Гипотеза биохимической эволюции

В современной биологии существует два методологических подхода к описанию процесса зарождения жизни:

- голобиоз – подход, основанный на первичности структур типа клеточной, способных к элементарному обмену веществ при участии ферментативного механизма;

- генобиоз – подход, основанный на убеждении в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода.

Оба они основываются на идее биохимической эволюции: жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам.

Гипотеза биохимической эволюции была высказана еще в 1923 г. нашим соотечественником – биохимиком А.И. Опариным (1894-1980) и английским ученым Д.Б. Холдейном (1892-1964). Они выделили несколько этапов биохимической эволюции.

1. Геохимическая эволюция Земли; формирование подходящих физико-химические условий – температуры, давления, радиации; синтез простейших неорганических соединений (СО₂, Н₂О, NН₃ и др.), переход воды из парообразного состояния в жидкое в процессе охлаждения Земли. На это ушло десятки, если не сотни миллионов лет. Исследование пузырьков газа в древнейших отложениях показывает, что первичная атмосфера Земли не содержала свободного О, в ней присутствовали: диоксид углерода, пары воды соединения серы, аммиака – т.е. соединения которые образуются при дегазации лав. Это была разреженная восстановительная среда.

2. Несколько сотен миллионов лет ушло на эволюцию атмосферы и гидросферы и создание условий для синтеза простейших органических веществ (аминокислот). По предположению А.И.Опарина и Д.Холдейна это происходило под воздействием грозовых разрядов. В насыщенной парами воды первичной атмосфере Земли грозы происходили гораздо чаще, чем сейчас, и были гораздо мощнее. В каналах молний температуры могут достигать нескольких сотен тысяч градусов. Это стало важнейшим фактором синтеза аминокислот.

3. Накопление их в водах океанов способствовало постепенному усложнению органических соединений, образованию блоков-мономеров и простых полимеров, что в конечном итоге привело к формированию белковых структур и первичного водно-белкового «бульона».

4. Благодаря амфотерности белковых молекул (способности к образованию коллоидных гидрофильных комплексов, притягивающих к себе молекулы воды) стало возможным создание вокруг белковых структур водной оболочки. Образовались водно-белковые комплексы.

5. Образование сложных полимеров: нуклеиновых кислот, обладающих свойством самовоспроизведения и производства белковых структур.

6. Слияние водно-белковых комплексов и образование коацерваций(лат. сoacervatio – накопление; накопление в растворах высокомолекулярных соединений), способных обмениваться веществом и энергией с окружающей средой. Включение в их структуру нуклеиновых кислот.

7. Поглощение коацерватами металлов и образование ферментов, способных ускорять биохимические процессы.

8. Выстраивание гидрофобных липидов на границе между коацерватами и внешней средой способствовало образованию примитивной мембраны, обеспечивающей стабильность функционирования коацервата.

9. В процессе эволюции у этих образований появились простейшая саморегуляция и самовоспроизведение.

Так, по мнению авторов гипотезы, появилось примитивное живое вещество. На его создание природа потратила около полутора миллиардов лет. Таким образом, чисто качественно, без математических уравнений, еще не зная о существовании автокаталитических реакций, биохимики указали основные этапы предбиологической эволюции вещества. Одно из слабых мест их теории – механизмы перехода от неживого к живому, появление функций саморегуляции и самовоспроизведения.

Эту проблему попытался разрешить М.Эйген, используя методы математического моделирования. Поздний этап предбиологической эволюции по его модели связан с сопряжением множества химических процессов, поисками оптимального соотношения их скоростей, согласованности их отдельных этапов и способности к внутренней перестройке под действием факторов внешней среды. Это потребовало совершенствования информационных связей между отдельными компонентами коацерваций. По всей вероятности, именно на этом этапе возникает многоконтурная обратная связь. Для достижения высокого уровня регуляции процессов необходимо ограничение влияния флуктуаций параметров внешней среды. Для этого потребовалась избирательно проницаемая мембрана – клеточная оболочка. Очевидно, одновременно совершенствуется процесс самовоспроизведения и передачи структурной (наследственной) информации, появляется способность к регенерации. Возникает примитивная, пространственно обособленная область низкой энтропии, отделенная от внешней высокоэнтропийной среды и способная к саморегуляции и самовоспроизведению.

