21
( По мотивам книги эволюционного биолога МГУ Михаила Никитина "От туманности до клетки" ).
Если попытаться классифицировать все ныне живущие организмы, то очень четко видна граница между современными, многоклеточными организмами ( эукариоты ) и более древними ( прокариоты ).
Отличий много. Вот основные из них:
- эукариоты гораздо крупнее и сложнее, чем прокариоты ( их клетки в десятки и сотни раз больше );
- эукариоты используют исключительно аэробное ( кислородное ) дыхание. Для прокариот кислород ядовит ( анаэробное дыхание ).
- эукариоты способны поглощать твердую пищу. Прокариоты могут только усваивать простые, растворенные органические вещества из окружающей среды или синтезировать их самостоятельно.
Второй способ классификации - по степени автономности живых существ приводит к выделению следующих категорий:
- автотрофы - полностью автономны, все необходимые вещества получают в виде неорганических соединений из окружающей среды.
- гетеротрофы - зависимы от автотрофов. Способны синтезировать органические вещества, но сырьем для этого являются органические вещества синтезированные автотрофами ( пища ).
Автотрофы, в свою очередь, делятся на:
- фототрофы - получают энергию для химических реакций в виде солнечного света
- хемотрофы - получают энергию для химических реакций окисляя минералы ( в основном серу или железо )
Еще одним обязательным для всех живых существ условием является наличие органической мембраны, отделяющей внутреннее пространство существа от внешней среды.
Повреждение этой мембраны равносильно смерти клетки. Химический состав внутриклеточной жидкости ( цитоплазмы ) сильно отличается от состава любой существующей ныне среды обитания и клетки тратят до 30-40% получаемой ими энергии на поддержание требуемого состава цитоплазмы. Поэтому разрыв мембраны = смерть. Среда становится не пригодной для проведения реакций, крупные органеллы клетки не могут удерживаться вместе и вытекают наружу.
Аэробное ( кислородное ) дыхание примерно в 20 раз эффективнее анаэробного. Только благодаря ему эукариоты смогли перепрыгнуть от одноклеточного способа существования к многоклеточному, продолжая эволюционировать в сторону усложнения своего строения, но при этом полностью законсервировав изменение внутриклеточных химических процессов синтеза органических веществ.
В принципе живые существа всегда следуют простому правилу - ничего не менять, пока работает. То есть пока хватает ресурсов из вне для жизни.
Для клеток эукариотов ничего не менялось последние 600-700 миллионов лет. Они живут в среде, которую им обеспечивает организм и менять что-то в своем метаболизме им не требуется. Все процессы регуляции взаимодействия с внешней средой вынесены на более высокий уровень. То есть меняется сам организм, приспосабливаясь. Отдельным клеткам же обеспечены стабильные и комфортные условия.
Таким образом вырисовывается следующая хронология эволюции живых существ на планете ( следует понимать, что переход от одного пункта к другому занимает сотни миллионов лет ):
1. Сначала появляются хемотрофы, получающие энергию окислением минералов, не нуждающиеся в защитной оболочке ( внешняя среда полностью соответствует необходимым для проведения химических реакций ) и способные держаться вместе, чтобы организовать некое сообщество отдельных частей, синтезирующих вещества необходимые друг другу. Это возможно на поверхности некоторых минералов или глины в горячих вулканических источниках, богатых микроэлементами и с примерно постоянной температурой. Органические молекулы тупо прилипают к глине и образуют слой толщиной несколько микрон. В настоящее время такие горячие вулканические источники безжизненны из-за того, что атмосфера содержит большой процент кислорода, который окисляет жидкости грязевых котлов до состояния серной кислоты, но если убрать кислород из атмосферы, то химический состав внутриклеточной жидкости будет очень близок к тому, что должен был быть в горячих источниках планеты.
2. Химический состав окружающей среды постепенно меняется. Возникает необходимость создания защитной оболочки ( мембраны ). Выживают лишь те, кто с этой задачей справился.
3. Химические соединения, необходимые для жизни, постепенно иссякают ( снижается вулканическая активность планеты ). И возникает необходимость поиска новых источников энергии. Таким становится солнце. Появляются фототрофы.
