Молекулни основи на живота, глава 4
ПРОИЗХОД И ЕВОЛЮЦИЯ НА КЛЕТКАТА
1. Произход на живота
Днес клетки се образуват само чрез делене на предшестващи ("всяка клетка от клетка"). Възниква обаче въпросът как са се появили първите клетки. Научният метод има ограничено приложение спрямо еднократните минали събития, така че е възможно важни страни на произхода на живота да останат неизяснени завинаги. Все пак част от въпросите се поддават на изследване и днес разполагаме с някои данни.
Възрастта на Земята, определена чрез радиоизотопни методи, е около 4,6 милиарда години. Първоначално тя е била течна. Нужни са й били няколкостотин милиона години, за да се втвърди и да стане обитаема за организми от познатия ни тип. Освен това вероятно е трябвало да се изчака затихване на унищожителните метеоритни бомбардировки, което става преди 3,8 до 3,7 милиарда години.
Относно най-ранните следи от живот в научната общност се води спор, който по всички признаци няма да свърши скоро. Някои учени съобщават за микровкаменелости на възраст почти 3,5 милиарда години и за изотопни данни за живот на възраст над 3,8 милиарда години. Други изследователи обаче оспорват тези изводи, твърдейки, че находките могат да се обяснят като резултат от чисто геохимични процеси. Въз основа на данните, които (засега) не се оспорват, можем сравнително безопасно да приемем, че животът е възникнал преди 3 милиарда плюс-минус няколкостотин милиона години. Показаните микровкаменелости са сравнително млади – от епоха, когато живот със сигурност е съществувал. Те са добре запазени и наподобяват някои съвременни цианобактерии.
Микровкаменелости на цианобактерии от централна Австралия
на възраст около 850 млн.г.: вляво – колониални, подобни на съвременния Chroococcus,
вдясно – нишковидната Palaeolyngbya. От Speer (1995) с любезното разрешение
на автора J. William Schopf.
Първият милиард години от земната история е бил наситен
с бурни събития и е оставил твърде малко разпознаваеми скали. Все пак от тях
може да се установи, че тогава атмосферата не е съдържала свободен кислород
(О2). Все още се спори дали съставът й е бил редукционен (СН4
+ N2, NH3 + H2O или CO2 + H2
+ N2) или неутрален (CO2 + N2 + H2O).
Ако атмосферата е била редукционна, тя би позволила абиогенна (без участието на организми) синтеза и натрупване на органични вещества. От 1950 нататък Стенли Милър (Miller) и други моделират процеса лабораторно. Например при един от опитите колба с предполагаеми съставки на древната атмосфера – вода, метан, СО2, СО, амоняк, азот и H2S, се подлага на ултравиолетово облъчване или искров разряд (имитация на мълния). В сместа после се откриват аминокиселини и други важни за живота мономери. При атмосфера с неутрален състав синтезата на органични вещества би била малко вероятна, но малки количества от тях биха могли да бъдат донесени от метеорити.
Дори обаче да имаме всички необходими малки органични молекули, от тях до живата клетка обаче има дълъг и неясен път. Предполага се, че приблизително по средата на тази т. нар. химична еволюция стоят самовъзпроизвеждащи се РНК с каталитична активност, т.е. че в един момент зараждащият се живот е представлявал "свят на РНК". За тази догадка има сериозни основания: РНК е единственото известно засега вещество, способно да съчетава генетични и каталитични функции; спонтанната небиологична синтеза на РНК, макар и малко вероятна (особено във воден разтвор), все пак изглежда не чак толкова невероятна, колкото на ДНК; след като всички известни рибозоми могат да работят само с РНК, вероятно тя е първичният носител на генетична информация; и най-накрая, макар повечето реакции, катализирани от РНК, да засягат нуклеинови киселини, една от тях е най-важното стъпало при белтъчната синтеза – образуването на пептидна връзка (т. нар. пептидилтрансферазна реакция). Последният факт навежда на мисълта, че ранните живи системи първо са започнали да използват РНК, а едва по-късно – белтъци.
Във всеки случай, както и да е възникнал животът, той е направил невъзможна повторната си поява. При наличие на организми всеки междинен продукт на химичната еволюция би бил изяден от тях, преди да успее да се превърне в нова форма на живот. Изследването на произхода на живота е толкова трудно именно защото преходните форми са унищожени, без да оставят ясни следи. Произходът на съвременната техника също би бил неясен, ако от изминалите епохи не бяха запазени сечива, машини и писмени източници.
Не след дълго става невъзможен дори възпроизведеният лабораторно първи етап – синтезата на органични мономери. Причината е постепенното натрупване на молекулен кислород (О2) от жизнената дейност на фотосинтезиращите организми. Неговият дял в атмосферата става значим преди около 2 милиарда години. В присъствие на молекулен кислород химичното равновесие се измества от получаването на органични вещества към тяхното окисление. Затова днес органични съединения не се синтезират извън организмите и лабораториите.
