Станете наш приятел

Вход

Реклама

Курсове по БЕЛ

Начало arrow За любознателните arrow Биохимична еволюция на живота: Произход на клетката

Биохимична еволюция на живота: Произход на клетката
Оценка: / 34
СлабОтличен 
Автор Administrator   

Запознавайки се с механизмите на възникване на живота, неизменно достигаме до въпроса – как от простите химични съединения и реакциите, които се извършват в неорганична среда, се е зародил същинският живот? Това именно е животът, който е дал начало на еволюцията позната ни днес. Безспорно това е много труден въпрос, върху който, за съжаление, почти не е хвърлена светлина, показваща ни пътя към същинската поява на живота. Разгледаните дотук химични процеси, които ни дават представа за началните етапи на живота, ни осведомяват за неорганичния произход на живата материя. Но пред нас стои проблемът за преминаването на тези известни нам химични процеси в биологични! Казано по просто – как и кога се е извършило преминаването на химичната еволюция в биологична? Едва след като отговорим на този въпрос, ще имаме ясна представа за протичащите процеси, които са се извършвали в предбиологичните и биологичните етапи от развитието на материята. Познавайки отделните стъпала на еволюцията на първите синтезирани органични молекули и изградили вече представата си за РНК свят, сега трябва да обърнем внимание на следващия и най-важен етап от еволюцията на живота – еволюцията на клетката. Клетката е най-малката единица на живота. Тя се явява един много сложен свят на фино регулирани механизми, които си взаимодействат по точно изчислени процеси.

Въпросните процеси дават същността на клетката като носител на живота. Едва след появата на клетката, като биологичен феномен на нашата планета, вече можем да говорим за биологична еволюция, дала тласък на развитието на всички живи организми. Изясняването на процесите довели до тези събития стои в основата на разбирането ни за това как е възникнал животът и какво представлява той. Характеристика на клетките – особености. Клетката, като жива и отворена система, е извънредно сложно устроена и точно този аспект създава най-големите трудности при нейното проучване. Както знаем, днес клетките, изграждащи всички живи организми, се делят на две основни групи: прокариоти и еукариоти. Прокариотите са по-просто устроени от еукариотните си роднини и проявяват всички характеристики на жив организъм. Затова и всяка една отделна прокариотна клетка се смята за отделен организъм, който може да съществува самостоятелно при наличието на благоприятни условия на средата. Прокариотите, за разлика от еукариотите, имат ядро, което не е ограничено от цитоплазмата с мембрана, затова се нарича и нуклеоид. Именно там е събрана голяма част от генетичната информацията на прокариотната клетка. Самата тя е отделена от околната среда чрез клетъчна мембрана, върху която се разполага клетъчна стена изградена от различни по сложност органични съединения. Клетъчната мембрана е основна предпоставка за съществуването на клетката. Друго много важно условие за нейното съществуване е цитоплазмата. Тя представлява смес от около 90% вода и биоорганични съединения, които клетката може да използва при необходимост. В цитоплазмата се намират и огромен брой рибозоми. Те са свидетелство,за синтезирането на голямо количество белтъци, които от своя страна създават прокариотите. Наред с всичко,изброено дотук, трябва да споменем и наличието на структури наречени плазмиди. Те са нуклеинови киселини, носещи 2-3 гена, определящи резистентността на клетката към различни антибиотици. От разгледаното дотук, може да се заключи, че прокариотите се явяват изходен пункт на нашето изследване относно еволюцията на клетката.

