Теория адекватного питания и трофология
Шрифт:
Первыми фотосинтезирующими клетками, спосособными выделять кислород, были синезеленые водоросли, возраст которых составляет около 3 млрд. лет. До их появления кислорода в атмосфере было очень мало или не было вообще. Фотосинтезирующие азотфиксирующие сине-зеленые водоросли — кульминационный момент адаптации к существованию в первобытных морях, лишенных органических углеродных и азотистых соединений. С появлением фотосинтезирующих клеток в качестве побочного продукта фотосинтеза в атмосферу стал освобождаться молекулярный кислород. С этого времени уровень кислорода в атмосфере возрастал до его современного значения. В связи с этим произошло появление новых экологических ниш. При увеличении концентрации свободного кислорода стало возможным его использование в качестве высокоэффективного акцептора электронов в аэробном метаболизме. После появления в атмосфере кислорода, по-видимому, возникли аэробные клетки, которые могли вырабатывать на одну молекулу экзогенной глюкозы больше энергии, чем анаэробные организмы. Завершающей стадией
Рис. 9.2. Схема органической эволюции, демонстрирующая, что протеиноиды являются недостающим звеном между молекулярной эволюцией и эволюцией организмов на Земле (по: Fox, 1980, с нашими дополнениями).
Следующий скачок в эволюции — появление эукариотических клеток — произошел примерно 2 млрд. лет назад. Существует предположение, дискутируемое в последние годы, что эукариотические клетки появились благодаря симбиозу. Предполагается, что эукариоты произошли из крупных анаэробных прокариотических клеток, в которые вселились мелкие фотосинтезирующие прокариоты, становящиеся эндосимбионтами. Тогда клетки-хозяева обеспечивали гликолитическое брожение, а клетки-симбионты — фотосинтез или дыхание. Такие эндосимбионты могли стать предшественниками хлоропластов и митохондрий современных клеток. В ходе биологической эволюции под воздействием различных факторов могли возникать изменения в нуклеотидной последовательности генома и происходить отбор наиболее приспособленных мутантов. На развитие аэробных позвоночных и сосудистых высших растений потребовалось более 1 млрд. лет. Человек появился около 1,5–2 млн. лет назад, человек современного вида (Homo sapiens) — примерно 40000 лет назад, а по некоторым данным еще раньше.
9.4. Происхождение аутотрофии (абиотрофии) и гетеротрофии
Один из остро дискутируемых вопросов, возникающих при анализе происхождения жизни на Земле, это вопрос о пищевых источниках для первичных примитивных организмов, не способных к сложным синтезам. Предполагается, что такие организмы использовали первичный бульон, содержащий все необходимые мономеры. По-видимому, первичные примитивные организмы не могли располагать сложным аппаратом, необходимым для фиксации азота и фотосинтеза. Скорее всего, они получали основные органические вещества в виде мономеров из источников небиологического происхождения. Вместе с тем до сих пор сохраняется альтернативное предположение, что примитивные формы жизни обладали способностью синтезировать органические соединения, необходимые для метаболизма. Принимается, что и в ранний период существования Земли окружающая среда обогащалась метаболитами примитивных организмов. Возможно, как отмечал ДЖ. Моно (Monod, 1971), появились мутантные формы, которые утратили способность к некоторым синтезам и использовали метаболиты, выделяемые другими организмами.
Одна из ярких гипотез, объясняющих происхождение такого фундаментального и решающего для судьбы биосферы свойства, как питание, и в частности аутотрофия (точнее, абиотрофия), была предложена Н. Горовицем еще в 1945 г. (Horowitz, 1945). Автор, как и другие исследователи, исходил из того, что первичные организмы были чрезвычайно примитивны и поэтому могли быть лишь гетеротрофами. Эта точка зрения, принятая уже на первых этапах развития теории происхождения жизни, сохраняет свое значение и до настоящего времени. Из этой в целом справедливой посылки Н. Горовиц сделал совершенно неожиданный вывод. Он предположил, что так как запасы абиогенно синтезированных пищевых веществ не были бесконечны, то по мере исчерпания этих запасов у организмов должно происходить увеличение спектра собственных ферментов и способности к синтезам. В связи с тем что по мере истощения пищевых ресурсов конкуренция и давление отбора по этому признаку возрастали, то преимущества получали те организмы, у которых синтез недостающего вещества или его предшественника был наиболее выражен. Автор полагал, что исходные организмы должны были иметь в окружающей их среде (нутритивном бульоне) все необходимые вещества как для энергетического обмена, так и для построения собственных структур. Так как истощение веществ в бульоне происходило постепенно, то так же постепенно развивалась способность производить недостающие вещества. Другими словами, гипотеза Н. Горовица позволяла построить картину, требовавшую постепенного, растянутого во времени усложнения организмов. Вполне возможно, что путем фузии, или слияния, протоклеток, обладающих наиболее выраженными эффективностями по разным признакам, могли возникать весьма совершенные структуры. Такой принцип, названный автором ретроградной эволюцией, является несомненно интересным и имеет значение не только для понимания жизни, но и более поздних этапов ее эволюции.
Постепенно на основе описанного принципа могли сформироваться многие метаболические цепи. При этом формирование таких цепей, как справедливо отмечает Э. Брода (Broda, 1978), могло происходить в результате включения в них ферментов, первоначально относившихся к другим цепям. Именно так образовалась система трикарбоновых кислот — метаболический цикл Кребса. По мере обеднения водной среды нутриентами по крайней мере у некоторых организмов могли сформироваться системы, позволяющие использовать в качестве источника органического материала СO2 и воду, а в качестве источника энергии свет или химическую энергию некоторых веществ.
Мы полагаем, что Н. Горовиц недостаточно обоснованно связал свой принцип с формированием в первую очередь анаболических механизмов. Первичная гетеротрофия на основе принципа использования побочных эффектов обеспечила формирование ряда катаболических механизмов. Те же системы способствовали развитию первичных пищеварительных процессов.
Итак, если предположить, что формирование жизни начиналось с предельно простых систем, как того требует логика, то следует признать, что эти системы должны использовать готовый строительный (пластический) материал. Другими словами, такие системы должны быть гетеротрофными. Самые древние организмы получали органические вещества в виде мономеров из окружающей среды и конденсировали их, преобразуя в структуры своего тела, о чем мы говорили ранее. Но в последнее время появилось довольно много сведений, что вполне возможен абиотический синтез полимеров или по крайней мере олигомеров. Это означает, что первичные организмы могли включать в состав своего тела поли- и олигомеры.
Таким образом, наиболее древними организмами (назовем их условно) были первичные гетеротрофы. Эта точка зрения согласуется с данными, касающимися происхождения жизни на Земле (см. 9.1). При благоприятных условиях уже на этой стадии развития излишки органического материала могли накапливаться в виде своеобразных депо. Возможно, эти депо не были четко дифференцированы, а представляли собой клеточные структуры, используемые при недостаточном притоке органических веществ из окружающей среды. Для мобилизации этих «протодепо» служили гидролитические ферменты, наиболее древние из всех известных (см. гл. 1). Эта точка зрения была первоначально высказана нами еще в 1961 г. (Уголев, 1961). Значительно позднее возникло питание за счет сложных полимерных веществ органического происхождения, требовавшее наличия пищеварительных процессов, которое можно было бы охарактеризовать как вторичную гетеротрофию. Ферменты, мобилизующие депо, а также некоторые другие гидролазы и явились, по-видимому, исходным материалом для формирования первичного пищеварения. Оставалось допустить, что гидролазы, первично выполняющие функцию мобилизации депо, постепенно начинали осуществлять также функцию гидролиза пищевых полимеров, находящихся в окружающей среде. Тогда гидролиз пищевых веществ, находящихся в среде, за счет поступающих туда ферментов можно было бы рассматривать как первичное внеклеточное пищеварение, гидролиз субстратов, проникающих в организм, — как первичное внутриклеточное пищеварение, а расщепление веществ, контактирующих с поверхностью примитивных живых систем, — как первичное мембранное пищеварение. В зависимости от многих обстоятельств каждый из этих типов пищеварения у определенных групп организмов мог стать доминирующим.
Итак, при всех обстоятельствах первичными были гетеротрофы, не обладающие пищеварением. Аутотрофия (абиотрофия) — вторичный, сравнительно поздно появившийся признак. Он возник тогда, когда гетеротрофные организмы разделились на организмы, поглощающие первичный бульон, и организмы, поглощающие первичные организмы. Так появилось первичное хищничество. Весьма вероятно, что в то же время сформировался и первичный сапрофитизм в виде использования погибающих организмов, особенно тех, которые подвергались аутолизу. Важно, что аутолиз усиливался в результате действия ферментов активных протохищников. Наконец, за счет систем гетеро- и абиотрофии реализовались трофические взаимодействия, благодаря которым возможно формирование динамического единства биосферы.
9.5. Структура, происхождение и эволюция круговоротов и трофических цепей
Жизнь со времени своего возникновения сформировалась как цепной процесс. Что касается трофических цепей, то, как мы упоминали ранее, они образовались «с конца», т. е. с редуцентов — организмов, которые превращали первичные абиотически синтезированные вещества в неорганические. Предполагается, что синтезы различных биологических органических веществ возникали постепенно в результате выживания организмов, приспосабливавшихся к истощению запасов все большего числа типов абиогенных органических молекул. Таким образом, постепенно в ходе эволюции происходило построение трофической цепи, начиная с редуцентов и кончая фото- и минералзависимыми абиотрофами (см. гл. 1).
Возникает вопрос, мог ли длительное время существовать мир абиотрофов без гетеротрофов, а мир гетеротрофов без абиотрофов? Очевидно, что мир гетеротрофов без абиотрофов долго существовать не мог. Даже при наличии значительных количеств органических веществ, образовавшихся абиотическим путем (например, вследствие вулканических синтезов на Земле в древние времена), эти вещества должны были бы быстро исчерпаться, а лишенные пищи гетеротрофы — погибнуть. Однако, по-видимому, абиотрофы также не могли бы существовать длительное время без гетеротрофов. Действительно, накопление органического материала должно было бы привести к истощению запасов неорганических элементов, из которых абиотрофами синтезируется органический материал, а также к заполнению ниш обитания отмершими абиотрофными организмами.