Биохимична еволюция на живота Част 1

 

ЕВОЛЮЦИОННА  БИОХИМИЯ НА ЖИВОТА – 1-ВА ЧАСТ –  НАЧАЛОТО
 
  Теории за възникването на живота  (абиогенен синтез)
  Когато се тръгва от една изходна точка да се обяснява дадено явление, то налице  трябва да са поне две основни неща: 1) да е наясно целта, която се преследва и  нейните реални стъпки до достигането й  2) да се намери точният път, по  който се достига, така че да може да се обясни с протичащите в нея промени, ако  такива съществуват. Тези две условия са много важни за цялостния успех на  дадено начинание и още по-важни, когато се касае за нещо толкова важно като  възникването на живота. Тук трябва да отбележим, много ясно какво представлява  живота и в какво се измерва. На пръв поглед това изглежда абсурдно и лесно за  дефиниране, обаче при един бърз поглед на нещата много явления и процеси, които  го съпътстват остават необяснени. Освен това допълнителна трудност се явява и  неговата сложност създаваща илюзията за пълна обърканост, която се появява при  общ преглед на процесите. Сега едва идваме до въпроса, коя структура можем да  вземем за мерна единица, която да олицетворява в себе си
   всичко това, което ние наричаме „живо“. Отговора на този въпрос  е колкото лесен толкова и загадъчен- клетката. Най-малката единица на живота,  която събира в себе си всички основни характеристики присъщи за живота.  Клетката е достойният пример, който трябва да вземем за отправна точка,  тръгвайки да изследваме живота и неговата сложност. Това обаче не е еднозначна  теория, тъй като клетката е много сложна структура, която трудно се подчинява  на определени процеси, макар това да изглежда прекалено ясно да се изследва  най-малката структура на живата се изисква много повече от сбор на различни  науки, които да се взаимодействат. Въпреки, че днес има доста добри физични  модели, които да обясняват структурата на клетката, то около нея все още витаят  много въпроси, които излизат извън рамките на физиката като наука поне от  днешна гледна точка. В клетката има нещо, което е много по-голямо от  теоретичните обяснения на термодинамиката, която ни дава ясен знак, че  благодарение на ентропията съществуването на живата клетка изглежда нещо свръх  естествено. Това „свръхестествено явление”, обаче е на лице, а това означава,  че има пробив във вторият принцип на термодинамиката, които ясно показва, че  безпорядъка във вселената се увеличава. Да това безспорно е така от физична  гледна точка, но клетката е реално съществуващ обект, които човек изследва и се  подчинява на свои закони, които за разлика от безпорядъка за с много голям  порядък и сложност недостъпен за обяснение от днешните физика, химия и отчасти  за съжаление и биология. Това засега е „живота” криещ от нас най-големите си тайни,  чакащ първите реални пробиви от научна страна. От началото на 20-ти век редица  научни теории се опитват да обяснят поне отчасти наличието на живота на нашата планета,  но както всички се досещаме всички са претърпели значителни поражения на  научното поле. Някой от създадените теории са добре подредени и описват по  сравнително разумен начина наличието на живота, други си звучат определено  странно, а трети са наивни и смешни, дотолкова, че не си заслужва да ги  обсъждаме. Поради количествени проблеми свързани с разхода на енергия и мястото  в компютърната памет ще разгледаме само малка част от единични теории връщащи ни  в началото на земната еволюция и до възникването и развитието на живи  организми, които могат да се нарекат носители на живота. Точно както клетката!  Нека сега да се спрем върху определена теория, която макар и малко ни доближава  до реалните представи на това как е изглеждала земята преди около 3,5-4  милиарда години!
  Широко застъпена в научните среди, макар и непризнавана от всички учени в областта  на еволюционната биохимия и теория Теорията на Опарин-Холдейн е една значителна  стъпка в познанията ни за живота.
 
