Энергетические проблемы

Энергетические проблемы свойственны не только человечеству, но и всему живому. Люди только начинают переводить свой транспорт на водородное топливо, а природа уже миллиарды лет использует воду как источник энергии. 3,2 миллиарда лет назад вода стала источником жизни на Земле. Сотрудники кафедры физиологии микроорганизмов биологического факультета МГУ им. М.Ломоносова проанализировали, как и почему это случилось и к каким последствиям привело.

Первые прокариоты появились 3,5 млрд. лет назад. Жизнь их была незавидна. Энергию они черпали из окружающих химических соединений, поэтому были привязаны к их источнику. Кислорода не было, поэтому не было и озонового щита планеты, укрывающего ее от ультрафиолетового излучения Солнца. Первым существам приходилось постоянно прятаться от света, жизнь протекала во мгле. Ультрафиолет разрушал белки и нуклеиновые кислоты, и клетки остро нуждались в защитном механизме. От УФ-излучения защищают некоторые белки, в том числе пигменты хлорофилл и бактериохлорофилл. Но созданный природой щит от ультрафиолета впоследствии был приспособлен для преобразования энергии света. Возник фотосинтез. Это был гигантский эволюционный прорыв — клетки смогли использовать неиссякаемые ресурсы световой энергии Солнца. При этом были решены и другие проблемы, в частности, клетки больше не были привязаны к определенному месту обитания. Но одна проблема осталась — новая биоэнергетика нуждалась в донорах электронов.

Хотя первобытная Земля была богата восстановленными соединениями железа и серы, они не могли выполнять роль донора из-за того, что были малодоступны для клеток. В качестве доноров электронов пригодны и восстановленные соединения азота, однако их было мало. И тогда природа рискнула, создав новый организм: 3,2 млрд. лет назад возникли цианобактерии, способные использовать в качестве донора электронов неограниченные запасы воды. Фотосинтез, в процессе которого выделяется кислород, — прогрессивный шаг в эволюции живого. Он поставляет всю земную органику. Но накапливается все больше кислорода, а это сильный окислитель. Еще опаснее продукты его восстановления, способные окислить любое органическое соединение живой клетки. Чем больше становилось кислорода в атмосфере, тем серьезнее становилась опасность. Необходимо было разработать механизмы защиты от кислорода. На это в распоряжении живых существ было около миллиарда лет, в течение которых кислород на Земле присутствовал только в следовых количествах. Природа справилась и тут, и создала сложные молекулы, хиноны и каротиноиды, а также дыхание. Особая функция дыхательных систем в том, оказывается, и состоит, чтобы снижать внутриклеточную концентрацию кислорода.

Появление дыхания изменило судьбу многих групп живых существ. Некоторые бактерии так и не обрели надежной дыхательной цепи, их уделом так и осталась жизнь без доступа кислорода. Некоторые фотосинтетики после появления дыхания утратили способность к фотосинтезу. Другие (протеобактерии) стали предшественниками митохондрий, а цианобактерии — предшественниками хлоропластов. Возникли и организмы, не способные существовать без кислорода.

Природа не оставила без внимания и окислительные свойства кислорода, использовав его в качестве инструмента для реализации запрограммированной гибели клетки. Без программируемой клеточной смерти (апоптоза) немыслимо спорообразование у бактерий и клеточная дифференцировка у многоклеточных существ. Так путь эволюции живого определялся тем, как это живое решает свои энергетические проблемы.