Опыты, проведенные американским ученым Стенли Миллером в условиях, приближенных к тем, которые некогда существовали на Земле, полностью подтвердили возможность предбиологической эволюции по сценарию, описанному А.И. Опариным, Д.Б.Холдейном. Однако воспроизвести процесс самоорганизации биополимеров до клеточного уровня в искусственных условиях пока не удалось, и будет ли это возможно в обозримом будущем, неизвестно.

Опережающее отражение

Как известно, многие абиотические факторы (температура, мощность излучения, напряженность электромагнитного поля, естественный радиационный фон и другие) изменяются циклично под влиянием космических ритмов (вращение Земли вокруг собственной оси, вокруг Солнца, цикличность солнечной активности). Вероятно, воздействие этой цикличности на первичные коацерваты в течение миллионов лет привело к тому, что химические процессы, протекающие внутри них, сделались цепными. Некоторые стали носить опережающий характер. Если у коацерватов каждый из факторов вызывает «свою» биохимическую реакцию, то у примитивного живого изменение всего лишь одного фактора запускает весь комплекс реакций. А это значит, что у примитивной живой системы появилось опережающее отражение. С усложнением систем усложняется и характер отражения. На уровне живого опережающее отражение изучено нашим соотечественником - физиологом П.К. Анохиным (1896-1974). Схема этих процессов представлена в таблице 2.

Таблица 2

Биологические процессы у коацерватов и примитивного живого

	Коацерваты	Примитивное живое
Факторы среды	А В С D	А В С D
Биохимические реакции	а в с d	а ® в ® с ® d

У простейших организмов сохраненные следы былых воздействий начинают использоваться в виде сигналов, оповещающих о воздействиях, аналогичных былым. При этом отмечаются слабые признаки целенаправленной деятельности и обучаемости. Например, инфузории под воздействием падающего света пытаются найти более оптимальное положение тела по отношению к источнику. У планарий световое раздражение закрепляется на биохимическом уровне и проявляется в опережающих поведенческих реакциях при повторном действии раздражителя через длительный промежуток времени. С усложнением организмов сохранение былых воздействий выходит на генетический и более высокие уровни и закрепляется в виде инстинктивных «знаний» и безусловных рефлексов, в системе различных форм общения (феромонное, звуковое, знаковое, смысловое).

Проявление опережения наблюдается не только на биохимическом уровне, но и на уровне социальной жизни. Например, планирование деятельности отдельного человека, предприятия, государства, «преждевременные» идеи и открытия, творчество писателей-фантастов - это все проявления важнейшего свойства сложноорганизованных систем - опережающего отражения.

Биологический эволюционизм

Современный эволюционизм – теория, понимающая развитие как периодическую смену этапов медленных постеменных (эволюционных) количественных изменений и быстрых качественных (революционных) скачков.

Ключевое понятие этой теории - эволюция - (лат. evolutio - развертывание) - целенаправленный процесс усложнения системы, связанный с ее переходом на более высокий иерархический уровень. Ее атрибуты - самопроизвольность, необратимость, направленность.

Процессы эволюции организмов были изучены и качественно описаны Ч. Дарвином (1809-1882) и А. Уоллесом (1823-1913). Предтечей к появлению их учения стали:

- классификация биологических видов К.Линнея (1707-1778), положившего в ее основу принцип иерархичности;

- концепция исторического развития органического мира, созданная Ж. Ламарком (1744-1829), согласно которой все виды постоянно изменяются под влиянием внешних условий;

- теория катастроф Ж.Кювье (1769-1832), построенная на основе палеонтологических исследований и объясняющая смену видов как результат катаклизмов и катастроф.

В 1859 году выходит работа Ч.Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора», в которой он изложил теорию эволюции. Изменчивость, наследственность, отбор – три основных фактора эволюции в выдвинутой им теории.