След като приключихме със сравнително просто устроената прокариотна клетка, нека погледнем еукариотната еволюционна машина, на която дължим развитието на многоклетъчните животни и на самите нас. Еукариотните клетки са с извънредна степен на комплицираност и подреденост. Техните основни структури – клетъчно ядро, клетъчна мембрана и цитоплазма – взаимодействат с много на брой и различни по вид клетъчни органели. Не е нужно да се влиза в детайли и да се обясняват функциите и структурата на тези органели. Важното е да се знае, че те са с различен еволюционен произход и са възникнали в резултат от усложняването на клетката с течение на времето. И след представянето накратко на про- и еукариотните клетки, нека видим предполагаемите механизми, подпомогнали възникването на въпросните клетки като структури на живота. Редица автори са склонни да приемат широко разпространената теория, че еукариотите са произлезли от прокариотните организми. Това би означавало, че прокариотите са преки “роднини” на еукариотните си “събратя”. И е вярно, в известна степен, но има редица доказателства, които оборват подобна теза, както има и такива, които говорят в нейна полза. Днешната наука приема, че прокариотите и еукариотите са по-скоро две направления в еволюцията, които следват свои различни пътища на развитие. Допуска се да се разглеждат като роднини с общ прародител, но не и като преки роднини. Сравнение може да се направи с човека и шимпанзето. Както шимпанзетата така и хората са вид маймуни. Наистина хората са високо развити интелектуално, но от друга страна следват сравнително същите еволюционни пътища като човекоподобните маймуни. Днес никой не смята, че хората са произлезли от шимпанзета в хода на еволюцията. Ние трябва да виждаме себе си повече като братовчеди на нашите “горски приятели”. Произлизаме от общ прародител и всички сме негови наследници, макар и отдалечени еволюционно. Именно това е липсващото звено, което поколения палеонтолози се опитват да открият. Намирането на един такъв изчезнал “роднина” ще даде много важна информация относно развитието както на про- така и на еукариотните клетки. Следвайки този ред на мисли, е необходимо да се отбележи, че този изчезнал пряк роднина трябва да е имал характеристиките на съвременните прокариоти, макар и не съвсем точно. Има се предвид, че първичната клетка трябва да е отговаряла на редица условия, които са били задължителни, за да можем да я наречем жива клетка...

 

Биохимична еволюция на първичната клетка

 

