Тіршілік эволюциясы

VІ. ТІРШІЛІК  ЭВОЛЮЦИЯСЫ

4.1. Тіршілік  эволюциясы

Тіршілік өзі қалай  дамыды? Тірі затты құрайтын элементтер бір-бірімен қалай бірікті? Қазіргі  таңда бұл сұрақтар бойынша дәйекті  жорамал құруға мүмкіндік беретін  мәлімет көп және жеткілікті. Тіршіліктің  пайда болуы жайлы теорияны Пфлюгер, Дж. Холдейн және Р. Бейтнер ұсынды. Бірақ толық түрде бұл теория биохимик, академик А.И.Опариннің 1924 жылы жазылған “Тіршіліктің пайда болуы” деген еңбегінде қарастырылды. Бұл теория бойынша тіршіліктің пайда болуы – Жердегі ұзақ эволюцияның - алдымен атмогидросферадағы химиялық, одан кейін биологиялық эволюциялардың нәтижесі. Бұл концепция қазіргі кезде ғылыми ортада ең танымал. Сондай - ақ көрсетілген тұжырым ғалымдардың басым көпшілігімен мақұлданған.

Жер бетіндегі тіршілік жоғары саналы жануарлар, қарапайым жалғыз клеткалы организмдерден бастап, түрлі вирустар болып табылатын жалғыз белокты молекулалардан құралған нысандардан құралған. Вирустар инертті кристалдық нысанда немесе қозғалмалы жағдайда өмір сүреді. Белоктық молекуланың өзі болса, оларға қарағанда қарапайым  бөліктерден – бір-бірімен түрлі химиялық байланыстар арқылы байланысып, амин қышқылдарын құрайтын көміртегінің, сутегінің, азоттың, оттегінің, қосылыстарынан тұрады.

1953 жылы С.Л.Миллер  мен Г.К. Юри деген америкалық ғалымдар Опариннің теориясы негізінде жасанды атмосферамен бірінші болып тәжірибе жасады. Олар Жердің алғашқы атмогидросферасының құрамында болған сутегі (H₂), метан (CH₄), аммиак (NH₃) пен су буының (Н₂О)  қоспасынан амин қышқылын алды. Газдардың бұл құрамы вулкан газдарының құрамдарына толық сәйкес келетіндігі белгілі. Газдардың осы қоспасына күшті электр тоғы беріліп, содан соң конденсациялады. Алынған сұйықтың құрамынан амин қышқылдары, түрлі көмірсутегілер мен тірі материяға тән компоненттер табылды. Басты  факторлардың бірі тотығу - қалпына келу үрдістері белсенді жүруіне мүмкіндік беретін бос оттегінің болмауы және энергияның  жеткілікті мөлшері еді.

Осындай тәжірибелерді  ҚСРО мен Жапонияның ғалымдары да қайталады. Нәтижесінде Жердің алғашқы атмосферасында амин қышқылдарының синтезделуінің мүмкін болғандығы дәлелденді. Бастапқы газдардың түрлі вариациялары мен энергияның көздері синтезделу реакцияларының нәтижесінде түзілген өнімдердің арасында көптеген табиғи амин қышқылдары –лейцин, изолейцин, серин, треонин, аспарагин, лизин, фенилаланин, және тирозин табылды. Синтезделіп алынған амин қышқылдарының ішінде қазіргі кездегі тіршілік иелерінің құрамына кірмейтін түрлері де болды.

Жоғары молекулалы қосылыстарды құрайтын мономерлердің синтезделу реакцияларына қажетті энергия көздері болып электр разрядтары табылуы мүмкін. Қазіргі кезде Жерде әрбір секунд сайын мыңнан аса найзағай жарқылы байқалады. Әлі толық суынып бітпеген Жерді  қоршап тұрған бу секілді алғашқы гидроатмосферада мұндай найзағай жарқылдары қазіргі кездегіден әлдеқайда көп болған болуы да мүмкін. Бұл кездегі энергия алғашқы мұхиттың үстінде бөлініп, синтезделу өнімдерінің суда еріп кету ықтималдылығы жоғары.

Бізді қоршаған тіршіліктің  барлық түрлері небәрі азғана  мономерлер блогынан (төменгі молекулалы қосылыстар) тұрады. Ол 20 амин қышқылдарынан (белок молекулаларын құрайтын), 5 азотты қосылыстардан (нуклеин қышқылдарының құрамдас бөліктері), энергияның қайнар көзі - глюкозадан, клетка мембраналарын құрайтын құрылыс материалы және энергия сақтаушы- майлардан тұрады. Кез келген тірі организмнің биохимиялық құрылысын небәрі 29 мономер сипаттайды.

Көміртекті қосылыстар “бастапқы сорпа” түзгеннен кейін, биополимерлер – өздерін - өздері көбейту қасиеттері бар белоктар мен нуклеин қышқылдарының түзілу мүмкіндігі пайда болды. Биополимерлер түзілуге қажетті концентрациялы заттар Күн сәулесімен қыздырылған сулардағы минералдық бөлшектерде, мысалы, саз немесе темір гидрооксидтеріне шөккен органикалық заттар есебінен пайда болуы мүмкін. Сонымен қатар, органикалық заттар мұхит бетінде жұқа пленка түзіп, олар жел мен толқын арқылы жағалауларға жинақталуы ықтимал.

Заттардың концентрациялануы  коацерваттық, яғни қоршаған ортамен  диффузиялық түрдегі зат алмасу арқылы байланысатын құрылымдарды, тамшыларды түзуі мүмкін. Коацерваттық тамшыларды лабораториялық жағдайда да алуға болады. Мысалға Опарин әртүрлі полимерлерден осындай тамшыларды алған. Коацерваттық тамшылар ұқсас қосылыстарға өзінен өзі бөлінеді. Бұл қосылыстар белгілі бір массаға жеткенге дейін ғана өмір сүре алады. Массаның көбейуі  және қарапайым реакцияларды катализациялауға деген мүмкіндігі, полимерлерге тән болып келетін суспензиялар мен микросфераны бөліп тұратын шекараның нығаюына әсер етеді.   

Органикалық заттарды құрайтын негізгі химиялық элементтер жоғарыда айтылып кеткендей, көміртегі, оттегі, сутегі және азот болып табылады. Яғни олар гидроатмосфераның бастапқы құрамындағы химиялық элементтер. Осы төрт элемент органикалық заттардың 99% құрайды. Осылармен қоса органикалық заттардың құрамына күкірт, фосфор және аздаған мөлшерлерде жиырмаға жуық элементтер кіреді. Болжанып отырғандай, осы  ондаған элемент белок -  полимерлердің құрамына кіріп, бастапқы мұхиттың  жағалауларында органикалық заттардың жиналуы кезінде биологиялық реакциялардың катализаторы болған. Бұл құрамдас элементтер қосылыстардың көптеген түрін құрайды.

Сандық мөлшермен алғанда  биотаның құрамына кіретін химиялық элементтердің жалпы құрамы теңіз  суының құрамына жақын. Биотаның құрамында  тек тірі жәндікке ғана тән бір  де бір элемент жоқ, сондай – ақ бейорганикалық  материяда кездеспейтінде бір де бір элемент жоқ. Биотаның құрамындағы заттардың химиялық құрылысы гидросфера, атмосфера және литосфераның жоғарғы қабатының химиялық құрамынан сұрыптау мен негізгі компоненттерді ұйымдастыру бойынша өзгешеленеді. Қазіргі кездегі белок молекулаларын құрайтын 20 амин қышқылдары миллиондаған жылдар бойы эволюция процесінің барысында сұрыпталып, қалдырылған. Басқа амин қышқылдарының жиынтықтарының кодтары жойылып, оларға сәйкес эволюциялық линиялар бірте-бірте жойылып кеткен.

“Тіршіліктің басы қашан  басталады”, деген сұраққа жауап  беру үшін, “тіршілік дегеніміз  не” деген сұраққа жауап беруіміз керек. Тіршілік дегеніміз - “кез келген организмнің өзінің орнына ұрпақ  қалдыру, өзгеру және осы өзгерістерді қайта өндіру қасиеті” дегеніміз дұрыс болар. Бұл қасиеттер энергия мен информация беруді жүзеге асырады. Органикалық заттардың молекулалары органикалық емес заттарға қарағанда ірілеу және күрделірек, сондықтан олар түрлі өзгерістерге тез ұшырай алады. здіксіз өзгерістер мен осы өзгерістердің сақталып, жаңарып отыруы Жердегі тіршіліктің ерекше қасиеті болып табылады. Органикалық емес заттар болса өздерін - өздері қайта жасай алмайды.

Геологиялық жыныстардан  табылған қазба қалдықтар осыдан 3.3 млрд жыл бұрын теңіздерде қарапайым өсімдіктер – көк-жасыл балдырлардың болғандығын көрсетіп отыр. Жердің базальтты литосферасының жасы 4.5 млрд жыл деп саналады. Сол кездерде де  жоғарыда айтылғандай құрамында оттегі жоқ алғашқы атмогидросфера қалыптаса бастаған.

Басқа сөзбен айтқанда, бір  клеткалы ядросыз организмдер пайда  болғанға дейін 1 млрд жылдай үзіліс болған. Пайда болған алғашқы мұхит органикалық  қосылыстардың химиялық реакциялары  жүретін және тіршіліктің химиялық эволюциясы үшін қажетті тамаша орта болды. Оның үстіне, бос оттегі мен озон қабаты болмағандықтан Күннің ультракүлгін сәулелері құрлық пен мұхит беттеріне жақсы түсті. Бұл сәулелер мен найзағай жарқылдарынан алғашқы атмогидросферада аминқышқылдарының түзілуіне қажетті энергия бөлінді, ал үздіксіз түзілген аминқышқылдары алғашқы мұхитты “сорпаға”айналдырды. Түзілген амин қышқылдарының молекулалары бір-бірімен соғылысып, қосылып белок молекулаларын, ал олар одан да күрделі көмірсутектерді түзді. Дәл осылай химиялық эволюция биохимиялық эволюцияға ұласты деп жорамалдануда.

Ғалымдардың басым көпшілігі  белок молекулаларының түзілуінің себебі алғашқы мұхиттағы амин қышқылдарының  “кездейсоқ” соқтығысулары деп  есептейді. Бұл жерде “кездейсоқ”  деген сөзді “ықтималдылығы өте  төмен” немесе “тіпті мүмкін емес” деген мағынада қарастырмау қажет. Алғашқы атмосферада амин қышқылдарының түзілуіне жеткілікті концентрациясының қалыптасуы жайлы сөз қозғағанда, бұл процесті статистикалық заңдылық ретінде қарастыруымыз қажет. Кез келген кездейсоқ жағдай, ықтималдылығы қандай да төмен болғанның өзінде, оның болу мүмкіндігі әрекеттер көбейген сайын артады. Егер белгілі бір құбылыстың орын алуының ықтималдылығы бір тәжірибеде 1000-ның 1 болса, 1000000 тәжірибеде ықтималдылық 9999 ға тең. Сондықтан алғашқы мұхиттың амин қышқылдарының қоспасынан тұратын “сорпа” болғандығын қарастырсақ, онда олардан белок молекулаларының түзілуі кездейсоқтық емес, тіпті заңдылық деп қарастыру қажет. Ал егер бұған 1 млрд жылдан асатын уақыт мерзімін қоссақ, Жердің пайда болғанынан бастап организмдердің палеонтологиялық қалдықтары табылғанға дейін амин қышқылдарынан белок молекуларларының түзілу мүмкіндігін болжау  аса қиын

Белок молекулалары  оттегісіз  ортада бір-бірімен қосылып, күрделеніп, прокариоттар деп аталатын алғашқы  тірі бір клеткалы ядросыз организмдерді түзді. Алайда, ең маңыздысы ферментация процесі пайда болуы болды. Қазіргі кезде біз бақылап отырған ферментация үрдісі, оттегісіз ортада өмір сүретін қарапайым ағзаларда жүреді.Ферментация кезінде көмірсутегілер бөлініп, қайта құралады. Бұл кезде жылу түрінде аздаған энергия бөлінеді, осы реакция кезінде пайда болатын өнімдердің бірі – көмірқышқыл газы болып саналады.

Осы көмірқышқыл газы ферментация не басқа химиялық реакциялар нәтижесінде түзілген жоқ па?

Алғашқы мұхиттағы заттарға қосылған көмірқышқыл газы организмдердің тіршілік ету ортасына жаңа қасиеттер беруі мүмкін.

Фотосинтез процесіне  де мүмкіндік беруі мүмкін. Барлық жасыл өсімдіктерге тән бұл үрдіс  су, көмірқышқыл газы мен өсімдіктер сіңірген күн сәулесінің энергиясынан түрлі органикалық қосылыстар түзеді. Алайда алғашқы фотосинтездеуші организмдер қазіргі кезде жер бетінде тіршілік ететін, шын мәнінде балдырлар емес, бактериялар болып саналатын көк-жасыл балдырлар сияқты болса керек. Дәл қазір Жерде олардың ролі айтарлықтай емес, ал ол кезде Жерде тек сол балдырлар мен оларға жақын организмдер көптеп тіршілік еткен. Біртіндеп олар фотосинтез процесінің нәтижесінде қоршаған ортаға бос оттегіні бөліп, өздерінің тіршілік ортасын өздерінен басқа тірі организмдердің пайда болып, тіршілік етуіне жағдай жасаған. Осы жаңа жағдайларда, бос оттегі пайда болған соң тыныс алу процесі мүмкін болды.