Опираясь на огромный фактический материал и практику селекционной работы, он пришел к выводу, что любой вид стремится к размножению в геометрической прогрессии. Однако число взрослых особей каждого вида остается практически постоянным. Это утверждение обусловлено фактами:

- в природе невозможно найти два совершенно идентичных организма; все многообразие природы обусловлено изменчивостью видов, их способностью приобретать новые качества;

- борьба за существование, в результате которой у вида накапливаются полезные признаки, образуются новые признаки и разновидности; она бывает межвидовой, внутривидовой и борьбой с внешними неблагоприятными условиями; но при этом организмы сохраняют наследственные качества и черты, присущие виду;

- происходит естественный отбор; выживают только наиболее сильные, адаптивные и мобильные.

Его теория основывается на следующих принципах.

1. Мир находится в постоянном развитии. Вектор его направлен от простого к более сложному.

2. Усложнение происходит непрерывно и постепенно.

3. Усложнение оставляет возможность существованию разнообразия более простого.

4. Механизмом эволюции служит естественный отбор, основой которого является способность организмов адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды, выжить в условиях конкуренции с другими видами и подняться на более высокую ступень развития.

5. В процессе усложнения накапливаются новые признаки, сохраняются и передаются по наследству.

Однако теория Дарвина не смогла ответить на многие вопросы и подвергалась жесточайшей критике. И лишь в ХХ веке, благодаря развитию генетики, некоторые из них удалось разрешить.

Концепция генетики

Загадку накопления новых признаков и передачи их по наследству удалось частично раскрыть только благодаря современной молекулярной генетике. Становится все более очевидным, что эволюция живого вещества теснейшим образом связана с совершенствованием механизмов регистрации, кодирования и сохранения информации о космических ритмах и цикличности изменения параметров окружающей среды на уровне клеточной (носитель РНК), генетической (носитель ДНК), иммунологической (носитель антитела) и нейрологической (носитель мозг) памяти.

Большие надежды в разрешении проблем, связанных с пониманием самоорганизации живого, возлагаются на возможности расшифровки информации, закодированной в структурах ДНК и РНК. Проблема системы записи наследственной информации в макромолекулах живого впервые была поставлена в книге одного из основоположников квантовой механики Э. Шредингера «Что такое жизнь с точки зрения физики». Но ее решение стало возможным, когда была установилена пространственная структура ДНК. А в 1954г. Г. Гамов поставил и в значительной степени разрешил задачу по расшифровке генетического кода, вслед за которой последовал целый каскад открытий в области генетики и теоретической биологии.

По современным представлениям, эти биополимеры состоят из мономеров, называемых нуклеотидами. В состав РНК входят: рибоза - пятиуглеродный сахар, азотистые основания (аденин, гуанин, цитозин, урацил) и остаток фосфорной кислоты (Н₃РО₄). Различают информационную (и), транспортную (т) и рибосомную (р) РНК. В структуру ДНК входят азотистые основания (аденин гуанин цитозин тимин - АГЦТ), дезоксирибоза и остатки фосфорной кислоты. Порядок расположения нуклеотидов в молекулах ДНК (генетическая программа) определяет порядок расположения аминокислот в первичных структурах белков. ДНК состоит из двух комплементарных цепей. При этом А соединяется только с Т другой цепи, а Г – с Ц. Молекулы ДНК в соединении с молекулами белков структурируются в хромосомы, которые можно увидеть лишь в момент деления клетки.

Порядок расположения нуклеотидов в молекулах ДНК (генетическая программа) определяет порядок расположения аминокислот в первичных структурах белков. Сегодня мы знаем, что ДНК состоит из двух взаимодополняющих цепочек, в которых каждый нуклеотид одной цепочки с помощью водородных связей может обратимо соединяться с комплементарным ему нуклеотидом противоположной цепочки. Когда клетка делится, цепи расходятся и каждая из них становится матрицей для синтеза новой цепи ДНК. Аналогичное расхождение противоположных цепочек ДНК происходит и в том случае, когда необходимо синтезировать и-РНК - матрицу для последующей сборки из аминокислот какого-либо белка. Каждая и-РНК способна отпечатать в рибосоме синтез сотни и тысячи молекул белка. Ранее считалось, что закодированная информация передается в одном направлении - ДНК®РНК®белок. Но в 70-е годы Темин и Балтимор открыли обратную транскриптазу - некоторые ферменты используют РНК в качестве матрицы для синтеза ДНК.

