Название: Теорія еволюції (системний розвиток життя на Землі) - Огінова І. О.

Жанр: Біологія

Рейтинг:

Просмотров: 1455

Страница: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 | 35 | 36 | 37 | 38 | 39 | 40 | 41 | 42 | 43 | 44 | 45 | 46 | 47 | 48 | 49 | 50 | 51 | 52 | 53 | 54 | 55 | 56 | 57 | 58 | 59 | 60 | 61 | 62 | 63 | 64 | 65 | 66 | 67 | 68 | 69 | 70 | 71 | 72 | 73 | 74 | 75 | 76 | 77 | 78 | 79 | 80 | 81 | 82 | 83 | 84 | 85 | 86 | 87 | 88 | 89 | 90 | 91 | 92 | 93 |


2.4. Основні гіпотези про походження життя на Землі

 

Протягом багатьох віків питання про походження життя на Землі зовсім не турбувало людство тому, що відповідь на нього тоді знав кожний: життя в цьому світі, як і сам світ, створив Бог. Цю істину повідомляли ди тині, як тільки вона починала говорити і пізнавати зовнішній світ. Інших варіантів не було й тому така версія закріплювалася у свідомості на все життя людини, не визнаючи ніяких альтернатив. Правда, цього Бога різні народи називали й уявляли собі порізному. Варіювали і способи творіння. Спільними для всіх подібних концепцій були тільки всемогут ність і вічність існування Бога. Внаслідок останнього твердження у людей не виникало провокаційного питання: якщо Бог створив світ, то хто створив самого Бога? Але в усі часи жили люди, які, ставши дорослими, зберігали дитячу здатність задавати складні питання. Бажання пізнати невідоме визначало всю їхню долю і, досягаючи висот пізнання, вони давали власні відповіді на питання про виникнення світу. За весь час існування людства таких варіантів було запропоновано чимало, але ще й сьогодні проблема походження життя залишається дискусійною. Це пов'язано з тим, що, через відсутність машини часу, неможливо остаточно з'ясувати точну послідовність процесів, які відбувалися 3 – 4 млрд. років

тому. У зв'язку з цим будьякі версії (в тому числі й такі "правдиві" та псевдоуніверсальні як варіант "Божого творіння" та "космічних зародків життя") не можуть бути прийнятими однозначно. Чи є вихід? Може, взагалі відмовитися від пошуку відповіді? Категоричне твердження су часної науки – ні! Встановити придатність і певну адекватність тієї чи іншої концепції походження життя можна за такими відносними крите ріями:

·      відповідність загальним принципам самоорганізації складних систем;

·      принципова можливість протікання тих чи інших процесів в умовах первісної Землі (на сьогодні вони відомі);

·           допустимість хоча б часткової реалізації в експериментальних

умовах.

При цьому не слід забувати, що життя – це скоріше процес, ніж структура. Визнання такої ситуації потребує дослідження не окремих субстратів життя, а саму можливість реалізації тих чи інших системних

процесів у відповідних умовах. Згідно з такими вимогами для пояснен ня походження життя на Землі було запропоновано чимало гіпотез. Найбільш імовірним є те, що всі вони мають сенс і самоорганізація ма терії у бік життя здійснювалася не одним, а кількома шляхами одночас но. Вибір напрямів розвитку зумовлювався конкретними умовами, в

яких перебували ті чи інші відкриті хімічні системи із незворотними процесами далеко від стаціонарного стану.

Суттєву роль відігравала і наявність дивних атракторів у вигляді

певних субстратів, що значно прискорювали процеси самоорганізації, практично зводячи їх до реалізації тільки одного, найдоцільнішого для даної системи, варіанта.

У відкритих неврівноважених системах панують біфуркаційні механізми, що сприяють знаходженню все нових стаціонарних станів і переходу неживої матерії в живу. Системність організації матеріальних, енергетичних та інформаційних потоків у часі та просторі зумовлює не стільки необхідність визначення окремих варіантів походження тієї чи іншої групи організмів, скільки встановлення основних принципів фор мування планетарної біосфери. Тільки в такому вигляді могло виникну ти життя на Землі. Альтернативні варіанти протікання відповідних про цесів знайшли своє відображення у відповідних наукових концепціях. До найбільш поширених належать:

Гіпотеза про існування первинного "світу РНК" пов’язана з від криттям каталітичної активності РНК. Це дозволило припустити мож ливість участі саме цих макромолекул у започаткуванні життя на Землі. Первинні організми, що за цією гіпотезою складалися з простих моле кул РНК, здатних до самовідтворення, з часом могли набувати здатності до синтезу білків, у тому числі й ферментів. Це дозволило інтенсифіку вати всі метаболічні процеси. Формування ліпіднобілкової мембрани відокремило внутрішнє середовище організмів від умов довкілля. Ви никла клітина. Наступним еволюційним кроком стала передача функції носія спадкової інформації від РНК до молекул ДНК, що збільшило надійність її збереження. Можливість подібного розгортання подій була підтверджена деякими експериментами. Зокрема, були сконструйовані молекули РНК, що могли здійснювати багаторазовий сплайсинг. Але пізніше концепція "світу РНК" зіткнулася з численними проблемами й не була прийнятою як єдина та остаточна версія. У будьякому разі мо лекула РНК є занадто складною і без білків недостатньо ефективною, щоб її можна було вважати первинним біополімером.

Гіпотеза  про  еволюцію  протеноїдних  мікросфер  С.  Фокса  і К. Дозе. Вони довели, що складні органічні системи можуть утворювати ся абіогенно в умовах інтенсивної вулканічної діяльності. Підтвердження такої можливості були одержані в численних експериментах із лавою,

котру відбирали на Гавайських островах. Ці досліди полягали у тому, що при нагріванні водних розчинів амінокислот на матриці шматків лави утворювалися протеноїдні мікросфери діаметром близько 2 мкм. Вони відзначалися морфологічною і фізикохімічною індивідуальністю, мали

подвійну зовнішню оболонку та включення типу полінуклеотидів, мета лів тощо. Такі мікросфери давали початок дочірнім структурам шляхом поділу і пупкування. Подальші дослідження дозволили встановити, що подібні утвори можуть виникати навіть за температури 25 °С за присутності етилового ефіру поліфосфорної кислоти. Добавка гістонів і хлорис того кальцію зумовлювала формування складної подвійної мембрани та бластулоподібних форм із сітчастою будовою, здатних до поділу.

Гіпотеза про можливість виникнення життя на глинистих частках була вперше запропонована Дж. Берналом. Її сутність полягає у тому, що ефективний матричний синтез протобіонтів міг здійснюва тися на частках глини. Аргументами на користь такої можливості були їх досить специфічні особливості. А саме, глини є концентраторами

різних органічних речовин (амінокислоти, поліпептиди тощо) та катіо нів (протонів, амонію, калію, магнію, кальцію, заліза, марганцю, моліб дену, цинку, кобальту та ін.), що сприяє утворенню органомінеральних комплексів із сильними каталітичними активностями, що значно при скорює процеси їх подальшого ускладнення.

Пізніше ця гіпотеза була доповнена міркуванням про можливість провідної ролі у хімічних процесах, пов’язаних із виникненням життя, кристалів глини, які утворюються із слабких розчинів унаслідок просочування води крізь вивітрені породи. Дефекти решітки, властиві усім реальним кристалам, могли відігравати роль осередків біфуркаційних процесів і сприяти формоутворенню. Але до сьогодні в експериментах із глинистими структурами не спостерігали нічого схожого на еволюцію, та й у природних умовах подібні організми не знайдені.

Гіпотеза про виникнення життя на алюмоферосилікатній (ри голітній) глобулі діаметром 1 – 10 мкм із ліпідною мембраною – армо ваною ліпосомою. У водному середовищі вона, на думку Л. Меклера, здатна до адсорбції біологічно активних макромолекул (в тому числі і з каталітичними властивостями) з утворенням повністю автотрофної протоклітини.

М. Д. Нусінов і Д. І. Серебровський додатково встановили, що каталітична функція риголітного зерна у сполученні з водою (пар, краплі, рідина) може зумовлювати виникнення складних хімічних систем. Спо чатку вони становлять собою "обернену" міцелу, а потім – структуру з двошаровою мембраною.

Гіпотеза про виникнення життя не на поверхні Землі, а в гли бинах океану поблизу гарячих джерел. За таких умов для утворення нових системних зв'язків уже не може використовуватися сонячна енер гія, оскільки промені світла поглинаються вище розташованими шара ми води. Формоутворення і підтримка стаціонарного стану складних хімічних систем забезпечуються за рахунок розпаду сірчистих сполук, які виділяються гідротермальними джерелами. Ще й сьогодні поблизу них концентрується життя в океанічних глибинах. Це своєрідні оази у пустелі. Біля гідротермальних джерел, як і поряд з іншими "гарячими" осередками (вулкани, гідротермалі суходолу), складаються сприятливі умови для формоутворення у вигляді потоків речовини та енергії.