  ==Опарин- Холдейн==
  Първата добре обоснована абиогенна теория е представена в началото на 20-те  години от руския академик Н.А.Опарин и малко по-късно развита от английския  учен Джон Холдейн, които въвежда нови насоки в изследването на добиологичната  еволюция на клетките. Основната идея на тази теория било предположението, че  зараждането на живота е дълъг процес на създаване на жива материя в недрата на  неживата като много от тези свойства които са присъщи за живота са присъщи в  известна степен и на живите организми. Разнообразието от прости съединения в  първичната атмосферата и протоокеана (вероятно съществуващ тогава), облъчвани  от обилно от външна енергия породена от Слънцето и космическите лъчи  продължително време довели до образуването на „първичен бульон”, в който възникнали  по-сложни органични съединения и техни конгломерати във вид на  „коацерватни капки”, които са плували свободно  в океана и са могли да си взаимодействат като по този начин тези първични прото  взаимоотношения са довеждали до усложняване на структурата им. Коацерватите  вероятно са били способни да адсорбират химични съединения от окръжаващата ги  среда и отделят в нея продукти, както и да растат с последващ разпад на части. Този  растеж обаче трябва значително да се отличава от днешното делене на клетките,  което познаваме. Това разделяне на коарцетватните капки се постига по чисто  механичен начин, на принципа на дифузията, т.е. потоците на вещества, които са  преминавали в тях от едната страна на протомембраната и от другата.  Съществувайки в определена среда като първичният океан, много от коарцеватните  капки, са били подловени на действието на тези процеси. И все пак, това е един  чисто физичен процес, които по нищо не се е отличавал от днешните опити в  епруветки, които много успешни моделират проста и облекчена дифузия. Тук  по-сложният въпрос е кога всъщност е станало контролирано навлизане на потоци в  коарцеватната капка. Дори и след милиони години на съществуване, овладяването  на тези процеси биха доближили коарцеватните капки до живите клетки, но все още  на тях биха им липсвали много условия за да бъдат живи в истинският смисъл на  думата! По този начин коацерватите представляват открити системи, техните  свойства ги сближават с най-простите живи организми. Обаче това сходство е  външно, защото коацерватите нямат най-важното свойство – способността за  самовъзпроизвеждане. Нямат апарата необходим им да ги запазят като отделни  структури, които да могат да предават своя информация на „следващите”  поколения. Това е много важно, защото в теориите, в които усилено присъства  термодинамичните обяснения, се дават достоверни примери за тази еволюция на  клетката, но не се съобразява с едно много важно условие- еволюцията на  информацията, за която тя няма обяснение.
 
  ==Джон Бернал и теорията на „глината”==
 
Тази хипотеза относно произхода на живота е интересен пример, как една  теория може да има редица недостатъци, но приложена към други, тя представлява  уникално приложение, което точно пасва на мястото си. Според нея органични  молекули са можели да се образуват на повърхностния слой между водната  повърхност и глинени остатъци в първичния океан. Именно там би могло да се  извърши зараждането на живота. Това е логическо предположение, което не е  лишено от логика. На повърхностния слой на глинените остатъци на дъното на първичния  океан са можели да се натрупат редица органични вещества, които с течение на  времето да си взаимодействат и да достигнат до сложно устроени живи „организми”  Между цепнатините на глината е възможно да е имало и преходен слой (дори  различно заредени частици), които да са играели ролята на първичен катализатор  за натрупаните върху тях органични молекули. Те с течение на времето са  изграждали конгломерати и са успели да достигнат до едно начално първично ниво  на развитие, непознато до този момент от биологичната еволюция. Това би било  повратна точка в търсенето на живот, поради възможността, такива, остатъчни  явления да са се запазили в различни минерали и кристали от това време. Така  откривайки запазените на милиарди години органични съединения ние ще можем вече  с точност да определим точните съставки на някогашната атмосфера. Това ще сложи  край на дискусията на това каква е била някогашната атмосфера на земята.  Трябва, в контекста на изложеното по-горе да се спомене, че намирането на  подобни палеобиохимични значи, е много трудно. Дори и да се открият подобни, около  тях отново ще има спорове за възрастта им и т.н.
 