При наличието на нуклеинови киселини, които могат да осъществяват каталитична функция, и коарцеватни капки в първичния бульон, най-вероятно се е осъществила агрегация на тези елементи, намиращи се в океана. Те са се “събрали” по неизвестен засега начин, но по принцип, които им е позволявал съществуване в изключително агресивна среда. Навлезлите в липидните капки първични нуклеинови киселини са допринесли за стабилизирането на комплекса, които по-късно ще доведе до възникването на първичната клетка. Тази кооперация може да се разглежда като симбиоза между два различни вида с цел взаимна изгода. РНК е намерила подходяща среда за своите синтезни процеси, а липидната капка е получила стабилност в резултат на синтезираните от РНК пептидни молекули, които са се присъединявали към двойния липиден слой на коарцевата. Предполага се, че тези първично синтезирани белтъци са подпомогнали навлизането на различни органични вещества отвън и отвътре по зараждащата се клетка. С течение на времето тази самозародила се кооперация се е развивала под действието на ултравиолетовите слънчеви лъчи, което пък е водело до различни мутации в структурата на РНК и по този начин до нови комбинации от белтъци, които са обогатявали комплекса. По-късно тази вече закрепила се структура е започнала все по-точно и акуратно да изпълнява строго определени функции, като например набавянето на енергия за системата. Именно в този момент се е случило едно изключително събитие без което днес нямаше дори да обсъждаме този въпрос. Под влияние на стабилните условия, в които се е намирала системата, се е създала предпоставка за бързото копиране на РНК чрез процеса на транскрипция. Това е довело до безконтролно натрупване на нуклеинови киселини в ограничената коарцеватна капка. Последното неизбежно е водело до разкъсването на първичният комплекс и попадането на “съдържанието” в околната среда. В този момент се е появило контролираното разделяне на молекулите РНК, намиращи вътре в коарцевата. Възникнали са предпоставки за закрепването само на онези клетки от отбора, които са се справяли успешно с овладяването на процеса на контролирано разделяне. Това явно е станало като синтезираните РНК са се ограждали вътре в клетката с белтъчни молекули, върху които се е образувал фосфолипиден молекулен слой, отделящ ги от околната среда. Така, ограждайки се едновременно с вътрешността на коарцевата и с околната среда, новата клетка вече е можела да се отдели в първичния океан. Не е изключено гените за синтезирането на белтъците, върху които са се натрупвали фосфолипидните молекули, след определен етап в еволюцията да са влезли и в състава на гените вече на ДНК, и по този начин да са подпомогнали развитието на процеси като митозата и мейозата! Овладявайки процеса на фино “разделяне”, стабилизираната структура е имала много повече възможности да оцелее в заобикалящата я среда. Тези от комплексите, които не са успели да доразвият този фин механизъм са отпаднали от отбора по естествени причини. Тяхното отношение на РНК спрямо вътрешната повърхност на коарцеватната капка, бързо се е изменяло и равновесието не е могло да бъде възстановено. Всичко изложено дотук трябва да се разглежда от днешната наука като една хипотетична представа за това как е било възможно да възникне първата клетка. Разбирайки процесите, които са се извършвали, стигаме до извода, че етапът на превръщането на простата каорцеватна капка в сложно устроена клетка, не е бил никак лесен. Предполага се, че са съществували първични биохимични механизми, които не са ни известни днес, лежащи в основата на първите сложно устроени процеси. Това най-вероятно ще да са били процеси, много наподобяващи днешните: гликолиза, Цикъл на Кребс и др. метаболитни пътища. Дори и да приемем по-горната хипотеза, стигаме до момента, в който трябва да разгледаме начина, по който праклетката е получавала енергия от заобикалящата я среда. Тя трябва да е имала вече изграден механизъм за разграждането на различни вещества, от които да получава необходимата й за съществуване енергия. Днес се предполага, че това е бил катаболитен път на разграждане, подобен на гликолизата (катаболитен биохимичен път на разграждане на 1 молекула глюкоза на две молекули пирогроздена киселина). Не трябва автоматично да се приписват всички особености на този процес върху първия път за разграждане. Безспорно гликолизата е един от най-старите биохимични процеси, които познаваме. Тя може би се е зародила в този си вид преди около 2,2 милиарда години, когато се е извършила първата голяма еволюционна промяна – преминаването на праклетката в клетка, такава каквато я разбираме в днешния й вид – наподобяваща прокариотен организъм. Няма спор, че първият път на биохимично разграждане на органични молекули, е бил много важен момент в еволюцията на клетката. Но както знаем от биологията, има много клетки, които използват енергия при окислението на неорганични вещества - H2S, NH4 и др. Те окисляват редица неорганични вещества и получават енергия от това. Имат и точно определени и организирани биохимични пътища за да постигат процеса. Следователно те не се нуждаят пряко от органични молекули, за да съществуват. Това ни навежда на мисълта, че тези организми са се появили доста отдавана в еволюционно отношение, преди другите, които могат да използват за синтезните си нужди вещества от изцяло органичен произход. Тези организми, наречени автотрофни, са способни да произвеждат свои собствени органични молекули и да ги натрупват с цел използването им при неблагоприятни условия. Много вероятно е именно такива организми да са започнали и отделянето на свободен кислород в тогавашната атмосфера и по този начин тя от редуцираща да се е превърнала в окисляваща (както я наблюдаваме днес).Изследването на произхода на клетката, като сложна съставна система, изисква големи усилия при формирането на научните методи за процеса. Предполагайки и изказвайки различни хипотези за произхода на клетката, ние разглеждаме въпроса едностранно – само относно появата на структура, най-много доближаваща се до днешните прокариотни клетки. Това може да създаде измамното усещане, че е възможно да разберем всички сложните процеси, протичащи в клетката. Освен прокариотни организми обаче, налице са и много по-сложно устроените еукариоути.Те не само са едно стъпало по-високо в еволюционната стълба, но и не се подлагат на експериментално “обработване” чрез научни методи. Като най-прост пример тук може да се спомене дори само клетъчното ядро с всичките му сложни съставни части: хроматин, хистони, ядрен сок и др. Те ни подсказват, че трябва да се обърне внимание на отделен подетап в еволюцията на клетката – еволюция на еукариотната клетка. Но това ще бъде обект на бъдещи изследвания. Засега, ограничените ни познания за еволюцията на клетката, ни помагат само косвено да предполагаме как е протекъл сложният процес на формиране на структурите, които са довели до създаването на първата клетка в историята на Земята.

 

Източник: сп. "Бг Наука" бр. 15