Хімічна специфічність в біологічної еволюції

Загальновизнано, що біологічна еволюція проходила по хімічній, коли вже були відібрані основні молекули, що дозволяли існувати первинним організмам - азотисті основи і нуклеїнові кислоти, амінокислоти, пептиди і білки, моно-, оліго- і полісахариди, жирні кислоти, каротиноїди, порфіринові структури, комплекси цих молекул з перехідними металами. За підрахунками G. Wald (1964), для існування найпростіших організмів досить всього 29 молекул різної хімічної природи. Комплексоутворення дозволило здійснювати перенесення електронів і протонів в ферментних системах, що вирішило для органічного життя проблему отримання енергії. Хімічна еволюція привела до того, що було відібрано процеси функціонування генетичних систем, які виявилися для всього живого світу уніфікованими. Ці процеси становлять те, що в сучасній біології називається «центральної догмою молекулярної біології» (ДНК gt; РНК gt; білок).

Таким чином, приблизно 4 млрд. Років тому утворилися перші живі клітини. Була досягнута біохімічна однорідність клітин живих істот. Вони містили матричну систему, набір каталізаторів і навколишнє їх мембрану. Природно, що ці живі клітини виявилися анаеробними термофільними хемо і гетеротрофами, тобто використовували як джерела енергії та вуглецю органічні молекули навколишнього середовища.

Потім, у міру охолодження планети, разом з появою автотрофних клітин і фотосинтезу, процес біологічної еволюції поступово прискорювався. Етапи цього процесу в загальних рисах описані в численних працях різних авторів. Однак нам важливо з`ясувати, що ж було основною причиною біологічної еволюції, і якими біохімічними механізмами вона здійснювалася?

Оскільки рушійним фактором еволюції є зміна середовища, найважливішим рушієм цього процесу доводиться визнати накопичення кисню в атмосфері планети. Поступово відбувалася зміна слабо окислювальних умов первинної атмосфери на існуючі зараз. Цей процес відбувався дуже повільно. Концентрація кисню досягла 1% від його сучасного змісту в атмосфері приблизно 0,6-1 млрд. Років тому. 10% O₂ в атмосфері накопичилося не раніше, ніж 0,4 млрд. років тому.

Другим потужним фактором біологічної еволюції було зміна іонного складу води світового океану. Первинний океан містив переважно До⁺ і Mg²⁺. Тому що з`явилися в ході хімічної еволюції білки найкраще функціонують саме в такому середовищі. Надалі склад океану змінився на кількісне переважання Na<sup>+</sup> і Са<sup>2+</sup>. Тому для забезпечення умов нормального функціонування внутрішньоклітинних білків потрібен механізм обмеження концентрації другої пари іонів в клітинах при збереженні в них першої пари іонів. Цими механізмами стали мембранні протонний, натрієвий і кальцієвий насоси. Вони забезпечують дуже високий градієнт концентрації іона між цитозолем і позаклітинної рідиною. Наприклад, для Са<sup>2+</sup> цей градієнт може бути 1000-кратним. Для підтримки електролітного і кальцієвого гомеостазу в організмі з`явилися особливі сигнальні молекули - гормони, які хімічно представлені, в основному або пептидами, або стероїдами. Крім того, для забезпечення зв`язку клітин один з одним і з навколишнім середовищем у них утворилися, поряд з насосами, рецептори. Важливо, що цей механізм може включати комплексообразование ДНК і РНК з молекулами ланцюгова реакція, порушених дією рецептора, з відповідною зміною функцій генного апарату. Подібний механізм, ймовірно, міг виконувати роль невідомих способів передачі інформації.

Перші викопні рештки прокариотних фотосинтезирующих синьо-зелених водоростей знайдені в сланцях серії Фіг-три віком приблизно 3,1 млрд. років. До їх появи кисню в атмосфері не було. Перші аеробні гетеротрофи виникли набагато пізніше. У міру накопичення в атмосфері O₂ організмам потрібні були захисні метаболічні механізми і структурні пристосування для нейтралізації його отруйного дії. З`явилися клітини-еукаріоти з численними органеллами, що володіють власними мембранами. Отже, на розвиток аеробних хребетних і судинних вищих рослин потрібно понад 1 млрд. Років. вид Homo sapiens з`явився 2 млн. років тому, що в масштабі добового циферблата історії Землі відповідає приблизно останнім 30 секундам.

В даний час є досить багато филогенетических схем, по-різному представляють родинні зв`язки між окремими групами організмів і між великими таксонами. У таких побудовах провідними виступають морфологічні ознаки, наприклад, наявність і будова ядра, диференціація багатоклітинній структури, структура джгутиків, процес статевого відтворення. Автори подібних схем кладуть в основу ідею моно- або полифилетического походження таксонів, первинність жгутиковой або амебовидной форми строенія- по-різному оцінюють ідею сімбіонтних походження органел. В останні десятиліття в таких побудовах істотно збільшилася частка біохімічних ознак. Такого роду судження мають значення не тільки для розвитку теорії біологічної еволюції, а й для визначення біонеорганічної основи існування і метаболізму живих істот, зокрема, ссавців і людини, як об`єкта медицини.

