ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2007, том 77, № 11, с. 999-1010
ТОЧКА ЗРЕНИЯ
Одной из ключевых проблем естествознания остаётся происхождение и эволюция жизни, анализ роли неорганических факторов среды в её возникновении и развитии. В публикуемой ниже статье обосновано предположение, что первые формы жизни - протоклетки - возникли не в "натриевом" море, как обычно считают, а в "калиевых" водных бассейнах. Позднее протоклетки с калиевой цитоплазмой адаптировались к внешней "натриевой" водной среде. Роль натрия в эволюции животных - стержневой вопрос статьи.
ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ЖИВОТНЫХ: НАТРИЙ - КЛЮЧ К РАЗРЕШЕНИЮ ПРОТИВОРЕЧИЙ
Ю. В. Наточин
"Неразрешимый узел жизни: плоть,
Пронзённая дыханьем и биеньем.
Планета стыла.
Жизнь разгоралась.
Наш пращур, что из охлаждённых вод
Свой рыбий остов выволок на землю,
В себе унёс весь древний Океан
С дыханием приливов и отливов,
С первичной теплотой и солью вод -
Живую кровь, струящуюся в жилах" [1, с. 204].
Эти строки из поэмы Максимилиана Волошина опубликованы раньше, чем были получены данные экспериментальных исследований о возникновении жизни в море. Поэма написана в первые десятилетия XX в., её автор удивительно точен в изложении естественно-научных проблем. Обсуждение каждой из строк поэмы позволяет не только дать ответ в строгих терминах и фактах гипотетических шагов эволюции жизни, но и обсудить то, что, казалось бы, зашифровано в первых строках у Волошина - "Планета стыла. / Жизнь разгоралась" - и без чего не могла появиться жизнь.
Как зарождался интуитивный портрет былого?
При чтении Ветхого Завета поражает соответствие дней творения данным исследований макро-
НАТОЧИН Юрий Викторович - академик, советник РАН.
эволюции позвоночных. Речь идёт о поэтическом образе последовательности событий, а не о строгости цифр, дат, структур. В то время, когда появилась Книга Бытия, не было ни данных палеонтологии, ни первичных данных, которые позволили бы проникнуть взором в далёкое былое. Ссылка на Ветхий Завет - отнюдь не дань моде и возродившимся в наши дни антидарвиновским судебным разбирательствам, а попытка проникнуть в глубины сознания, природу интуитивных образов, имеющих невидимую и неосознанную основу. Но понять её в глубинах сознания тех, о ком шла речь, уже не дано. В первой главе Книги Бытия перечислена последовательность творения: сотворил Бог рыб, пресмыкающихся, всякую птицу пернатую; живые существа наполняли воду в морях, птицы, скоты, гады и звери - землю. Речь идёт не об одномоментном появлении разных групп живых существ, а о развитии во времени и в последовательности, знакомой нам по строго документированным источникам.
ОТ ПОЭТИЧЕСКИХ ОБРАЗОВ К КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ИНТЕРПРЕТАЦИИ
Поэтический образ эволюции жизни, созданный Волошиным, весьма близок тому, что изложено в специальной литературе, монографиях и руководствах, посвящённых происхождению и эволюции жизни на Земле. Рассмотрим несколько работ.
Один из ведущих исследователей этой проблемы, сменивший в 1958 г. академика Л.А. Орбели после его кончины на посту директора Института эволюционной физиологии им. И.М. Сеченова АН СССР, А.Г. Гинецинский писал: "В настоящее время никто не сомневается в том, что жизнь возникла в воде океана палеозойской эры, содержащей определённые соотношения одновалентных и двухвалентных катионов, которые с пол-
ным основанием могут быть названы биологическими. У примитивных прототипов животного мира, так же как и у современных кишечнополостных, морская вода является одновременно и внешней, и внутренней средой организма. При этих условиях и произошла адаптация клеток к пропорции ионов, свойственной воде древних морей" [2, с. 9]. Таких же взглядов придерживается Л. Проссер, автор многотомной "Сравнительной физиологии животных": "Жизнь зародилась в море. Как показывают данные геохимии, ионный состав морской воды не претерпел существенных изменений с раннекембрийского периода, хотя её общая солёность, по-видимому, несколько возросла" [3, с. 177]. Эту мысль развивает и С.Э. Шноль: "Жизнь возникла в море. Химический состав морской воды определён составом земной коры, физическими и химическими свойствами её компонент, а следовательно, химическим составом планеты. Высокая вероятность возникновения жизни именно в море подчёркивалась почти всеми. Мне также кажется это почти бесспорным" [4, с. 95]. Читая эти строки, наблюдая единодушие трактовки начальных этапов эволюции жизни, казалось бы, убеждаешься в неоспоримости логики рассуждений. Для пересмотра этих трактовок необходимы серьёзные аргументы.
