Тіршілік эволюциясы

Тіршіліктің эволюциясы

Тіршілік қалай дамыды? Тірі затты құрайтын элементтер бір-бірімен қалай бірікті? Қазіргі таңда бұл сұрақтар бойынша дәйекті жорамал жасауға мүмкіндік беретін деректер жеткілікті. Тіршіліктің пайда болуы туралы теорияны Пфлюгер, Дж. Холдейн және Р. Бейтнер ұсынған. Алайда бұл тұжырымдаманы толық әрі жүйелі түрде биохимик, академик А. И. Опарин 1924 жылы жазған «Тіршіліктің пайда болуы» еңбегінде қарастырды.

Тірі жүйелердің алуан түрлілігі және «құрылыс кірпіштері»

Жер бетіндегі тіршілік жоғары ұйымдасқан жануарлардан бастап, қарапайым біржасушалы организмдерге дейін, тіпті кейде тек ақуыздық молекулаларға сүйенетін нысандар — вирустарға дейін созылады. Вирустар инертті кристалдық күйде де, белсенді күйде де бола алады.

Ақуыз молекулалары, өз кезегінде, одан да қарапайым бөлшектерден тұрады: аминқышқылдары көміртегі, сутегі, азот және оттегі бар қосылыстардан құралып, өзара әртүрлі химиялық байланыстармен бірігеді.

Миллер–Юри тәжірибесі: бастапқы атмосфера моделіндегі синтез

1953 жылы америкалық ғалымдар С. Л. Миллер мен Г. К. Юри Опарин теориясына сүйеніп, жасанды атмосфера жағдайында тәжірибе жүргізді. Олар Жердің бастапқы атмо-гидросферасында болуы мүмкін газ қоспасын — сутегі (H₂), метан (CH₄), аммиак (NH₃) және су буын (H₂O) — алып, оған күшті электр разрядтарын түсірді, кейін конденсациялады.

Мұндай тәжірибелерді кейін ҚСРО мен Жапония ғалымдары да қайталап, бастапқы атмосферада аминқышқылдарының синтезделуі мүмкін екенін дәлелдеді. Газдардың әртүрлі вариациялары мен энергия көздері қолданылғанда өнімдер арасында көптеген табиғи аминқышқылдары — лейцин, изолейцин, серин, треонин, аспарагин, лизин, фенилаланин және тирозин — анықталды. Сонымен қатар, қазіргі тірі ағзаларда кездеспейтін аминқышқылдары да түзілген.

Энергия көздері және «бастапқы мұхит»

Жоғары молекулалы қосылыстарды түзетін мономерлер синтезі үшін ықтимал энергия көздерінің бірі — электр разрядтары. Бүгінгі Жердің өзінде әр секунд сайын мыңнан аса найзағай жарқылы байқалады. Әлі толық суынып үлгермеген ерте кезеңдегі Жерді қоршаған бу тәрізді бастапқы гидроатмосферада найзағай белсенділігі қазіргіге қарағанда әлдеқайда жоғары болған болуы мүмкін.

Мұндай энергия көбіне алғашқы мұхиттың үстінде бөлініп, синтез өнімдерінің суда еру ықтималдығын арттырған. Осылайша мұхит «бастапқы сорпаға» айналып, органикалық молекулалардың жиналуына қолайлы орта қалыптасқан.

Тіршіліктің «аз ғана» мономерлерден құралуы

Тіршіліктің барлық түрлері салыстырмалы түрде аз ғана «құрылыс блоктарынан» — төмен молекулалы қосылыстардан — тұрады: ақуыздарды құрайтын 20 аминқышқылы, нуклеин қышқылдарының құрамдас бөліктері болатын 5 азотты негіз, энергия көзі ретінде глюкоза, сондай-ақ жасуша мембраналарының материалы әрі энергия қоры ретінде майлар. Жалпы алғанда, кез келген тірі организмнің биохимиялық құрылысын сипаттайтын негізгі мономерлер саны шамамен 29.

Коацерваттар: шоғырлану және қарапайым құрылымдардың түзілуі

Органикалық заттар мұхит бетінде жұқа қабықша (пленка) түзіп, жел мен толқын әсерінен жағалауларға шоғырлануы мүмкін. Мұндай шоғырлану нәтижесінде коацерваттық құрылымдар — қоршаған ортамен диффузия арқылы зат алмасатын тамшылар — пайда болуы ықтимал. Коацерваттық тамшыларды зертханалық жағдайда да алуға болады: мысалы, Опарин әртүрлі полимерлерден осындай тамшылар түзген.

Коацерваттық тамшылар ұқсас қосылыстарға өздігінен бөлінуге бейім. Олар белгілі бір массаға жеткенге дейін ғана «тұрақты» бола алады. Массаның артуы және қарапайым реакцияларды катализдеу мүмкіндігі суспензиялар мен микросфераны бөліп тұратын шекараның нығаюына ықпал етеді.

