Клетка функционирует как химическая машина только благодаря ферментам – катализаторам, способных ускорять различные химические реакции без сколько-нибудь заметного «потребления» самих ферментов. При этом растущие клетки могут одновременно синтезировать тысячи разных молекул белков и нуклеиновых кислот в таких количествах, которые требуются в текущий момент. Катализируемые ферментами метаболические реакции точно отрегулированы и производят лишь столько простых молекул разных видов, сколько необходимо для сборки строго заданного числа молекул нуклеиновых кислот, белков, липидов, полисахаров нужного вида. Более того, живые клетки способны регулировать синтез собственных катализаторов – ферментов. РНК, оставаясь, прежде всего информационной молекулой, способной к репродукции, выступает в качестве катализатора. Некоторые ферменты постоянно помогают добавлять молекулы. Другие удаляют молекулы, посылают их по разным путям метаболизма. Они транспортируют молекулы через клеточные мембраны, перемещают их между разными отделами клетки. ДНК могут передавать наследственную информацию только при наличии целого комплекса конструктивных материалов и специфических белковых молекул – ферментов. Биологи подчеркивают, что каждый организм непрерывно обновляет в себе вещества. В процессах метаболизма ферменты приводят молекулы в возбужденное состояние. Только возбужденные молекулы могут вступать в те реакции, которые делают живое живым, способным к развитию и поведению. Сами ферменты и катализаторы после реакции остаются в «прежнем» виде. Они не входят в состав продуктов реакции, а после нее их количество остается прежним. В ходе реакции их структура может временно измениться ввиду образования промежуточных соединений с субстратом. Отмечают, что ферменты и катализаторы не являются инициаторами реакции. Они ускоряют только те реакции, которые могут протекать самопроизвольно, но медленно. Ферменты не сдвигают химическое равновесие в обратимых реакциях, но способствуют его более быстрому достижению.
Процесс обмена веществ (метаболизм – «кипение» в обменном котле при сравнительно низкой температуре около +37 градусов по Цельсию) осуществляется при участии ферментов – белков, способствующих протеканию биохимических реакций. В клетке растений идут четыре реакции:
ферментационная – с побочным эффектом выделения углекислого газа,
гексомонофосфатная – с выделением водорода и углекислого газа и метаболического расщепления воды в физиологическом процессе, дающем клетке необходимую ей энергию,
фотофосфорилирования – с непосредственным использованием солнечной энергии для выработки фосфатов (и пигментов – хлорофиллов),
фотосинтеза – с поглощением солнечного света для синтеза глюкозы и выделением побочного продукта – кислорода.
Фотосинтез – поглощение двуокиси углерода из воздуха и использование солнечной энергии для превращения в углероды (крахмалы, сахара) происходит при помощи хлорофилла. Схема фотосинтеза: 6 СО
2
2
2
2
Живые системы можно сравнить с хорошо налаженным фабричным производством многочисленных химических превращений. Они великолепные пространственно временные организации с весьма неравномерным распределением биохимического материала. В них одни химические реакции «плавно» протекают в слабо неравновесных условиях, другие происходят «бурно». В ферментативных реакциях, связанных с работой генетического аппарата, выявлена роль магния. Магний молекулы хлорофилла в фотосинтезе участвует в трансформации световой энергии в химический потенциал растительной клетки. Магнием активируемые ферменты обеспечивают транскрипцию, трансляцию и репликацию генетического кода. Магний стимулирует, поддерживает геометрическую структуру двойной спирали ДНК, третичной структуры Т-РНК, влияет на каталитическую реакцию активности белка. Железо в молекуле гемоглобина определяет каталитическую активность фермента при связывании кислорода. Магний и железо как части каталитической активности центра фермента поддерживают геометрическую форму центра и пространственную ориентацию молекулы субстрата по отношению к активному центру. Это определяется электронной структурой атома металла, входящего в активный центр и его связью с атомами центра своими электронными орбитами. Магний и железо воздействуют на молекулу субстрата, изменяя ее электронную структуру таким образом, что она легче вступает в ферментативную реакцию. Они связывают фермент и субстрат при образовании ими промежуточного соединения, и стабилизирует это промежуточное соединение. Металлы, «цементируя» топологию фермента, не участвуют в поглощении радиации пигментными молекулами. (272. 526, 527) Химики создают энерго стимулирующие лекарства. Они собирают наноконтейнеры – «умные» молекулы с 8 ионами магния. Молекулы переносят к сосудам сердечной мышцы весь 25 Mg, который активирует сердце, когда среда становится кислой. При норме состояния сердечной мышцы эти ионы магния «дремлют».
