие способностью ускорять течение определенной химической реакции, т. е. взаимодействующие с конкретным субстратом. Откуда же мог взяться необходимый для реакции пирофосфат? Вероятно, фотосинтетическое образование пирофосфата было одним из важных свойств первичного метаболизма протоклеток. Современные фотосинтезирующие клетки синтезируют в качестве аккумулятора энергии аденозинтрифосфат из аденозиндифосфата. Этот процесс гораздо более эффективен, чем механизм образования пирофосфата, предложенный для протоклеток, но схема его по существу та же. Замена реакций конденсации с отщеплением воды на реакции с переносом фосфата, составляющие основу биохимических процессов у всех ныне существующих организмов, началась с первой протоклеткой.

Образование полимеров. Создание правдоподобной модели протоклеток, возникавших в ранний период в неустойчивых мелких водоемах, представляется возможным. Но эти протоклетки весьма далеки от того, что мы назвали бы клеткой, поскольку они не имеют ни генетического, ни синтезирующего белок аппарата. Любой нерегулярный полимер, синтезированный в протоклетке, в лучшем случае мог бы передаваться от одной клетки другой в какой-то одной линии потомства и в конце концов подвергся бы распаду. Еще Фокс показал, что произвольно организованные полипептидные молекулы обладают неспецифической каталитической активностью благодаря наличию на их поверхности многочисленных и разнообразных зарядов. В силу этого протобионты, обладающие разнообразными пептидами, оказывались в более благоприятном положении, так как имели больше возможностей по преобразованию молекул, поступающих из окружающей среды. При этом, чем более активна оказывалась молекула белка как катализатор, тем больше пользы она приносила ее обладателю. По-видимому, в это же время происходило становление генетического кода, т. е. такой организации ДНК и РНК, при которой последовательность нуклеотидов в полинуклеотидных цепях нуклеиновых кислот стала нести информацию о наиболее удачных, в смысле каталитической активности, молекулах белка.

Эволюция метаболизма. С появлением примитивного генетического аппарата обладавшие им протоклетки смогли передавать всем своим потомкам способность синтезировать специфические полипептиды. Образующиеся из них линии давали семейства родственных протоклеток с наследуемыми свойствами, которые подвергались естественному отбору.

Обладающие наследственным материалом протоклетки могли довольно быстро развить способность к синтезу крупных белков, имеющих множество различных функций. После того как в состав примитивной клетки стали входить большие молекулы, обладающие разнообразными функциональными возможностями, стало возможным говорить о ее биологической природе.

Как предполагают ученые, в это время внешняя среда представляла собой постоянный источник всех необходимых малых молекул, а в результате фотосинтетического использования солнечного ультрафиолетового излучения становилась доступной химическая энергия для получения пирофосфата. После заселения этой среды первичными клетками она изменялась. Некоторые низкомолекулярные питательные вещества использовались быстрее, чем внешняя среда могла их поставлять. Начинало сильно сказываться давление отбора, благодаря которому преимущества приобретали те клетки, которые оказались способны модифицировать соединения, родственные недостающим, превращая их в необходимые клетке молекулы.

В целом метаболизм представляет собой ряд стадий, осуществляемых посредством ферментов, на каждой из которых молекула слегка видоизменяется до тех пор, пока не образуется необходимое соединение.

Все биологические системы используют одинаковые пути биохимических превращений – одинаковые пути метаболизма Сахаров, синтеза аминокислот, синтеза и распада жиров и т. д. Существующую универсальность метаболических путей можно объяснить двояко. Во-первых, все современные живые существа могут являться потомками исходной предковой популяции первичных клеток. Во-вторых, каждый метаболический путь в современных биохимических процессах может представлять собой результат эволюции клетки в направлении максимального использования единственно пригодных для этого молекул.

По мере повышения разнообразия метаболических процессов со все возрастающей скоростью возникают новые экологические ниши, т. е. осваиваются новые условия обитания.

В водоемах на глубине уже нескольких метров большая часть ультрафиолета поглощается водой, тогда как видимый свет проникает на большую глубину. Можно представить себе интенсивный отбор организмов, проходивший в тот ранний период в отношении использования видимого солнечного света. Для такого отбора существенным было наличие в организме хлорофилла и системы транспорта электронов.

В более выгодном положении оказались организмы, приобретшие способность использовать энергию света для синтеза органических веществ из неорганических. Таким образом возник фотосинтез. Это привело к появлению принципиально нового источника питания. Так, современные анаэробные серные пурпурные бактерии на свету окисляют сероводород до сульфатов. Высвобождающийся в результате реакции водород используется на восстановление диоксида углерода до углеводов с образованием воды. Источником (донором) водорода могут быть и органические соединения. Так появились автотрофные организмы.

Кислород в процессе фотосинтеза такого типа не выделяется. Фотосинтез развился у анаэробных бактерий на очень раннем этапе истории жизни. Фотосинтезирующие бактерии долгое время существовали в бескислородной среде.

Следующим шагом эволюции было приобретение фотосинтезирующими организмами способности использовать воду в качестве источника водорода. Автотрофное усвоение СО₂ такими организмами сопровождалось выделением О₂. Первыми фотосинтезирующими организмами, выделяющими в атмосферу О₂, были цианобактерии (цианеи).

Как только появились фотосинтезирующие клетки, использующие видимый свет, в качестве побочного продукта фотосинтеза в атмосферу стал выделяться молекулярный кислород. Со временем биологическая продукция кислорода определила его расходование в геологических циклах. Озоновый экран, не пропускающий коротковолновое ультрафиолетовое излучение, появился в верхних слоях Земли около 2250 млн лет назад.

В присутствии свободного кислорода возникает возможность энергетически более выгодного кислородного типа обмена веществ. Это способствует появлению аэробных бактерий.

Таким образом, два фактора, обусловленные образованием на Земле свободного кислорода, вызвали к жизни многочисленные новые формы живых организмов и способствовали более широкому использованию ими окружающей среды.

Опорные точки

1. Протобионты формировались в теплых мелких водоемах, где в полосе прибоя происходило перемешивание раствора, содержащего органические молекулы.

2. Первыми аккумуляторами энергии могли стать молекулы пирофосфата.

3. Белки со случайной последовательностью аминокислот обладают слабой неспецифической каталитической активностью.

Вопросы для повторения и задания

1. Каким образом в водах первичного океана могли распределяться органические молекулы, имеющие гидрофильные и гидрофобные свойства?

2. Назовите принцип разделения раствора на фазы с высокой и низкой концентрацией молекул.

3. Что такое коацерватные капли?

4. Как происходил отбор коацерватов в «первичном бульоне»?

Используя словарный запас рубрик «Терминология» и «Summary», переведите на английский язык пункты «Опорных точек».