  ==Експериментът на Милер-Юри==
  През 1952 г.  21- годишният тогава американския учен Стенли Милер получил органични молекули  в лабораторни условия, моделиращи тези, които според него са били на  първобитната Земя и са оказали влияние за възникването на „живота”. Цялата  постановка се състояла в това, че той пуснал електрически заряди с напрежение  до 60000В през смес от водни пари, водород, азотен диоксид, метан, сяра под  налягане няколко Pa(N/m2) и  температура 80С и получил прости мастни киселини, пикочна, винена, мравчена  киселина и няколко аминокиселини – вещества, от които се изграждат молекулите  белтъци. Получени били и прости захари и нуклеинови киселини. Експериментът показва, че много  от основните органични молекули, които изграждат живите организми могат лесно  да се формират в абиотични условия, които вероятно са съществували на Земята  тогава. Това обаче отново трябва да се отличава, от живите организми. Наличието  на живи организми, въобще не означава поява на живот. Живот се получава,  тогава, когато има строго подреждане на органичните молекули в строго определен  ред. Това също допринася за още един удар върху теорията за безпорядъка във  Вселената. Дори и тези принципи за ентропията на системата да важат някъде из  Вселената, то се е оказало, че съществува място, където този принцип не важи,  или ако важи, то не е в такава сила, че да попречи за образуването на сложни  структури.
  Други учени предполагат, че древната атмосфера на Земята се различавала от  тази, която моделировал Милер при своите експерименти. Според тях тя е съдържала и  въглероден диоксид и азот. За съжаление, резултатът не можел да бъде  възпроизведен, ако въглероден диоксид или молекулярен кислород се добавят към  експеримента. Това означава, че органичните молекули са били произведени в или  отделни точки на Земята, където условията са различни от глобалната среда или  са дошли от космоса. Също така се предполага, че по времето, когато са се  извършвали тези процеси на Земята, атмосферата, която е съществувала е имала  редукционни свойства, за разлика от днешната, която има окислителни. Това на  практика означава, че ако атмосферата е била редукционна, то експеримента на  Милър би трябвало да е валиден, дотолкова, че да ни посочи един от много  възможни пътища на синтезирането на органични вещества. Ако пък атмосферата е била с  окислителни свойства, както днес, това би било пагубно за възникналите  молекули. Tе биха били  унищожени от действието на кислорода!
 
