Эволюция протобионтов - ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ

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.

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 белоксинтезирующего 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 молекулами РНК и 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 РНК, а затем и ДНК, при которой последовательность нуклеотидов в них стала нести информацию о наиболее удачных, в смысле каталитической активности, молекулах белка. Реализация этой информации дала существенные преимущества таким протоклеткам в борьбе за существование.

Эволюция метаболизма. С появлением примитивного генетического аппарата обладавшие им протоклетки смогли передавать всем своим потомкам способность синтезировать специфические полипептиды. Образующиеся из них линии потомков 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 преобразования энергии солнечного излучения в химическую энергию стало возможным ее использование для получения пирофосфата. После заселения первобытной 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 гомологичные соединения, родственные недостающим, превращая их в необходимые клетки молекулы.

В целом этап превращения веществ в ходе метаболизма 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 развития в процессе эволюции метаболических путей со все возрастающей скоростью возникают новые экологические ниши.

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 ферментной транспортной системы 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 автотрофный способ питания и 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 СO₂ такими организмами сопровождалось выделением O₂. Первыми фотосинтезирующими организмами, выделяющими в атмосферу O₂, были цианобактерии (цианеи).

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

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 организмов и более широкое использование ими окружающей среды.

Опорные точки

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

• Первыми аккумуляторами энергии могли стать молекулы пирофосфата.

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

• Небольшие цепочки РНК, так же, как и белки, способны катализировать биохимические превращения.

• Разнообразные молекулы РНК способны обмениваться отдельными участками молекул (рекомбинация).

Вопросы и задания для повторения

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

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

3. Что такое коацерватные капли?

4. Как происходил отбор коацерватов в “первичном бульоне”?

5. Каково значение РНК для метаболизма протоклеток и первых клеточных форм?