Более того, данные палеонтологии и сравнительной физиологии позволяют перевести поэтические образы Волошина в численные значения. Наш пращур из охлаждённых вод свой рыбий остов выволок на землю, в себе унёс весь древний Океан с солью вод - "живую кровь, струящуюся в жилах"... Время, описываемое в поэме, в самом общем виде может быть датировано сотнями миллионов лет назад, когда в кембрийском древнем океане уже существовали хордовые, бесчелюстные. На протяжении минувших сотен миллионов лет, как наш пращур сменил эту среду на сушу, во многом без перемен сохранился в крови физико-химический каркас - электролитный состав жидкостей внутренней среды, который в то далёкое время окружал клетки.
То, что происходило задолго до времени, описываемого Волошиным, - формирование прото-клеток, - нуждается в осмыслении. По современным данным, жизнь возникла за много миллионов лет до кембрия. Новейшие данные, которые разнятся на миллиарды лет (!), позволяют, хотя и с осторожностью, датировать появление клеток эукариот. По одним расчётам, это произошло около 2.7 млрд. лет назад [5], по другим - 9501259 млн. лет назад [6]. Эти расчёты основаны на данных изучения аминокислотной последовательности 129 белков 36 эукариот и предназначены для определения времени дивергенции главных царств живых организмов - грибов, расте-
ний, протистов, многоклеточных животных. Полагают, что последние отделились от хоано-флагеллят 761-957 млн. лет назад, время расхождения первичноротых и вторичноротых оценивается в 642-761 млн. лет назад [6].
Проблемы эволюции жизни на нашей планете входят в круг интересов палеонтологов, геохимиков, зоологов, биохимиков, молекулярных биологов [5-9]. Вопросы эволюции функций у животных интенсивно разрабатываются специалистами в области эволюционной физиологии [10-12]. Понимание условий возникновения живого требует сведений о происхождении, химическом составе почв, эволюции Земли и океана [13, 14]. Однако без разностороннего физиологического анализа становления явлений жизни не может быть глубокого проникновения в механизмы её возникновения и развития.
На рубеже кембрия водные животные имели в клетках, жидкостях внутренней среды организма то же осмотическое давление, что и морская вода, у них отсутствовала система осморегуляции, осмотическое давление их внеклеточной жидкости было таким же, как окружающей внешней водной среды. В современном океане обитают мик-сины, близкие далёким предкам бесчелюстных по морфо-функциональной организации. Миксины -единственная крупная группа позвоночных, относящаяся к стеногалинным* морским организмам [3]. Они могут жить только в воде океана, при изменении солёности среды погибают.
Переход рыб из моря в реки и пресные озёра был сопряжён с появлением системы гиперосмотической регуляции, физиологической системы удаления избытка воды из организма и непрерывного поиска и аккумуляции в организме водных животных ионов, которые были в изобилии в древнем океане, но ими так бедны пресные воды. В этих водах в ордовикском периоде палеозойской эры появляются остракодермы, панцирные рыбы, которые смогли перейти солевой рубеж, выработать физиологические механизмы адаптации, чтобы покинуть морскую воду и научиться жить в пресных водах рек. В крови панцирные рыбы унесли соли океанских вод. Хотя в их крови концентрация солей была ниже, чем в современном море, но соотношение ионов оставалось близким среде, из которой они мигрировали. Тело этих древнейших рыб покрывала ещё не лёгкая чешуя, а панцирь. Объяснение напрашивалось, казалось бы, само собой: они осваивали новый ареал и требовалась защита от новых хищников. Но Г. Смит, исследовавший своеобразие адаптации этих исходно морских рыб к пресной воде, высказал оригинальную гипотезу [15].
*Гр. stenos узкий + hals соль.
Он предположил, что главным врагом для них были не гипотетические хищники, а ... пресная вода. По осмотическому градиенту она через покровы проникала в тело, могла разбавить кровь и вызвать осмотический шок клеток. Для защиты рыб от пресной воды необходимы были водонепроницаемые покровы, а удаление избытка воды, попавшей в кровь, обеспечивали почки. Такой принцип организации водно-солевого обмена от пращура позвоночных дошёл до водных животных наших дней и сохранился у современных форм организмов. Стали ясны многие способы и механизмы адаптации к разной солёности внешней среды [11, 16].
И поэт М. Волошин, и химик Г. Смит, и физиолог А. Гинецинский, и другие естествоиспытатели, цитирование работ которых можно было бы продолжить, полагали, что жизнь возникла в море, поэтому в сыворотке крови, во внеклеточной жидкости сохранилось близкое соотношение тех же ионов, что было в древнем океане. Но современные данные, безусловно, свидетельствуют о том, что жизнь зародилась не в палеозое, а много ранее, и время появления многоклеточных сместилось даже не на сотни миллионов, а на миллиарды лет назад. По современным представлениям, возраст жизни на Земле составляет немногим менее 4 млрд. лет, а сформировалась она около 4.5 млрд. лет назад. Основное внимание исследователи возникновения жизни обращают на механизмы образования органических молекул, макромолекул, передачу наследственной информации [9]. В то же время есть ещё одна проблема, касающаяся эволюции жизни, - это неорганическая среда, в которой в тесном взаимодействии с органическими веществами развивалась жизнь с самых первых своих шагов.
Одна из центральных проблем начального этапа эволюции, о которой в настоящее время мало говорят, заключается в соотн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.