З цієї точки зору найбільш цікаво розглянути велику групу рослин, що об`єднуються загальним найменуванням «водорості» (нижчі рослини, що мешкають у водоймах та інших вологих місцях, а також в грунті). В даний час водорості продукують від 1/2 до 9/10 (за різними підрахунками) загальної кількості органічної речовини і O₂ на земній кулі. Саме вони створюють сучасний вигляд Землі і її атмосферу.

Відео: Еволюція: Біологічна еволюція

У систематичному відношенні ця група рослин надзвичайно різноманітна і є унікальною настільки, що до сих пір в альгології немає єдності щодо їх таксономічного положення (Саут, Уіттік, 1990). Вони мають риси подібності з усіма відомими царствами живих істот - з бактеріями, з вищими рослинами, з грибами, з тваринами - тобто знаходяться як би на перехресті еволюції до перерахованих царств. Наведені нижче дані по хімії і порівняльної біохімії водоростей (Барашков, 1963, 1972) використовують класифікацію, запропоновану Р.С. Silva (1982).

Водорості утворилися майже 1 млрд. Років тому в протерозої і розділилися в процесі еволюції (в основному в палеозої, в кембрії - девоні) на більш ніж десять великих таксонів. Лише один відділ (діатомеї) Відокремився зовсім недавно - в мезозої, близько 170 млн. Років тому (в тріасі). Можна думати, що предки інших рослин, грибів і тварин також з`явилися на початку палеозою, і що цей поділ було обумовлено аналогічними причинами і здійснювалося за схожими механізмам (рис. 1).

Відео: 1. Щодо хімічного складу клітини - (9 клас) - біологія, підготовка до зовнішнього тестування і ОГЕ 2017

Мал. 1. Виникнення форм життя і схема філогенетичних зв`язків водоростей на геохронологічної шкалою

Порівняльна біохімія водоростей показує, що всі їхні типи ( «відділи») відрізняються за хімічним складом, тобто мають хімічну специфічність. З`ясувалося, що ці відмінності дозволяють скласти своєрідний дихотомический ключ ( «хімічний визначник») великих таксонів (табл. 1).

Таблиця 1. «Хімічний визначник» таксонів водоростей

Для фахівців-альгологів при визначенні видів він практично не потрібен, оскільки зазвичай виявляється цілком достатньо морфологічних ознак. Однак сама можливість створення такого «визначника» має величезне пізнавальне значення: виходить, що еволюція царств і інших таксонів, аж до окремих видів, заснована на специфічних хімічних ознаках.

Виявилося, що цими ознаками не є НК і білки, як можна було припустити, а речовини вуглеводної природи, в тому числі мукополімери, глікопротеїни та гліцерати Сахаров, а також біліпротеіни, каротиноїдні і порфіринові пігменти, стероли, тобто речовини оболонок і рецепторів клітин, а також пігменти строми пластид. Іншими словами, компоненти структури оболонок і рецепторів мембран, що забезпечують їх функціонування на молекулярному рівні. Можна вважати, що еволюція тварин і тваринного світу в цілому залежала від появи структурного білка, що утворює і виконує різноманітні функції в оболонці клітин - колагену.

Пояснити цей феномен можна в поняттях генетики. У нуклеїнових кислотах міститься генетичний код даного організму. Однак з`ясовано, що з інформації, що міститься в ДНК, реально реалізується лише кілька відсотків. Фактично склад ДНК у представників різних таксономічних груп живих істот різниться дуже мало, тобто не може служити таксономическим ознакою.

Відео: Михайло Нікітін: "Історія фотосинтезу, або хто зробив небо блакитним"

Реалізація генетичної інформації здійснюється в залежності від умов середовища і особливостей розвитку організму завдяки діяльності биомембран клітин і пластид. Тобто декодування спадкової інформації забезпечується складом і структурою рецепторів, а також властивостями речовин оболонок (Камшилов, 1979). Тільки вони забезпечують проникність біомембран і транспорт продуктів харчування, енергії та інформації. Визначальна роль мембран в забезпеченні спрямованого синтезу компонентів структур еукаріотичної клітини проявляється, наприклад, в помітних відмінностях хімічного складу цитоплазматичної та ядерної мембран клітини, а також її органел. Порушення синтезу компонентів різних органел проявляються специфічними захворюваннями.

Медична біонеорганіка. Г.К. баранчиків

Відео: біологічний годинник