Еволюція еукаріот

Гіпотези про походження життя

В рамках природничо-наукового підходу існують дві точки зору на походження життя на Землі:

  • автогенез;
  • панспермія.

Згідно з першою, життя зародилося на певних етапах еволюції нашої планети і розвивалася надалі на ній же. Друга точка зору припускає заселення Землі якимись «спорами життя», тобто, привнесення з космічного простору (наприклад, разом з метеоритами) якихось макромолекул біологічного ряду або спор мікроорганізмів. Як і де розвинулося життя, «спори» якої занесені на Землю, прихильники панспермії не обьясняють. На думку більшості вчених, це подія цілком могла статися і на стародавній Землі.

Від перших органічних сполук до “Світу РНК” і першої живої істоти

Умови для синтезу органічних сполук з неорганічних сформувалися на стародавній Землі приблизно 4,5-4,4 млрд.років тому, незабаром після її виникнення з пилової хмари. Поверхню планети покривали активно діючі вулкани і гарячі водойми. Атмосфера того періоду складалася з вулканічних газів і була насичена парами води. Жорстке ультрафіолетове випромінювання і грозові розряди могли стати джерелами енергії для синтезу органічних речовин з простих неорганічних сполук, що неодноразово підтверджувалося в лабораторних умовах.

Серед утворених органічних молекул могли бути і поліпептиди, і короткі нуклеїнові кислоти, тобто два основних компоненти сучасних живих систем.

Фундаментальна властивість живих організмів – передача нащадкам інформації про свою структуру та функції – забезпечується реплікацією ДНК, де така інформація записана у вигляді послідовності нуклеотидних основ.

Здатністю до реплікації з усіх відомих біологічних полімерів володіють тільки нуклеїнові кислоти.

Проте їх копіювання (реплікація ДНК, матричний синтез мРНК) неможливе без участі білків-ферментів. Виходить замкнуте коло – білки не можуть передати свої властивості нащадкам без допомоги нуклеїнових кислот, а нуклеїнові кислоти не здатні до відтворення без білків-ферментів.

Проблема ця здавалася нерозв’язною, поки в 80-і рр. XX ст. не було встановлено, що деякі типи РНК здатні до самореплікаціі без участі білків-ферментів. Такі РНК цілком могли з’явитися у водоймах стародавньої Землі, що можна вважати першим кроком на шляху біополя через формування живого з неживого. У процесі самореплікаціі древніх РНК неминучими були помилки в копіюванні, так що знову синтезований ланцюжок міг відрізнятися від материнського.

У результаті зростала різноманітність молекул РНК, і поступово сформувався перший самодостатній біологічний світ – «світ РНК».

Молекули РНК функціонували в цьому світі і як генетичний матеріал (передача властивостей материнської ланцюга дочірнім), і як каталізатори при власному відтворенні. На якомусь етапі еволюції функція носія генетичної інформації перейшла від РНК до ДНК. Остання, володіючи дволанцюжковою структурою – більш стабільна і в меншій мірі піддана зовнішнім впливам, порівняно з одноланцюжковою РНК. Це гарантує високу схоронність записаної на ДНК інформації.

Одною з ранніх подій в еволюції живого було відокремлення, або вже сформованої білкосинтизуючої системи від зовнішнього середовища або самореплікованного РНК. Можливо, такі протоорганізми, або протобіонти, мали вигляд коацерватів, з якими тривалий час експериментував вітчизняний вчений Олександр Іванович Опарін (працював у середині XX ст).

Коацервати – це краплі, які мимовільно утворюються в суміші деяких полімерів.

Від зовнішнього середовища вони відокремлені щільним зовнішнім шаром, який можна вважати прообразом клітинної мембрани, а коацерват в цілому – прообразом клітин живих організмів.

Наведений сценарій розвитку подій, звичайно, гіпотетичний. Далеко не всі описані вище процеси з’ясовні з погляду сучасної біохімії. Особливо вразливий момент переходу від РНК і її реплікації до біосинтезу білка. Необхідно враховувати і той факт, що палеонтологічний літопис не залишив нам ніяких слідів початкових етапів біопоеза. Тому будь-який варіант, який учені пропонують зараз або запропонують у майбутньому, завжди буде носити характер припущення, яким би реальним він не виглядав.

