Енергетичні проблеми притаманні не лише людству, а й усьому живому. Люди лише починають переводити свій транспорт на водневе паливо, а природа вже мільярди років використовує воду як джерело енергії. 3,2 мільярда років тому вода стала джерелом життя на Землі. Співробітники кафедри фізіології мікроорганізмів біологічного факультету МДУ ім. М.Ломоносова проаналізували, як і чому це сталося й до яких наслідків привело.
Перші прокаріоти з’явилися 3,5 млрд. років тому. Їхнє життя було незавидне. Енергію вони черпали з навколишніх хімічних сполук, тому були прив’язані до їхнього джерела. Кисню не було, тому не було й озонового щита планети, який захищає її від ультрафіолетового випромінювання Сонця. Першим істотам доводилося постійно ховатися від світла, життя протікало в імлі. Ультрафіолет руйнував білки й нуклеїнові кислоти, і клітини мали гостру потребу в захисному механізмі. Від УФ-випромінювання захищають деякі білки, зокрема пігменти хлорофіл і бактеріохлорофіл. Але створений природою щит від ультрафіолету згодом був пристосований для перетворення енергії світла. Виник фотосинтез. Це був велетенський еволюційний прорив — клітини змогли використовувати невичерпні ресурси світлової енергії Сонця. При цьому було розв’язано й інші проблеми, зокрема, клітини більше не були прив’язані до певного місця проживання. Але одна проблема залишилася — нова біоенергетика мала потребу в донорах електронів.
Хоча первісна Земля була багата на відновлені сполуки заліза й сірки, вони не могли виконувати роль донора через те, що були малодоступні для клітин. Як донори електронів придатні й відновлені сполуки азоту, проте їх було мало. І тоді природа ризикнула, створивши новий організм: 3,2 млрд. років тому виникли ціанобактерії, здатні використовувати як донора електронів необмежені запаси води. Фотосинтез, у процесі якого виділяється кисень, — прогресивний крок в еволюції живого. Він постачає всю земну органіку. Але нагромаджується дедалі більше кисню, а це сильний окислювач. Ще небезпечніші продукти його відновлення, спроможні окислити будь-яку органічну сполуку живої клітини. Чим більше ставало кисню в атмосфері, тим серйознішою ставала небезпека. Виникла необхідність розробити механізми захисту від кисню. На це в розпорядженні живих істот було близько мільярда років, протягом яких кисень на Землі був присутній лише в слідових кількостях. Природа впоралася й тут і створила складні молекули, хінони й каротиноїди, а також дихання. Особлива функція дихальних систем у тому, виявляється, і полягає, аби знижувати внутрішньоклітинну концентрацію кисню.
Поява дихання змінила долю багатьох груп живих істот. Деякі бактерії так і не здобули надійний дихальний ланцюг, на їхню долю так і залишилося життя без доступу кисню. Деякі фотосинтетики після появи дихання втратили здатність до фотосинтезу. Інші (протеобактерії) стали попередниками мітохондрій, а ціанобактерії — попередниками хлоропластів. Виникли й організми, неспроможні існувати без кисню.
Природа не залишила без уваги й окисні властивості кисню, використавши його як інструмент для реалізації запрограмованої загибелі клітини. Без запрограмованої клітинної смерті (апоптозу) немислимо спороутворення в бактерій і клітинне диференціювання в багатоклітинних істот. Так шлях еволюції живого визначався тим, як це живе розв’язує свої енергетичні проблеми.