  Опити на  Сидни Фокс- САЩ
  В началото на 60-те от миналия век изследователят от университета на Маями ( институт  за еволюционна биохимия), С. Фокс направил експеримент, при който безводна смес  от аминокиселини той нагрява до 170°С и получава значителни резултати.  Образували се до 23 аминокиселини, срещащи се в съвременните организми, което  доказало, че могат да се синтезират по неорганичен път. Промивайки горещата  смес от изкуствени полимери с вода или разтвори, Фокс получил многобройни гранули,  няколко микрометра в диаметър. Получил също и нуклеотиди, които се свързали в  полинуклеотидана верига. Той отделил тези нуклейнови киселини и ги пренесъл в  отделен изолиран съд съдържащ вода и свободни аминокиселини. Голямо било учудването,  когато установил, че аминокиселините се свързали в точно определен ред в които  били в изходния разтвор. След това С. Фокс успява да съедини аминокиселини в  къси нерегулярни вериги – безматричен синтез на полипептиди. Той описва подобни  на коацерватите самоорганизиращи се структури и ги нарича микросфери. При  охлаждане на нагрети концентрирани разтвори на протеиноиди самопроизволно  възниквали малки сферични капки с двуслойна обвивка, напомняща мембраната на  бактериите и със способност за делене. Техни обвивки реагирали на промяна на соматичното  налягане, аналогично на реакциите на жива клетка. Това води до заключението, че  първичните „живи организми” трябва да са могли да се получат по абиогенен начин  и да са могли да се възпроизвеждат самостоятелно, така, че да „оставят” свое „поколение”.  За съжаление получените белтъчни молекули не можели да се копират и предават  информация на потомците-коацервати в „естествената си среда”. Теорията на Опарин,  Фокс и другите наистина може и да звучи малко странно, поради което и обект на  много критики, но тя ни дава дори и нищожна част светлина за началото на  трудният път на живота.
  Действително, тези събития са малко вероятни, ако се разглеждат откъснати едно  от друго и разделени в пространството на огромния първичен океан и ако ги  смятаме за взаимно независими едно от друго. Това обаче би представлявало  грешка, която може да има лоши последици, ако се опитаме да загърбим, тази цяла  поредица от събития. Обаче последните изследвания показват, че този подход не е  правилен, и в сложни дисипативни системи от термодинамична гледна точка много от  тези процеси са определени в пространството. В този случай образуването на жив  организъм става неизбежно след определен етап на еволюция. Това дори и отчасти  вярно, не може да определи и обясни сложни процеси като последвалото в същата  тази еволюция делене на клетката, размножаване, структурна подредба,  метаболизъм, да не говорим за по-сложните процеси извършващи се в човешкия  организъм. Отново опираме до стария проблем, че живота, поне такъв не може  напълно да се обясни с физични термини и да се вкара в някаква рамка, която да  го ограничава. Това би било абсурдно.
  Разгледаните няколко примера само могат да ни дадат някакви насоки или дори  препоръки, как да търсим сложността на живота, но за съжаление не могат да ни  обяснят, точно, как се е осъществило първото преминаване на от неживото към  живото. Това за сега изглежда непреодолим проблем пред биологията, която с помощта  на другите фундаментални науки би се опитала да даде задоволителен отговор на  въпроса: Как е…!
  Макар, че в такива опити да не може точно да се възпроизведат условията,  съществували в ранната Земя, те показват, че органичните молекули се образуват  удивително лесно (разбирайте в тогавашните условия, при който се е намирала  Земята. Днес абиогенен произход на живи организми от неорганични вещества не се  наблюдава). Възможността за абиогенен синтез на органични съединения се  потвърждава и от това, че те са намерени и в космическото пространство около  звезди и галактики, и в някои метеорити паднали на Земята. Дори след време да  са открият точните стъпки, по който е станало началото на живота, то ще имаме  много неприятности с изясняването на механизмите, които са предшествали,  метаболитните пътища. Ние все още имаме прекалено малко познания в областта на еволюционната  биохимия. Доста малко знаем и за това какво е имало преди Цикъла на  Трикарбоновите киселини (Цикъл на Кребс), гликолиза, пентозофосфатен път, цикъл  на Калвин и т.н. Няма смисъл да се продължава в този дух на писане.  Метаболитните пътища са много и разнообразни. Те са възхитителни по своята  сложност. Трябва обаче да се отбележи, че тези пътища са преплетени и взаимно зависими  едно от друго. Те не действат самостоятелни всяко за себе си, а под строг  контрол. Тяхното изясняване обаче ще е нищо пред огромната загадка на еволюционната  биохимия да си обясни процесите в клетъчното ядро. Огромна по обем работа!
  Това обаче, е само малка част от цялата работа свързана с произхода на живота.  Клетката, която ние приемаме за отправна точка в нашето търсене, не съществува  изолирано от околната среда, в която е възникнала. Това практически означава,  че тя (клетката) трябва да се разгледа в цялостната светлина на състоянието, в  което се е намирала планетата тогава. Паралелно с разглеждането на въпроса за  живота, трябва да поставим и въпроса за произхода на биосферата, която се е  появила, както изглежда милиони години, след появата на живата клетка. Донякъде  може да се мисли, че клетката е моделирала в някаква степен днешната биосфера.  Тези две важни за еволюцията събития трябва да се разглеждат заедно, а не по  отделни, все едно не са свързани.
  Всичко до тук можем да обобщим, с една дума: ХАОС. Имаме косвени доказателства  за множество органични молекули синтезиращи се при неорганичен синтез. Имаме  стотици хипотези, за произхода на живота, както и стотици „тонове” литература  по различни въпроси, които разглеждат едни или други казуси и т.н и т.н.
  Разглеждайки посочените по-горе доказателства, сега вече можем да обърнем  поглед към една коренно различна теория, която според много учени е етап  надскачащ вече абиогенното синтезиране на органични молекули. 

Автор: Иван Божидаров

avatar
  Subscribe  
Извести ме

Related posts