4. Все это сообщество продолжает сосуществовать в составе весьма тесной колонии т.к. любые другие условия среды - смертельны. Эта колония представляет из себя слоеный пирог микроорганизмов. На внешнем уровне которого живут фототрофы, в толще пирога живут гетеротрофы, питающиеся веществами выделяемыми фототрофами, в самом низу хемотрофы, продолжающие получать энергию из минералов.
5. Идея, что органические вещества можно не синтезировать, а получать из вне очень заманчива. Гетеротрофы начинают жрать фототрофов. Причем процент таких организмов незначителен т.к. чтобы сожрать, нужно еще как-то повредить оболочку фототрофа, а никаких приспособлений для этого нет. Проще питаться веществами выделяемыми фототрофами ( что и делает подавляющее большинство современных бактерий ).
6. Постепенно фототрофы становятся настолько автономны ( способны регулировать химический состав своей цитоплазмы в более агрессивной среде - морская вода ). Фототрофы - сваливают в море, гетеротрофы вслед за ними. Хемотрофы лезут во всякие щели внутрь Земли и на дно океанов поближе к вулканическим источникам, извергающих сероводород.
7. Не смотря на то, что фототрофы начали выделять кислород химический состав атмосферы Земли не меняется. Кислород в первую очередь окисляет железо, растворенное в воде. Заселено все мелководье океанов Земли.
8. Кислородная катастрофа. Железо океанов окислено. Начинается быстрое уничтожение углекислого газа в атмосфере и рост в ней концентрации кислорода. Погибает большинство прокариотов не сумевших защититься от ядовитого кислорода. В это время уже существуют клеточные прокариоты - археи, прародители эукариот. Из них возникают эукариоты, которые дышат кислородом и из-за своих размеров легко справляются с пожиранием прокариотов-фототрофов. Но не все так просто. Эукариоты сильно зависимы от метаболизма прокариотов и не умеют перестраивать химические реакции внутри себя. Возникают симбиотические отношения между эукариотами и прокариотами.
Сожранные цианобактерии не уничтожаются полностью, а оставляется узел отвечающий за работу фотосинтеза. Так появляются растения = симбиоз цианобактерий и клетки эукариота = сине-зеленые одноклеточные водоросли. Других прокариотов ( ныне не существующих) , освоивших кислородное дыхание, сожранных, но не уничтоженных эукариоты оставляют внутри себя в качестве метахондрий - органелл генерирующих из кислорода универсальную энергетическую валюту клетки - АТФ.
9. В принципе все. Возникает равновесие газообмена в атмосфере. Прокариоты и эукариоты-растения генерируют кислород, поглощая углекислый газ, эукариоты-животные поглощают кислород, выделяя углекислый газ. Дальше надо было лишь научиться многоклеточности, отрастить себе сначала хорду, потом скелет, научиться дышать атмосферным кислородом и выбраться на сушу. При этом не на миг не забывая о своей зависимости от прокариотов и таская с собой в кишечном тракте их колонии, отвечающие за переработку органики, которую эукариоты переварить на способны ( клетчатка, целлюлоза ).
В этой теории конечно дохрена узких мест. Хоть и звучит вполне логично. Чертов фосфор, который обязателен для клеток и который невозможно найти в окружающей среде в виде растворимых соединений. Который на заре жизни организмы получали из вулканических газов. Чертов калий, который которого полно возле вулканов и большой дефицит в любом другом месте. Чертов азот, для которого нет технологий получения его соединений из атмосферного азота и растениям нужны исключительно нитраты. Чертова сера, которая нужна для некоторых аминокислот и добыть ее те еще танцы с бубном для живых организмов.
Ну и самый главный вопрос - как запустить эту автокаталистическию реакцию под названием "жизнь"? Пока химики смогли не биологическими методами лишь синтезировать основные компоненты ( нуклеатиды, аминокислоты ). И на вопрос как запустить реакцию ответа пока нет.