По современным представлениям в процессе перехода от неживого к живому первичной была РНК. Доказательства:

- в структуру многих вирусов входит лишь РНК;

- наделена той же генетической памятью что и ДНК;

- возможен перенос информации от РНК к ДНК;

- у геномной РНК аденовирусов открыты способности к процессингу – т.е. «вырезанию» нуклеотидных последовательностей (интронов) и сплайсингу – «сшиванию» оставшихся активных последовательностей в активные экзоны;

- способность РНК к саморедупликации в отсутствии белковых ферментов;

- открытие функций фермента катализирующего вырезание интронов из предшественников и-РНК;

- открытие у РНК автокаталитических функций.

Древняя РНК совмещала в себе черты фенотипа и генотипа.

Однако современный «геном биосферы» основан на ДНК и связано это с тем, что С-Н связи дезоксирибозы ДНК прочнее связей С-ОН рибозы РНК.

Важнейшие функции нуклеиновых кислот - хранение и передача наследственной информации, обеспечение процессов редупликации, транскрипции, трансляции.

Участок ДНК – ген - единица наследственной информации. Совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом образует геном. У высокоорганизованных животных геном содержит сотни тысяч генов. Это своеобразный генетический текст, в котором заключены все свойства организма. Система «записи» наследственной информации нуклеиновых кислот генетический код заключена в виде последовательности нуклеотидов. Единица генетического кода – кодон. Кодон состоит из трех нуклеотидов в молекулах ДНК и РНК. Т.к. ДНК состоит из 4 нуклеотидов, то число коднов будет 4 в третьей степени, т.е 64.

Реализация генетического кода в клетке происходит в 2 этапа:

- транскрипция заключается в синтезе информационной РНК на соответствующих участках ДНК; при этом последовательность нуклеотидов ДНК переписывается в нуклеотидную последовательность и-РНК;

- трансляция протекает в цитоплазме клетки на синтезирующих белок клеточных частицах – рибосомах; при этом последовательность нуклеотидов и-РНК переводится в последовательность аминокислот в синтезирующемся белке.

Свойства генетического кода: триплетность, вырожденность, однозначность, универсальность, отсутствие «знаков препинания» между триплетами.

Молекулы ДНК в соединении с молекулами белков структурируются в хромосомы, каждая из которых имеет специфическую форму и размер. Эти структуры можно увидеть только в момент деления клетки. Каждому биологическому виду соответствует свой набор хромосом, определяемый их количеством и генным составом. Например, в соматических клетках человека 46 хромосом, у шимпанзе - 48, у дрозофилы - всего 8. В хромосомный набор соматической клетки входят две половые хромосомы. У женских особей это две х хромосомы, у мужских - х и у. Рост и развитие организма связаны с делением соматических клеток - митозом и удвоением количества хромосом. При достижении половой зрелости в организме образуются половые клетки - гаметы. Их образование связано со специфическим процессом, который называют мейозом, в результате которого происходит разделение хромосом и в гамете их оказывается в два раза меньше, чем в соматической клетке. В процессе мейоза возможны случайные искажения хромосом (перекресты, разрывы, укорочения или удлинения), что приводит к нарушению генетической программы потомства (т.н. хромосомные мутации). При слиянии гамет и образовании зиготы происходит объединение хромосом в пары ХХ или ХУ. Из зиготы организм развивается благодаря митозу и другим очень сложным процессам, которые изучает морфогенез.