З такими місцинами пов’язане існування вельми своєрідної групи екстремальних термофілів, до яких, зокрема, належать архебактерії.

Вони мають у складі геному інтрони й за деякими ознаками займають проміжне положення між прокаріотами та еукаріотами, а їх метаболізм може регулюватися ферментами сучасних вищих тварин і людини. Серед них зустрічаються форми, які чудово почуваються за температури у 120 °С, на субстратах із підвищеною кислотністю та солоністю, у сірчи стих джерелах тощо. Вони здатні відновлювати вуглекислий газ і сірку, окислювати водень і виділяти назовні метан та сірководень, що забезпе чує включення основних хімічних елементів у біологічний кругообіг.

Еукаріотичні клітини могли виникнути близько 1 – 1,5 млрд. років тому внаслідок симбіозу архебактерій із синьозеленими попередниками хлоропластів та пурпуровими бактеріями, що започаткували мітохондрії. Усі симбіонти передавали частину своїх генів спільному (синтетичному) геному. Певний вклад у його формування могли внести і провіруси, запо чаткувавши мобільні генетичні елементи.

Гіпотеза про виникнення життя як метаболічного процесу на поверхні піриту (Fe S2). Цей мінерал дуже поширений у природі, в то му числі і біля гідротермальних джерел. Перші живі клітини могли ста новити собою піритове зерно з подвійною мембраною із органічних речовин. Ця гіпотеза має чимало недоліків, але ідея зв’язку походження життя з метаболічними процесами у гетерогенній системі видається перспективною. До того ж, викиди піриту у вигляді стовпів чорного пилу характерні й для гідротермалей океанів, які розташовані, частіше за все, біля розламів посеред океанічних хребтів. Такі утвори висотою до 20 м живуть усього 50 – 100 років, але увесь цей час вони пов’язані з існуванням біоценозів дуже незвичайних організмів. До них, зокрема, належать рифтії, які належать до типу погонофори й виглядають як ве ликі (до 1,5 м) кільчаки, що мають султан із яскравочервоних щупа лець. Замість органів травлення вони містять трофосому – порожнину, заповнену автотрофними бактеріями, що засвоюють вуглекислий газ.

Тіоефірна гіпотеза Де Дюва надає великого значення таким сірчис тим сполукам як тіоефіри. Вони могли використовуватися як джерело енергії і одночасно слугувати пусковим механізмом низки хімічних реак цій. Роль каталізаторів виконували "протоферменти", які також утворю валися із тіоефірів. Так могли синтезуватися молекули РНК і подальша хімічна еволюція могла відбуватися у "світі" РНК. Для синтезу тіоефірів необхідна висока температура і кисень. Такі умови зберігалися і поблизу гідротермальних джерел.

Гіпотеза А. І. Опаріна (1924 р.) і Дж. Холдейна (1929 р.) нале жить до найбільш ранніх наукових концепцій походження життя на Землі, але її значення від цього не зменшилося. Згідно з цією гіпотезою принципи організації живого відповідають загальним закономірностям самоорганізації будьяких відкритих систем. Вони передбачають фор мування і подальшу еволюцію фазововідокремлених систем хімічного типу – коацерватів (протобіонтів).

Основні положення концепції Опаріна – Холдейна:

1)  Життя є результатом еволюції матерії у Всесвіті. Подальші дослідження дозволили встановити доцільність цього твердження.

2)  Всі необхідні для виникнення життя органічні сполуки можуть утворюватися в абіогенних умовах. Подальші дослідження вітчизняних

і закордонних учених дозволили конкретизувати ці умови:

–   відсутність біосфери, бо в іншому випадку новоутворені систе ми будуть включатися до потужного біологічного кругообігу речовин і не матимуть змоги самостійно розвиватися;

–          наявність зовнішніх джерел енергії;

–          відсутність вільного кисню, бо він прискорює окислення органіки;

–   виведення речовин із зони їх утворення, бо рівновага реакцій звичайно зміщується у бік розпаду складних сполук.