ХЛОРОФИЛЛ И ГЕМОГЛОБИН – ПОСРЕДНИКИ. Хлорофилл (сложные эфирдискарбиновые кислоты) по химическому составу содержат С, О, Н, N, S, Fe, Cu, Z и др. Запись структурной формулы хлорофилла занимает целую страницу и предстает головастиком с плоской квадратной головой (хлорофилли) и длиннющим хвостом. В центре головы, словно глаз циклопа или алмаз в царской короне красуется атом магния. (Если в нем атом железа, то зеленый цвет растения меняется на красный цвет.) К. Тимирязев называл хлорофилл посредником между Солнцем и жизнью на нашей планете. Зеленое зерно хлорофилла – фокус, точка в мировом пространстве, в которую с одного конца втекает энергия Солнца, а с другого конца берут начало все проявления растительной жизни на Земле. Б.М. Козр – Поляновский в 20-е годы XX века вообще предложил считать хлорофилл отдельной жизнью, состоящей в симбиозе с растениями. Хлорофилл своими пластидами врастает в клетку, причем пластиды размножаются самостоятельно, а не от клетки. Хлорофилл – незаменимый первичный преобразователь самой низкоэнтропийной в природе энергии (силы взаимодействия) красных волн Солнца в полноценную (для животных и человека) растительную пищу. Он – антенна для уловления квантов света, который влияет на все биохимические процессы в организме человека. Химическая формула гемоглобина – красного пигмента крови и переносчика кислорода – практически аналогична формуле хлорофилла. (Еще один показатель близости растений и животных.) Этим тождеством природа показывает свое единство и необходимость человеку употреблять зеленые растения (содержащие хлорофилл) для укрепления здоровья. Клетки, которые «научились» фотосинтезу, стали превращаться в растения. Клетки, оказавшиеся неспособными к фотосинтезу, стали поедать растения и превратились в клетки животных. Между двумя «царствами» – растений и животных возникали переходные звенья, обладающее свойствами обоих. Например, эвглена зеленая двигается как животное, а питается как растение. Росянка – растение, а питается насекомыми. Предполагается, что в ходе эволюции существовали многие промежуточные переходные формы живых организмов. Они в основном утрачены, а сохранившиеся недостаточно изучены. Тайна воздействия промежуточных форм на возникновение новых форм остается не раскрытой, как и их виртуальность.
БИОСФЕРНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ. Возникновение жизни – скачок в эволюции материи, естественный этап ее развития, и Землю нельзя считать единственным космическим телом, на котором зародилась жизнь. Биосфера Земли – естественный результат биохимических изменений и включает «живое вещество» организмов. Их материальные и энергические составляющие находятся в непрерывном изменении. В состав биосферы входит косное неживое вещество (вода, атмосферные газы, горные породы), живые организмы, различающееся по своему генезису и строению. Третьим элементом биосферы являются косно – живые структуры (почвы, илы, поверхностные воды). Возникает подвижное равновесие взаимообмена и взаимовоздействия всех составляющих биосферы.
Биосферная эволюция неразрывно связана с планетарными процессами на Земле. Эпигенетическая теория эволюции исходит из возможности генетической ассимиляции модификаций, вызванных изменениями среды. Жизнь клеток формировала окружающую среду и самих себя, – писал В.И. Вернадский. Анаэробы способствовали появлению первых одноклеточных организмов фотосинтезирующих сине-зеленых водорослей, благодаря метаболизму которых в атмосфере возник свободный кислород. Присутствие свободного кислорода в атмосфере сделало возможным использование его в качестве высоко эффективного акцептора электронов в аэробном метаболизме и помогало развитию сложных зукариотических организмов – аэробов. Они были вынуждены уйти в ниши, где свободный кислород отсутствует. Эта особенность последовательной организации материи фиксирует время и направление преобразований. Жизнь на нашей планете зародилась 3,7 миллиарда лет тому назад. 800 млн. т.н. возникли одноклеточные организмы. Позднее появились многоклеточные. 550 млн. лет тому назад у организмов возникли твердый покров и скелет. 300 млн. лет появились рыбы. 65 млн. лет тому назад вымерли динозавры. 8 млн. т.н. появился общий предок человека и шимпанзе. Существовали промежуточные виды организмов в «переходах» от растений к животным. Полипы – промежуточные существа между растениями и животными. Грибы имеют свойства растения и животного. Переходные звенья имеются внутри отдельных видов животных и растений.