Короче как-то так. Подробный сценарий возникновения жизни на Земле с глубоким погружением в биохимию, биологию, физику, химию и астрономию можно найти в книге Михаила Никитина "От туманности до клетки" Я не стал описывать подробности, потому что это неизбежно ведет к перегрузке рассказа научными терминами и описаниями опытов, что для развлекательного портала, мягко говоря, не желательно. Попытался осветить только общие выводы сделанные в книге.
Жизни необходимы лишь шесть химических элеменотв ( водород, кислород, углерод, азот ) = 99% и фосфор и сера = 1%. Ничтожно малую, но очень важную роль играют некоторые тяжелые химические элементы ( железо, магний, калий, натрий ). Генетический код несут молекулы ДНК, состоящие из сложных колец азотистых оснований, склеенные в цепочки сахаром и оксидом фосфора.
Все остальные процессы внутри живых существ возможны благодаря синтезу белков ( цепочки молекул аминокислот, свернутые определенным образом так, что они получают определенный функционал и способны быть либо катализаторами ( ферментами ) для поведения сложных химических реакций, либо транспортом, переносящим вещества из одного "производстванного цеха" клетки в другой или участвуя в обмене веществ с внешней средой. Мембраны клеток состоят из липидов ( жиров ), молекулы которых не полярны и из-за этого не растворяются в воде, гидрофобны и позволяют поддерживать внутри клетки полную стерильность.
Все технологии, работающие внутри клеток отточены милионолетиями успешной эволюции и хрен вы какую клетку или бактерию заставите пуститься в какие-либо авантюрные эксперименты со своим метаболизмом. Все делается по чертежам ( генетический код ). В генетическом коде могут возникать ошибки ( мутации ), но не чаще одной ошибки на одно деление клетки, что приводит к небольшим отличиям в работе функционала клетки. Полезные отличия - выживают и закрепляются в последующих поколениях, досадные косяки - погибают вместе с дефектными клетками.
Бактерии размножаются быстро, но примитивно, простым делением и мутации в генах при делении бактерий позволяют им быстро приспосабливаться к изменениям в окружающей среде в том числе и за счет изменения реакций метаболизма.
Высшие многоклеточные существа вынуждены использовать половой способ размножения, чтобы обеспечить разнообразие своих потомков ( используется код двух особей ), а не плодить тупо клонов, которые с каждым последующем поколением будут все менее приспособленными к меняющейся окружающей среде. Здесь мутаций гораздо больше ( до 30-ти штук(бит) на одно поколение ), но происходят они гораздо реже, по сравнению со скоростью размножения бактерий, и большинство кода в котором могут произойти мутации в повседневных задачах клетки либо вообще не используется, либо используется крайне редко, что позволяет держать количество активных мутаций в пределах не более одной ошибки в геноме человека, на поколение.
Мы, человечество, зависимы. Мы полностью зависим от существ автотрофов. Мы дышим кислородом, генерируемым ими, Используем аминокислоты, сахара - углеводы, жиры ( липиды ), азотистые основания из нитратов, фосфаты, целлюлозу и клетчатку синтезируемых ими, которую разлагают в нашем пищеварительном тракте бактерии - прокариоты, а результатом их жизнедеятельности получаются необходимые нам витамины, которые мы тоже не умеем синтезировать сами. Мы слишком круты, чтобы заниматься внутри себя всякой там ( не профильной для разумных существ ) химией.
И сука забываем, что всем клеткам нужен определенный набор веществ. Что каждая клетка нашего тела автономна и будет работать только при соблюдении достаточно жесткого баланса химических веществ в околоклеточной жидкости. Каких и сколько нужно веществ - я вот так не скажу. Зависит от того кто как живет, что жрет как расходует то, что получает из вне.
И не смотря на то, что кислород нам жизненно необходим, для наших клеток ( которые только опосредованно дышат кислородом ) он остается сильнейшим ядом ( слишком активным химическим веществом ). И любой сбой в химических реакциях клетки приводит к окислению внутри клеток того, что не должно было быть окислено. Это не смертельно, но эти косяки и не работающие очаги внутри клеток и организма в целом накапливаются в течении жизни, что является одним из факторов старения и смерти.
Спасибо за внимание!
yaplakal.com