3) Наявність добіологічної еволюції, тобто добору фазово відокремлених мікроструктур (протобіонтів). За рахунок нього здійс нюється перевірка стійкості складних систем на стабільність у зовніш ньому середовищі.

Одним з основних критеріїв добору могла бути витривалість пер винних протоклітин в умовах жорсткого ультрафіолетового опромінен ня, тому велике значення мала збалансованість внутрішньомолекуляр них та міжмолекулярних переносів енергії. Оптимізація цих процесів,

наприклад, формування складної плівки із фосфоліпідів, здатної до фо токаталізу за рахунок використання енергії ультрафіолету, відігравала суттєву роль у прискоренні хімічної еволюції. Такі структури повинні були мати сферичну форму, оскільки вона відповідає найменшому значенню енергії Гіббса і є термодинамічно вигіднішою порівняно з іншими можливими варіантами розташування молекул.

Вже на рівні коацерватів виникають такі властивості живого як:

–          вибіркове поглинання речовин і виділення продуктів реакції –

обмін речовин;

–          збільшення об'єму – ріст;

–          здатність розпадатися із збереженням структури – поділ, розмноження;

–          різна стійкість різних коацерватів – добір;

–          адекватна реакція на зміни довкілля – подразливість;

–          здатність змінюватися відповідно до конкретних умов середовища – пристосованість тощо.

Саме весь комплекс разом, а не його окремі ознаки, становить со бою суттєву відмінність живого. Його розвиток у просторі та часі мав відбуватися за такою схемою:

Перший етап: виникнення системного середовища у вигляді кон кретних і різноманітних фізикохімічних характеристик первинної Зем лі. Відповідно до них і внаслідок циклічних незворотних процесів вини кали численні дисбаланси, порушення рівноваги та розподіли фаз, які

супроводжувались утворенням локальної асиметрії.

За таких умов система або руйнується (ентропія зростає), або долає суттєві відхилення від стаціонарності за рахунок подальшого збереження нерівноважності, формування нових комбінацій структурних елементів і дисипативних структур (зменшення ентропії).

Упорядковування потоків енергії речовини та інформації сприяло виникненню океанів та зародків майбутніх материків. Свого часу із не органічних речовин утворилися найпростіші органічні молекули, чима ла кількість яких могла мати космічне походження. В умовах Землі для

реалізації відповідних процесів використовувалась енергія ультрафіоле ту, грозових розрядів, іонізуючої радіації, ударних хвиль від блискавок та метеоритів, вулканічної діяльності, гідротермалей тощо. Зовнішні джерела енергії спричинювали циклічні переноси речовини, що певним

чином упорядковувало динамічні структури. Системи, котрі не були здатними використовувати надлишок енергії, що надходила до них, руйнувалися. Натомість молекулярні комплекси, що використовували її для формування нових системних зв’язків, переходили на якісно інший

ієрархічний рівень, започатковуючи черговий виток розвитку. В цьому полягає енергетична закономірність виникнення життя на Землі, яке за певних умов просто не могло не виникнути.

У системах із циклічними процесами здійснюється добір найбільш рухомого та енергоємного носія, котрим виявилася звичайна вода. Особ ливості її будови та переваги фазового стану внесли свій вклад у приско рення розвитку органічних макромолекул. Вони накопичувалися в бага тьох контактних зонах водночас: у поверхневій плівці океану, в парових зависях, у вологих глинах, біля вулканів і глибоководних гідротермаль них джерел, у районах океанічного та морського прибою тощо. Саме тут складалися найбільш сприятливі умови для енергійного протікання різ номанітних хімічних реакцій.

Другий етап пов’язаний з утворенням на основі білків, жирів і вуглеводів складних відкритих хімічних систем типу коацерватів і протеноїдних мікросфер з деякими властивостями живого.

Для відокремлення внутрішнього вмісту від зовнішнього середовища ідеально підійшли молекули ліпідів, які самі по собі вишиковуються шара ми, утворюючи найпростіші мембрани.

Збереження стаціонарного стану такого молекулярного конгломерату досягалося завдяки внутрішньосистемній узгодженості потоків речовини, енергії та інформації: виникає примітивний метаболізм. Коа цервати вже не тільки накопичували й затримували в собі енергію, а й спрямовували її в найбільш доцільному для самоорганізації напрямку. Стався якісний стрибок від звичайної хімічної еволюції до життя.