Қазіргі кездегі тіршілік ететін тірі организмдердің негізгі  топтарының пайда болуына себеп  болған процестердің теориялық реттілігі

      Осылайша, биотаның түзілуі химиялық процестердің кейіннен биохимиялық процестерге айналғанынан басталады. Бұл процестердің реттілігін схема түрінде төмендегіше беруге болады: амин қышқылдары ® белок молекулалары ® күрделі көмірсулар ® ферментация ® фотосинтез ® тыныс алу. Тыныс алу – фотосинтезге кері үрдіс – оның нәтижесінде өсімдіктерге қажетті көмірқышқыл газы бөлініп қана қоймайды, сонымен қатар өте көп мөлшерде энергия бөлінеді.

4.2 Тіршілік нысандарының эволюциясы

Химиялық эволюция ерте кезеңдерінде-ақ түрлі өзгерістерге ұшырап алдымен биохимиялық, кейін биологиялық эволюцияға айналды. Жер бетіндегі қазіргі тіршілік оттекті атмосферадан түзіле алмаған болар еді. Пайда болған тіршілік үздіксіз эволюция процесін басынан өткізген және өткізуде. Биологиялық эволюция ең алғашқы организмдер алғаш рет өздерін өздері жасай алған кезден басталды. Жерде тіршіліктің басталуы белок молекулаларын жасай алатын нуклеин қышқылдарының түзілуінен басталды.

Биохимиялық эволюция теориясын  төмендегі схема бойынша беруге болады. Коацерваттар мен органикалық заттардың түйіртпектерінің шекарасында күрделі көмірсутектер молекулалары орын алды, нәтижесінде коацерваттардың тұрақтылығын қамтамасыз ететін қарапайым клеткалық мембрана пайда болды. Коацерватқа өздігінен көбейе алатын молекуланың енуі нәтижесінде өсу процесіне қабілетті қарапайым клетка түзілген болуы керек.

Ядросыз клетканың (прокариоттардың) эволюциясы 1 млрд тан астам жылға созылды. Алғашқы бір клеткалы ядросыз, бірақ ДНК жіпшелері бар организмдер қазіргі бактериялар мен көк-жасыл балдырларды еске түсіреді. Бұл ең ертедегі организмдердің жасы 3.3 млрд жылдан асады.

Келесі кезеңде (шамамен  бұдан 2 млрд. жыл бұрын) клеткада ядро пайда болады. Бұл бір клеткалы ядросы бар организмдер эукариоттар деп аталады. Қазіргі кезде олардың 25-30 мыңдай түрлері бар.

Шамамен 1 млрд пен 2 млрд жыл арасында биологиялық эволюция жыныстық көбею процесінің пайда  болуына байланысты тез қарқынмен  дамыды. Осыған байланысты организмдердің оларды қоршаған ортаға бейімделу мүмкіндіктері  ұлғайды.

1 млрд жыл бұрын  алғашқы көп клеткалы организмдер  пайда болып, барлық тірі организмдер  екі патшалыққа бөлінді- өсімдіктер  және жануарлар. 

Олар: 1) клетка құрылысы мен өсуге қабілеті;  2) қоректену  типі; 3) қозғалуға қабілеттілігі  бойынша үш топқа бөлінді.

Патшалыққа бір ғана белгісі бойынша емес, бірнеше  ерекшеліктері бойынша бөлінді. Мысалы, кораллдар, моллюскалар мен  өзен губкасы қозғалмай тіршілік ететіндер, дегенмен де олар жануарларға  жатқызылды. Насеком қоректі өсімдіктер қоректену типі бойынша жануарларға жатады. Сонымен бірге ауыспалы типтер де бар, мысалы, жасыл эвглена өсімдік сияқты қоректенеді, ал қозғалуы жануарлар сияқты.

1 млрд жыл бұрын  көп клеткалы өсімдіктердің пайда  болуы фотосинтез процесінің  күрт қарқындауына әкеліп, мұхиттағы  балдырлар өздерін қоршаған ортаға млн-даған тонна оттегі бөліп, Жердің атмосферасының озон қабатын түзіп, құрлық пен  сулы ортаны тіршіліктің бұдан гөрі жетілген формаларының эволюциясына дайындай бастады.