Можливість утворення органічних сполук на стародавній Землі доведена експериментально. Подальша еволюція життя, швидше за все, пов’язана з появою самореплікуючої РНК. Еволюція «світу РНК» призвела до формування процесів матричного синтезу білка і утворення перших примітивних організмів.

Еволюція еукаріот

Приблизно 3500000000 років тому на Землі вже існували прокаріоти. Саме такий вік найдавніших порід, в яких знаходять їхні викопні залишки. Бактерії безроздільно панували протягом значної частини архею (4,0-2,5 млрд. років тому) і протерозою (2,5-0,6 млрд. років тому) і сформували першу в історії Землі біосферу – Прокаріотно. Найважливішим її компонентом були ціанобактерії – одні з найбільш складно влаштованих прокаріот, що володіють здатністю до фотосинтезу.

У ході тривалої еволюції прокаріот йшло становлення різних біохімічних механізмів засвоєння і перетворення споживаних кліткою хімічних сполук. Фактично всі варіанти пластичного і енергетичного обміну, включаючи аеробне розщеплення органічних сполук і фотосинтез, еволюціонували у прокаріотів. З появою фотосинтезу в групі ціанобактерій пов’язане накопичення в атмосфері кисню, що спричинило за собою ланцюг подій, що призвели в кінцевому підсумку до корінних перетворень біосфери наприкінці протерозою.

У стародавніх прокаріот інтенсивно йшла біохімічна еволюція, що привела до вироблення основних механізмів метаболізму і фотосинтезу.

З появою фотосинтезуючих ціанобактерій почалося накопичення кисню в атмосфері древньої Землі.

Поява еукаріот

Перші викопні еукаріоти датуються віком приблизно в 1500000000 років. Легко підрахувати, що якщо на розвиток прокаріотів пішло близько 500 млн років, то між першими прокаріотами і першими еукаріотами лежить незмірно великий відрізок часу, протяжністю приблизно в 2 млрд. років.

Викопний літопис не залишив нам слідів початкових етапів формування еукаріот. Тому, як і у випадку прокаріот, ми можемо тільки припускати, яким шляхом виник цей новий рівень організації, з яким пов’язана вся подальша еволюція біосфери.

Предками еукаріот, очевидно, були гетеротрофні прокаріоти.

Першим кроком на шляху становлення еукаріотної організації повинна була стати втрата жорсткої клітинної стінки. Це дозволило перейти до харчування за допомогою піно- і фагоцитозу, що кардинальним чином змінило здатності організму по частині використання джерел живлення. З’явилася можливість заковтувати великі частки їжі, включаючи інші мікроорганізми.

Симбіоз з бактерією, що володіє здатністю до аеробного розщепленню простих органічних сполук, давав протоеукаріотной клітці безсумнівний енергетичний виграш, оскільки аеробний метаболізм в енергетичному плані набагато вигідніше анаеробного.

Поступово симбіонт перетворився на клітинну органеллу – мітохондрію.

Хлоропласти формувалися подібним способом, але симбіонтом в цьому випадку володіли здатністю до фотосинтезу ціанобактерії.

Подальша еволюція еукаріот йшла шляхом формування різних багатоклітинних організмів. Виникали складенні з однакових клітин слоєвища, які в подальшому дали початок водоростям, а на основі колоніальних форм згодом сформувалися тварини. Саме багатоклітинні організми стали відігравати провідну роль у формуванні біосфер протерозою і фанерозою (близько 600000000 років тому – до наших днів).

Клітка еукаріот формувалася в середині протерозою на основі вдосконалення організації прокаріотів. Мітохондрії і хлоропласти були придбані в результаті симбіозу древніх еукаріот з бактеріями.

Питання

  • Які дві основні гіпотези виникнення життя?
  • Які умови древньої Землі сприяли появі органічних сполук?
  • Чому вважають, що еволюція життя почалася з РНК?
  • Який можливий сценарій розвитку живих істот?
  • Які основні етапи еволюції клітини еукаріот?
Посилання на основну публікацію