Третій етап відзначався тим, що, внаслідок об’єднання коацерва тів із нуклеїновими кислотами (інформаційне забезпечення можливості збереження умов гомеостазу в поколіннях), виникли протобіонти – перші живі організми, здатні до інформаційно контрольованого само відтворення. Це найпростіший варіант збереження вже знайденої опти мальної організації у часі. Він був настільки універсальним, що реалізу вався в умовах багатьох регіонів Землі, сприяючи формуванню первісної протобіосфери.

Четвертий етап. Автокаталітичний біохімічний гіперцикл живих систем у межах Землі спричинював можливість подальшої якісної трансформації найрізноманітніших організмів, яка мала системний, планетарний характер.

Прогресивне ускладнення гетеротрофних протобіонтів зумовило появу перших прокаріотів. Вони могли мати щось спільне із сучасними архебактеріями. Окрім них "екстремалами" є деякі інші прокаріоти, зок рема, сучасні ціанобактерії. Вони можуть існувати на лаві після вивер

ження вулканів, у льодах Арктики та Антарктики, у будьяких прісних або солоних водоймах, живуть на рослинах і тваринах тощо. До сього дні від колоній ціанобактерій збереглися рештки їх діяльності у вигляді строматолітів. Вони схожі на велетенські колони (до 15 м висотою та

10 м товщиною) або шаруваті "матраци". Утворюються вони й зараз, наприклад, біля Багамських островів і вздовж узбережжя Австралії. Ціа нобактерії забезпечили надходження кисню в атмосферу й могли бути попередниками хлоропластів.

Таким чином, до сьогодні збереглося чимало прокаріотів, які з най давніших часів донесли звістку про можливі варіанти структурної та функціональної організації перших живих організмів. Їх існування слу гує суттєвим аргументом на користь того, що самоорганізація матерії в

умовах первинної Землі могла зумовити формування досить складних відкритих систем з ієрархічною будовою та можливістю рости, розмно жуватися й обмінюватися потоками речовини, енергії та інформації.

Поширення таких оптимальних у багатьох відношеннях систем викликало своєрідну конкуренцію за субстрат. Унаслідок цього зберігали ся (виживали) тільки такі структури, що могли найефективнішим чином використовувати ресурси довкілля, набуваючи якісно нових властивос тей. Принципова можливість подібних перетворень була неодноразово продемонстрована в дослідах in vitro. А саме, у безклітинних системах можуть здійснюватися різноманітні реакції синтезу та обміну, мембранні структури та рибосоми виявляють здатність до самозбирання і подальшо го виконання відповідних функцій, можуть репродукувати свої складові частини, тобто проявляти найбільш суттєві ознаки живої клітини.

Виходячи з вищевикладеного, можна спробувати визначити зміст терміну "життя". Це обмежена за речовиною відкрита система, що роз вивається на основі матричного автокаталізу під впливом зовнішніх потоків енергії, які використовуються для циклічних реакцій.

Перші організми були практично безсмертними (дочірні клітини є копіями материнської) і відзначалися дивовижною здатністю зберігати гомеостаз за допомогою адаптаційних механізмів. Їх панування протя гом мільйонів років підготувало базу для нового якісного стрибка (бі фуркаційні механізми) в розвитку біосфери.

Проблема ієрархічної впорядкованості різноманітних простих сис тем ефективно вирішувалась завдяки їх об’єднанню (симбіоз). Виникли еукаріоти.

В усіх цих процесах надзвичайно важливу роль відігравало адекват не інформаційне забезпечення тривалого збереження інноваційних струк тур з оптимальними режимами структурної та функціональної організа ції. Ця проблема вирішувалась у межах формування генетичного коду.

 

Страница: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 | 35 | 36 | 37 | 38 | 39 | 40 | 41 | 42 | 43 | 44 | 45 | 46 | 47 | 48 | 49 | 50 | 51 | 52 | 53 | 54 | 55 | 56 | 57 | 58 | 59 | 60 | 61 | 62 | 63 | 64 | 65 | 66 | 67 | 68 | 69 | 70 | 71 | 72 | 73 | 74 | 75 | 76 | 77 | 78 | 79 | 80 | 81 | 82 | 83 | 84 | 85 | 86 | 87 | 88 | 89 | 90 | 91 | 92 | 93 |

Оцените книгу: 1 2 3 4 5

Добавление комментария: