Біогеохімічні цикли

Напевно, всі чули про кругообігу речовин в природі, тобто про систему біохімічних циклів Землі. Вона представлена на малюнку

Основний цикл - це цикл вуглецю. Цифрами показано розподіл речовини по Землі Всі величини дані в 1018 р. Двоокис вуглецю СО2, наприклад, розподілена між атмосферою й океаном. Кисень - переважно газоподібний в атмосфері, хоча входить до складу багатьох речовин. Сірка розподілена між океаном і земними породами.

На основі яких даних можна спробувати відновити, якою була атмосфера, які йшли в ній процеси в далекому минулому? На основі вивчення осадових порід. Поява життя відзначають по зміні ізотопного складу цих порід, найбільш древні сліди життя-3,8 млрд. років тому - знайдені в породах Гренландії, і вважається, що з цього моменту на планеті існує життя. Вивчення порід показує, що до 2 млрд. років тому в них присутня недоокислені залізо (не трьох, а двовалентне). Отже, вільного кисню в атмосфері в той період не було, інакше все залізо було б окислені повністю. Є й інші вказівки на склад атмосфери, логіка міркувань приблизно така же.

2 млрд. років тому з'явився кисень. І раніше в безкисневому атмосфері були окремі кисневі кишені (кисень - токсична речовина, яка може все оксиди, зруйнувати анаеробну клітку, яка не може жити при кисні, а тоді більшість клітин було анаеробами). Деякі бактерії «навчилися» робити для себе безпечним кисень, вони називаються аеротолерантнимі, у них з'явилися ферменти, що захищають клітину від руйнівного дії кисню. Потім з'явилися бактерії, які «навчилися» його використовувати. Потім атмосфера стала кисневої в результаті кисневого фотосинтезу, і тепер є тільки окремі безкисневі місця. Глибоководні бактерії або бактерії, що живуть в вулканічних джерелах - анаероби, частина з яких представляє, мабуть, релікти стародавнього світу.

Основний вуглецевий цикл дуже простий, ви його вже знаєте. У процесі фотосинтезу з вуглекислого газу і води утворюється вуглеводи (глюкози, наприклад) і кисень. Потім відбувається деструкція - зворотна реакція, руйнування органічних речовин, коли в результаті окислення поживних речовин в організмі утворюється вода і двоокис вуглецю. Причому при фотосинтезі енергія світла витрачається на утворення вуглеводів, а при деструкції ця енергія виділяється і організм використовує її для своїх потреб. Це і є цикл вуглецю. Якщо подивитися на схему, то можна побачити, що він незамкнутий. Вуглець весь час вилучається, до частини живих організмів йде в осадові породи, при цьому кисень залишається в надлишку. Якщо його не прибирати, то його стане дуже багато, може зупинитися вуглецевий цикл. Що відбувається з цим надлишковим киснем? Він йде ( "стікає") на окислення сірки і заліза, тобто з вуглецевим циклом пов'язаний цикл заліза й сірки. Таким же чином пов'язані цикли інших речовин. Для кожного з цих процесів існує група мікроорганізмів, бактерій, які займаються підтримкою цього кругообігу, і за рахунок цього отримують енергію. Різноманітність метаболізму бактерій таке, що вони здатні каталізувати проходження всіх біогеохімічних циклів на Землі. Підкреслимо, що наша біосфера вбудована в цикл геохімічних процесів.

В Як джерела енергії бактерії можуть використовувати найрізноманітніші з'єднання. Частина бактерій, які використовують кисень, називаються аеробами, ті хто не використовують кисень - анаероби. Ті, хто здатний обійтися без органічних речовин називаються автотрофи. Ті, кому потрібні органічні речовини - гетеротрофи.

Як вже було сказано, в давнину міг існувати тільки анаеробний фотосинтез, а саме на його основі міг вийти кисневий, тому що якщо світла на Землі достатньо, то лімітуючим буде не звільненням кисню СО2, а Н2S. Тобто якщо замість сірководню використовувати воду, то енергії можна отримати незмірно більше, оскільки води на Землі набагато більше, ніж сірководню. Мабуть, це і сталося з появою кисневого фотосинтезу, то є бактерії, які стали використовувати воду, отримали велику перевагу. Правда, при цьому в якості побічного продукту виділявся кисень, і його накопичення було справжньою екологічною катастрофою для давньої біосфери.

В вуглецевому циклі фотосинтетичну функцію виконують найпростіші бактерії і вищі рослини. Деструкцію також виконують деякі бактерії, гриби, невеликий внесок роблять тварини. Останнім часом, дуже недавнє в еволюційному масштабі людина почала повертати ту частину вуглецю, яка пішла з кругообігу, назад у атмосферу. Коли людина спалює кам'яне вугілля, він може зробити те, що не може зробити жодна бактерія, тобто без допомоги людини кам'яне вугілля лежав би інертний, виключений з кругообігу. Правда, при цьому людина встигає внести значну плутанину в біосферні процеси, забруднюючи атмосферу речовинами, до яких вона не пристосована. Хоча бактерії дуже пластичні. Є бактерії, що живляться нафтою, тобто бактерій можна використовувати для видалення деяких забруднень і в морі, і в грунті, але й вони можуть не впоратися з антропогенними забрудненнями.