Тірі материяның химиялық элементтері

Органикалық заттардың негізгі химиялық элементтері — көміртегі, оттегі, сутегі және азот. Бұл төрт элемент органикалық заттардың шамамен 99%-ын құрайды және бастапқы гидроатмосфера құрамындағы негізгі элементтермен үйлеседі. Сонымен қатар органикалық заттардың құрамына күкірт, фосфор және аз мөлшерде жиырмаға жуық өзге элементтер кіреді.

Болжам бойынша, осы элементтердің бір бөлігі ақуыз-полимерлер құрамына еніп, бастапқы мұхит жағалауларында органикалық заттар жиналған кезде биологиялық реакциялардың катализаторы ретінде қызмет еткен. Сандық тұрғыдан биотадағы элементтердің жалпы құрамы теңіз суының құрамына жақын. Тірі ағзаларда тек тіршілікке ғана тән «ерекше» элемент те жоқ, сондай-ақ бейорганикалық материяда кездеспейтін элемент те жоқ.

Неге дәл 20 аминқышқыл?

Қазіргі ақуыздарды құрайтын 20 аминқышқыл миллиондаған жылдарға созылған эволюциялық сұрыпталу нәтижесінде сақталған деп есептеледі. Өзге аминқышқыл жиынтықтарына сәйкес келетін кодтар бірте-бірте жойылып, соларға байланысты эволюциялық тармақтар да жоғалған болуы мүмкін.

«Тіршілік» ұғымы және ақпарат пен энергия

«Тіршілік қашан басталады?» деген сұраққа жақындау үшін, алдымен «тіршілік деген не?» дегенді нақтылау қажет. Тіршілікті ағзаның өз орнына ұрпақ қалдыру, өзгеру және сол өзгерістерді қайта өндіру қабілеті ретінде сипаттауға болады. Бұл қасиеттер энергия мен ақпараттың берілуін қамтамасыз етеді.

Органикалық молекулалар бейорганикалық заттарға қарағанда ірірек әрі күрделірек болғандықтан, өзгерістерге көбірек бейім. Үздіксіз өзгеру және сол өзгерістердің сақталып, жаңарып отыруы — Жердегі тіршіліктің ерекше қасиеті. Ал бейорганикалық заттар өздігінен қайта өндіріле алмайды.

Уақыт шкаласы: геология және алғашқы организмдер

Геологиялық жыныстардан табылған қазба қалдықтар шамамен 3,3 млрд жыл бұрын теңіздерде қарапайым өсімдіктер — көк-жасыл балдырлар (цианобактериялар) — болғанын көрсетеді. Жердің базальтты литосферасының жасы 4,5 млрд жыл деп есептеледі. Сол кезеңдерде құрамында бос оттегі жоқ алғашқы атмо-гидросфера қалыптаса бастаған.

Басқаша айтқанда, ядросыз біржасушалы организмдер пайда болғанға дейін шамамен 1 млрд жылдай уақыт өткен. Алғашқы мұхит органикалық қосылыстардың реакциялары жүретін, химиялық эволюция үшін өте қолайлы орта болды. Бос оттегі мен озон қабаты болмағандықтан, Күннің ультракүлгін сәулелері құрлық пен мұхит бетіне айқын түсіп, найзағай разрядтарымен бірге аминқышқылдарының түзілуіне қажетті энергияны қамтамасыз етті.

«Кездейсоқтық» және ықтималдықтың рөлі

Аминқышқылдары үздіксіз түзіліп, мұхитты органикалық «сорпаға» айналдырды. Кейін аминқышқыл молекулалары соқтығысып, бірігіп, алдымен ақуыз молекулаларын, әрі қарай күрделірек қосылыстарды түзуі мүмкін. Осылайша химиялық эволюция биохимиялық эволюцияға ұласқан деген болжам бар.

Ғалымдардың көпшілігі ақуыз молекулаларының түзілуін алғашқы мұхиттағы аминқышқылдарының «кездейсоқ» соқтығысулары арқылы түсіндіреді. Мұндағы «кездейсоқ» ұғымын «мүлде мүмкін емес» деп қабылдауға болмайды: бұл процесті статистикалық заңдылық ретінде қарастырған жөн. Қайталану саны артқан сайын, ықтималдығы төмен оқиғалардың да жүзеге асу мүмкіндігі өседі.

Егер бұған 1 млрд жылдан асатын уақыт ауқымын қоссақ, Жер пайда болған кезеңнен бастап қазба қалдықтар байқалатын уақытқа дейінгі аралықта күрделі органикалық жүйелердің қалыптасуына жеткілікті мүмкіндік болғаны түсінікті.