Установлено, что элементарным кирпичиком наследственности является ген - участок ДНК длиной около 1000 пар чередующихся нуклеотидов. ДНК вирусов содержит всего несколько десятков генов, у одноклеточного организма - несколько тысяч. Геном (совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом) высокоорганизованных животных содержит сотни тысяч генов, при этом каждая хромосома включает несколько сотен или тысяч взаимодействующих между собой генов. Совокупность всех генов организма составляет его генетическую конституцию - генотип. Часть генов называют «структурными», они несут ответственность за структурные признаки организма. Есть гены - регуляторы. Они влияют на начало, скорость и сроки окончания синтеза белков, на растормаживание или блокировку синтеза отдельных продуктов или звеньев метаболизма. Есть гены - определители фермента. Под генетическим контролем находится функционирование каждой отдельной клетки и всего организма в целом. Все гены находятся в сложном взаимодействии друг с другом. Очевидно, в основе этого механизма лежат сложные физико-химические, а возможно, и квантовые процессы. Генотип несет все наследственные свойства организма. В результате взаимодействия генотипа с окружающей средой формируются индивидуальные признаки и свойства организма - его фенотип; говорят, генотип реализуется в фенотип.

Под влиянием факторов окружающей среды (химическое загрязнение, высокая радиация), изменения температуры или кислотности среды возможны изменения в структуре самого гена (генные мутации) или хромосом (хромосомные).

Вероятность появления случайных мутаций мала, но они могут накапливаться из поколения в поколение, при случайном стечении обстоятельств становиться устойчивыми и передаваться по наследству в виде фенотипических признаков.

В процессе самоорганизации живых систем под воздействием факторов окружающей среды идет изменение и усложнение видов вследствие генетических мутаций. В результате межвидовой и внутривидовой конкуренции выживают особи с генотипом, наиболее приспособленным к сложившимся условиям. При этом естественный отбор играет двоякую роль. С одной стороны, предотвращает накопление ошибок (ослабленные особи вымирают), а с другой - допускает усовершенствование организмов. Все происходит по тем же законам, как и при самоорганизации открытых нелинейных диссипативных систем.

Совершенно очевидно, что эволюционный путь развития - это не широкая столбовая дорога, а лабиринт со множеством тупиков. Проигрывая множество вариантов, природа на пути эволюции отсекает нежизнеспособные виды и структуры и в то же время оставляет многие простые, но хорошо приспособленные к внешним условиям виды. Благодаря этому накапливается и сохраняется огромное количество биологических видов, каждый из которых выполняет определенную функцию в биосфере. И исчезновение хотя бы одного из них нарушает сложившиеся пищевые цепи, что неизменно ведет к вымиранию других. И в то же время неуправляемое размножение некоторых видов и выход их за пределы своей экологической ниши чреваты разрушительными последствиями, ибо ущемляют полноценную жизнь других видов. За миллионы лет эволюции в биосфере выработались механизмы саморегуляции. Однако активное вмешательство человека в природные процессы неизбежно ведет к их нарушению и снижению биоразнообразия.

Современная теория эволюции

Cовременная теория эволюции носит синтетический характер и представляет сплав идей Дарвина, результатов молекулярной биологии и принципов синергетики. Ее основы начали закладываться в рамках хромосомной теории наследственности американского биолога Т. Моргана (1866-1945), популяционной генетики, разработанной в трудах крупнейших российских ученых С.С. Четверикова (1880-1959), Н.В. Тимофеева-Ресовского (1900-1981), Н.П. Дубинина (1906-1998), в работах Н.И. Вавилова (1887-1943) по гомологичеким рядам и других. Однако и синтетическая теория не является окончательной. В теории эволюции живой материи есть еще много темных пятен и загадок, раскрыть которые современной науке пока не удалось.

Структурно синтетическая теория эволюции состоит из теорий:

- микроэволюции, которая изучает необратимые преобразования генетико-экологической структуры популяции, изменения, которые происходят за короткий период и доступны непосредственному наблюдению;

- макроэволюции, которая изучает происхождение надвидовых таксонов (семейств отрядов классов), изменения, которые происходят на протяжении длительного исторического периода и могут быть только реконструированы.

Элементарной единицей эволюции (эволюционной структурой) считается популяция. Ее элементарный наследственный материал - генофонд (совокупность всех генов входящих в нее организмов).

К основным факторам эволюции, выдвинутых Дарвином добавляются:

- мутационные процессы;

-популяционные волны численности;

- изоляция.

Элементарным проявлением эволюции является устойчивое изменение генотипа популяции (совокупности генов локализованных в хромосомах).