Загальна схема відносин між різними типами бактерій представлена на схемі:

Ми вже говорили про те, що клітина являє собою систему метаболічних циклів. Біосфера являє собою систему геобіохіміческіх циклів. Якщо в клітці кожен метаболічний процес контролюють ферменти, то в біосфері такі метаболічні цикли планети контролюються групами бактерій певних видів. Тобто бактерії каталізують метаболізм в планетарному масштабі. У цю систему можна включати не тільки бактерії, але й інші організми. Однак деякі процеси (фіксація азоту, метаболізм заліза і сірки) здійснюються тільки бактеріями.

На малюнку представлений цикл Кребса (цикл трикарбонових кислот):

Цей цикл названий на ім'я вченого, що його описав. У цикл Кребса надходять живильні речовини, потім вони піддаються циклічним перетворенню, йде поетапне окислення молекул, в результаті чого на певних етапах енергія витрачається на синтез АТФ.

Реакції цикл Кребса можна розділити на дві половини, кожна з яких існує незалежно в клітинах від циклу Кребса. Тобто ланцюг реакцій, що становить праву половину (див. малюнок) циклу Кребса, і ланцюг реакцій, відповідна лівої половині циклу. Правда, у лівій половині напрямки реакцій не такі, як на попередньої схеми, тобто це два ланцюги реакцій, що не утворюють цикл. Але якщо запустити ліву частину у зворотний бік (а це цілком можливо, так як усі ферменти можуть проводити як прямі, так і зворотні реакції) і з'єднати отриману ланцюг всього однієї реакцією (на малюнку вона вказана пунктирною стрілкою), то вийде високоефективний цикл Кребса.

Можливо, саме таким чином виник цей цикл - при об'єднанні двох незалежно виникли ланцюгів реакцій. Поки це лише гіпотеза, але зараз існують методи, дозволяють її перевірити. Можна проаналізувати походження ферментів, що ведуть цей цикл, і знайти такі докази, зокрема, вивчаючи послідовності ДНК, які кодують ці ферменти.

Цей приклад ілюструє ідею блокової еволюції, тобто ускладнення організації живих систем шляхом об'єднання блоків, сформованих на попередньому етапі еволюції.

Ми говорили про РНК-світі, тобто про світ, в якому вже існують складні біологічні процеси. Тепер звернемося до питання про походження життя.

В 1862 Луї Пастер отримав премію Французької академії наук за те, що довів неможливість самозародження життя. Суть його досвіду: в колбі із зігнутою трубкою, такий, що повітря міг у неї проходити, але пил і мікроорганізми з повітря потрапити не могли, знаходився прокип'ячений сенний настій. Протягом декількох тижнів він стояв абсолютно прозорий. Як тільки колбу нахилили (крізь трубку в колбу потрапили мікроорганізми) - настій заграє. Висновок - живе тільки від живого.

Це було великим відкриттям, тому що в той час були поширені погляди, що самозародження можливо (наприклад, вважалося, що мухи зароджуються в гниючому м'ясі і т.п.). Після дослідів Пастера панували погляди, що все живе відбувається тільки з живого, і утворення живого з неживого неможливо.

Ідея про те, що життя виникло абіогенним шляхом, тобто з неживої матерії, була сформульована в 20-х роках минулого століття А.І. Опаріним і Дж. Голдейн майже одночасно і незалежно. Вони вважали, що амінокислоти, нуклеотиди та інші молекули, що складають основу життя, могли виникнути абіогенного, в силу тих умов, які існували тоді на Землі. Концепція абіогенез зараз в науковій середовищі вважається прийнятою більшістю вчених, хоча існують і інші уявлення про походження життя. Наприклад, гіпотеза про те, що суперечки першими що з'явилися на Землі організмів були занесені з Космосу. Проте це не знімає питання про походження життя, просто переносить початкові події в інше, невідоме місце. У вивченні походження життя найбільш перспективним представляється поєднання підходів, що враховують фізичні, геохімічні та молекулярні процеси в атмосфері молодої Землі.

Таким чином, вам були представлені деякі елементи в ланцюзі подій, які могли б призвести до появи життя на Землі, до еволюції метаболічних циклів і появи клітини.

Список літератури

Г. А. Заварзін. Становлення біосфери. Вісник РАН. 2001, № 11.

Ю.В. Чайковський. Еволюція. М. Центр системних досліджень, 2003. (Детальна огляд історії еволюційних навчань і сучасного стану. Ряд положень розглядається з позицій концепції номогенеза.)

К.Ю. Єськов Історія Землі і життя на ній. Навчальний посібник для старших класів. М. Миросю, 2000.

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://bio.fizteh.ru