Эволюцию растений можно представить в виде движения реки, разделившейся на многочисленные протоки, то быстрые и стремительные, то медленные, суживающиеся и исчезающие или оставляющие старицы. При этом подобно тому, как в протоках и разветвлениях настоящей реки постоянно изменяются и количество уносимой воды, и быстрота ее движения, так изменялись и формы растений великой реки жизни: одни изменялись быстро, другие, надолго оставаясь почти без изменений. Возникновению новых типов и классов животных предшествовало появление новых классов высших растений, то есть в растительном царстве происходила как бы подготовка к жизнеобеспечению нового типа животных. Или иначе: изменение растительного мира «вело» к изменениям животного мира. Биологическая эволюция связана с изменением среды обитания вида. Изменение среды в наши дни на планете происходит настолько быстро, что исчезают многие виды. Геологические и палеонтологические исследования выявили, что отдельные виды растений и животных появлялись внезапно, сохраняли свои первоначальные структуры миллионы лет и исчезали, не перейдя в «следующий» вид. Причиной их исчезновения выступали резкие изменения среды существования (вулканическая деятельность на дне океанов и на суше, оледенение, землетрясения, засухи, эпидемии и т.д.). «Исчезновение» видов происходило с сокращением интервалов времени: 650 млн., 440 млн., 380 млн., 251 млн., 210 млн., 65 млн., 35 млн. и 10 тысяч лет тому назад. Английские и американские ученые пришли к выводу, что самая масштабная катастрофа на Земле произошла 251 млн. лет назад и привела к исчезновению 90% видов животных и растений. Катастрофа поставила точку в существовании одних видов и открыла путь для жизни других. Но до сих пор на Земле существуют стабильные формы, сохранившиеся без изменений многие миллионы лет, а некоторым микроорганизмам уже 2 млрд. лет. Приходится учитывать и тот факт, что 99,9 % ранее существовавших видов вымерло, и причины имеющегося разнообразия существующих видов определяются случайностью сложных взаимодействий. Есть основания полагать, что массовая смена видов могла произойти независимо от катастроф, которые как бы совпадают со временем, когда подготовлены все стимулы для скачка эволюции. «Знаете, как бывает: очень долго вызревает революционная ситуация, складывается по внутренним причинам потребность в изменении. А потом какой-то, пусть и незначительный, факт запускает механизм преобразования. Одни вымирают, но на их место приходят другие», – считает доктор биологических наук А. Пономаренко.
Проблема возникновения жизни остается не решенной. Живой организм существует по своим биологически законам, выступает структурой, осваивающей внешний мир, вступает в разнообразные взаимодействия с ним и другими организмами. Процесс органической эволюции предстает как: а) синтез органических соединений, б) синтез полимеров, в) развитие каталических функций у прабелковых и белковых молекул, г) самосборка микромолекул и образование мембран, д) организация и функционирование прокариотов, е) развитие эукариотов, ж) функционирование многоклеточных организмов, з) эволюция функций животных, и) антропосоциогенез. Жизнь определяют как прохождение моментов изменения состояний организмов: рождение, созревание, размножение, смерть. Выделяют внутренние свойства, качественные отличия (обмен веществ, идущих на физическом, химическом, механическом основании), выявляют генетические свойства наследственности (сохранение и передача сообщений, записанных в хромосомах «химическим алфавитом»).
ЧТО ОПРЕДЕЛЯЛО ХОД ЭВОЛЮЦИИ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ?
К 1859 году с появлением книги Ч. Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора или Сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь» идеи эволюции оказались в центре внимания ученых и общественности. Дарвин рассматривал влияние окружающей среды на изменения организма, считал, что в основе биологического развития лежат случайные наследуемые вариации, постоянно проявляющиеся у отдельных особей и выступающие источником изменения вида. В книгах Дарвина нет гипотезы возникновения флоры и фауны на планете Земля, нет анализа эволюционных изменений организмов.
Изменение видов зависит от воздействия изменяющейся среды обитания на организмы и им, чтобы выжить приходится приспосабливаться к новым условиям. Ныне обнаружено, что приспособляемость видов эволюционирует. Происходит эволюция всей экосистемы, но не раскрыты причины и ход процесса возникновения нового, не бывшего ранее вида. Не выявлена созидающая сила вида, который обращает себе на пользу изменившиеся внешние обстоятельства существования.
МУТАЦИИ. Акт мутации – случайные изменения в ДНК, разрыв фрагментов хромосомы под воздействием неизвестных факторов. Возможно, в число таких факторов входит влияние неизвестного вида излучения, рассеянных пучков энергии в Галактике, вспышек сверхновых или подземного радиоционного всплеска. Мутация – разрушение какой-либо генной «линии» вида. С самого начала эволюции белков цистин в хороводах замен аминокислот накапливался, а пролин терялся. Аминокислоты, появившиеся в генетическом коде первыми, сейчас теряются, а те, которые появились позднее, сохраняются.