С точки зрения генетики дарвиновская триада эволюции получает следующий вид:

· Наследственность

Признаки и свойства организма, передающиеся по наследству фиксируются в генах. Совокупность всех признаков организма – фенотип. Совокупность всех генов организма – генотип. Фенотип представляет собой результат взаимодействия генотипа с окружающей средой.

· Изменчивость

Элементарное явление эволюции – изменение генофонда популяции вследствии способности хромосом или генов к перестройке и изменению, связанным с изменением факторов окружающей среды.

Различают:

- наследственную или генотипическую изменчивость;

- ненаследственную или модификационную.

· Естественный отбор

Выделяют:

- движущий – при котором в результате мутаций или перекомбинаций генов возникают новые генотипы; в этом случае может возникнуть новый вектор отбора и генофонд популяции изменяется как единое целое;

- стабилизирующий – роль которого сводится к тому что в конкретных условиях на основе разных генотипов в популяции становится преобладающим фенотип оптимальный для этих условий;

- дизруптивный – ответственный за появление внутри популяции отчетливо различающихся форм.

Факторами видообразования являются мутации, дрейф генов, различные формы изоляции, дивергенция (лат. divergentia - расхождение).

Формирование биосферы

Этот процесс рассматривают как последовательную смену трех этапов:

- Восстановительный этап начался в космических условиях и завершился появлением гетеротрофов. Это были анаэробы и прокариоты. Все биохимические процессы были основаны на брожении.

- Слабоокислительный. Гетеротрофная биосфера просуществовала недолго. Ей на смену пришла автотрофная, основанная на фотосинтезе и производстве кислорода (О), губительного для гетеротрофов.

- Окислительный. Он наступил после перехода через «точку Пастера» (когда увеличивается концентрация О, а кислородное дыхание становится более эффективным способом использования солнечной энергии), По некоторым оценкам он наступил около 3,5 млрд. лет назад.

Первые примитивные одноклеточные организмы, по всей вероятности, были гетеротрофами(греч heteros - другой, trophe - пища; организмы, которые используют для своего питания готовые вещества), так как только они могли воспользоваться имевшимися в морском бульоне готовыми запасами вещества и энергии. Это были анаэробы – организмы, способные жить в отсутствии кислорода.

Автотрофы (греч. autos - сам, организмы, синтезирующие органические вещества, необходимые для обеспечения своей жизнедеятельности)появились значительно позднее, когда природой были отработаны механизмы хемо- и фотосинтеза. С момента возникновения живых организмов, способных к фотосинтезу, геохимическая и биологическая эволюции стали неотделимы друг от друга. Жизнедеятельность живого вещества стала оказывать формирующее влияние на геохимический состав поверхности Земли, гидросферы и атмосферы. С обогащением атмосферы кислородом появляются аэробы - организмы, которые могут существовать только при наличии достаточного количества кислорода.

Появляются прокариоты – организмы, не имеющие оформленного ядра (вирусы, бактерии, сине-зеленые водоросли), а затем и эукариоты – высшие организмы, клетки которых имеют оформленное ядро.

Однако возможности одноклеточной структуры весьма ограничены в плане энергетики, устойчивости и оптимальности. Возникают ассоциации клеток, отрабатываются механизмы их согласованного взаимодействия, разделяются функции, происходит специализацияотдельных клеток, появляются прообразыорганных систем. Многоклеточные структуры лучше, чем одноклеточные, защищены от внешних воздействий и более надежны, благодаря возможности дублировать функции.

Но вся жизнь была сосредоточена в водной среде. Около 400 млн. лет назад, когда концентрация кислорода достигла 2-3% и возник озоновый экран, жизнь вышла на сушу. Первыми ее начали осваивать растения. Около 300 млн лет назад был достигнут современный уровень содержания кислорода в атмосфере. Появляются папоротники хвощи а позднее хвойные леса и цветковые растения. Это создало предпосылки для выхода животных на сушу.

В результате жизнедеятельности организмов образовалась примитивная биосферы, которая стала:

- обеспечивать круговорот биогенных элементов;

- регулировать газовый состав атмосферы;

- обеспечивать вертикальный и горизонтальный перенос веществ;

- обеспечивать почвообразование;

- выполнять геологическую функцию.