Клетките в древните пластове са прокариотни, за което се съди по малките им размери и простото им устройство. Следователно съвременните прокариоти имат примитивни белези в устройството си. Някои техни представители дори напомнят конкретни микровкаменелости.
Живи цианобактерии, подбрани така, че да приличат
на показаните в предишния раздел
микровкаменелости: А – неидентифицирана колониална форма (клетките долу вляво
са еукариотни водорасли), Б – Lyngbya sp. Б е от Schauder (1997), култтивирана
от J. Waterbury, с любезното разрешение на авторите Rolf Schauder и David Graham.
Термините "примитивен" и "напреднал"
също се използват за сравняване на видове, но за разлика от "прост"
и "сложен" имат не организационен, а еволюционен смисъл. "Примитивен"
значи подобен на нещо, възникнало рано в еволюцията. Ако, обратно, организмът
в еволюцията си се е отдалечил от изходната форма, той се нарича напреднал,
а белезите му – производни или апоморфни. В нашия курс често ще търсим примитивни
белези у съвременни организми, но при това трябва да се внимава. Когато наричаме
древните клетки прокариотни, имаме предвид само, че вкаменените им останки на
вид са по-скоро прокариотни, отколкото еукариотни. Съвременните прокариоти са
еволюирали точно толкова дълго, колкото и ние, и съвсем не всичко у тях е примитивно.
За да бъдем изчерпателни, трябва да споменем още една хипотеза за произхода на живота: че той се е развил на друго небесно тяло и е бил донесен на Земята в готов вид (теория за панспермията). Оцеляването на някои нематоди от совалката "Колумбия" показва, че колкото и да е малко вероятно, все пак е възможно организми от космоса да преминат през атмосферата и да останат живи. Това ни спасява от най-крайния вариант на хипотезата – т. нар. насочена панспермия, а именно че друга развита цивилизация е доставила на Земята организми в защитени контейнери.
Предимството на теорията за панспермията е, че тя ни позволява да заобиколим различни неудобни въпроси около произхода на живота на Земята, например твърде бързото му възникване или невъзможността да се синтезират достатъчно органични съединения в атмосфера с неутрален състав. Недостатъкът на теорията е, че тя е мъглява – не предлага конкретно небесно тяло за родина на земния живот, нито вероятен механизъм за преноса му до Земята. Това ни лишава от възможност да изпробваме модели експериментално и в крайна сметка ни отвежда извън науката.
Панспермията обаче съвсем не е най-лошото, което може да се прочете на тема произход на живота. Дори най-беглата справка по темата ще открие множество печатни и Интернет-източници, които твърдят, че възникването на живота било необяснимо от чисто материалистична гледна точка. Авторите твърдят, че опитът на Пастьор е опровергал възможността за самозараждане на живот веднъж завинаги. След като по този начин са разгромили опонентите си, те "обясняват" произхода на живота с някакъв мъгляв "разумен дизайн" или, по-откровено, с пряката намеса на Божията воля.
Като коментар на тези "теории" следва да припомним, че човекът на науката може да вярва или да не вярва в Бог, но неизменно вярва в научния метод и не би го изоставил при първата трудност. Ако науката (засега) не може да обясни някое естествено явление, това за хората с научен светоглед изобщо не е основание да му измислят свръхестествени "обяснения". Колкото до другите хора, които нямат научен светоглед, би било най-добре те да се придържат към "Битието" (или каквато друга религиозна космогония им е по вкуса), да не обличат антинаучните си послания в наукообразни изрази и да не мъчат мозъците си с научни въпроси.
Основни източници
За клетката и вирусите:
Марков Г. Тайните на клетката. 3. осн. прер. изд. Народна просвета, София, 1984.
За произхода и ранната еволюция на живота:
Дикерсън Р.Е. Химичната еволюция и произходът на живота. В: От въглерода до човека. Народна просвета, София, 1985.
Шопф Дж.У. Еволюция на най-ранните клетки. В: От въглерода до човека. Народна просвета, София, 1985.
Lazcano A., S.L. Miller (1996). The origin and early evolution of life: prebiotic chemistry, the pre-RNA world, and time. Cell 85: 793-798.
Speer B.R. (1995). Cyanobacteria: fossil record. [Online] http://www.ucmp.berkeley.edu/bacteria/cyanofr.html
URL http://www.mayamarkov.com/biology/b04_proizhod/b04_proizhod.htm
Публикувано 2006
Copyright © Майя Маркова
Предишна глава
Основна страница
Следваща глава