§ 24. Формирование и эволюция пробионтов

Определения и обозначения

Пробионт — предшественник живой клетки, обладавший некоторыми свойствами живых систем, но ещё не способный к полноценному самостоятельному существованию. Иными словами, это не готовая клетка, а предполагаемая промежуточная система на пути к ней. Понятие помогает описывать возможные этапы возникновения жизни, не приравнивая их к современным организмам.

Коацерват — капля, образующаяся при объединении молекул в водном растворе и способная избирательно поглощать вещества из окружающей среды. Такая капля отделена от раствора как отдельная область, но не обязательно имеет настоящую клеточную мембрану. Коацерваты используют как модель обособления и обмена веществами.

Микросфера — мелкая обособленная структура, возникающая при объединении белковых молекул; её сходство с клеткой ограничено наличием границы и способностью к росту. Рост сам по себе не доказывает, что структура умеет воспроизводить себя и передавать признаки потомству. Эта модель позволяет обсудить, как молекулы могли образовывать более крупные комплексы.

Химическая эволюция — постепенное усложнение веществ и систем из них на ранних этапах истории Земли до возникновения первых живых организмов. Речь идёт о последовательных изменениях, а не о мгновенном появлении готовой клетки. Термин связывает образование органических соединений с формированием более сложных предшественников жизни.

Как это устроено

На ранней Земле не было свободного кислорода в атмосфере, зато присутствовали простые неорганические вещества и различные источники энергии. Энергия могла запускать реакции между исходными веществами и приводить к образованию органических молекул. Отсутствие кислорода также уменьшало вероятность быстрого разрушения некоторых таких соединений. Поэтому подходящие условия могли создать основу для химической эволюции, хотя сами по себе ещё не означали появления жизни.

Органические молекулы могли поступать в водоёмы и накапливаться там, если скорость их образования и поступления превышала скорость разрушения. В растворе отдельные молекулы взаимодействовали, а некоторые объединялись в более крупные комплексы. Такие комплексы могли формировать обособленные капли — коацерваты — или структуры из белковых молекул, называемые микросферами. Эти модели показывают возможный переход от разрозненных веществ к системам с границей, но не доказывают точный сценарий событий.

Граница отделяет внутреннюю среду структуры от внешней и позволяет поддерживать отличающиеся условия по обе стороны. Если вещества поступают и удаляются избирательно, система может получать нужные компоненты и удалять продукты реакций. Это давало возможное преимущество перед свободно перемешанными молекулами, потому что реакции внутри обособленной области могли быть более согласованными. Но наличие границы и поглощения веществ не заменяет наследственность и воспроизведение, поэтому коацерват ещё не становится живой клеткой.

Для дальнейшего усложнения требовались молекулы, способные хранить информацию о свойствах системы и участвовать в реакциях. Если информация влияла на работу таких молекул, особенности обмена веществ могли зависеть от того, что именно передавалось потомству. При воспроизведении копии могли отличаться, а часть различий — сохраняться и наследоваться. Так возникала возможная связь между наследственностью, обменом веществ и размножением — необходимая основа эволюции систем.

Когда воспроизводящиеся пробионты различались по наследуемым признакам, условия среды влияли на их выживание и число потомков. Более успешные варианты могли оставлять больше копий, поэтому их признаки чаще встречались в следующем поколении. Повторение такого процесса постепенно меняло состав популяции пробионтов и могло способствовать усложнению систем. Так естественный отбор мог участвовать в возникновении первых клеток, но он действовал только при наличии воспроизведения и наследуемых различий.

Модели предшественников первых клеток

Сравнивайте модели не по одному внешнему признаку, а по всей совокупности свойств: границе, обмену, воспроизведению и наследственной информации. Коацерват и микросфера помогают представить отдельные возможные этапы, а пробионт обозначает более сложную гипотетическую систему. Таблица не утверждает, что именно эти модели в точности были предками клеток.

Разбор задач

Почему коацерватную каплю нельзя считать полноценной живой клеткой?

1. Сначала выделим признак, который может показаться решающим: коацерват обособлен от раствора и способен избирательно поглощать вещества. Это показывает сходство с некоторыми функциями клетки, но описывает только часть свойств.
2. Затем проверим, есть ли у капли наследственная информация и может ли она передаваться при воспроизведении. Сам факт образования коацервата не подтверждает наличия такого механизма.
3. Наконец, отделим рост или изменение размера от полноценного размножения. Если система не воспроизводит себя с передачей наследуемых признаков, нельзя говорить о клетке и эволюции её поколений.

Ответ. Коацерват — модель обособленной системы, способной взаимодействовать со средой, но не полноценная клетка. Для вывода о клеточной организации недостаточно одной границы и избирательного поглощения: нужны также наследственность и воспроизведение.

Сравните коацерваты и микросферы по способу образования, обособлению от среды и сходству с клеткой.

1. По способу образования коацерват возникает при объединении молекул в водном растворе, а микросфера — при объединении белковых молекул. Значит, общего у них результат — обособленная структура, но исходный материал и описание образования различаются.
2. Сравним обособление: у коацервата есть граница капли, отделяющая её от раствора; микросфера также имеет границу. Это позволяет обе модели использовать при обсуждении того, как могла возникнуть внутренняя область системы.
3. Проверим, что ещё делает их похожими на клетку. Коацерват может избирательно поглощать вещества, а микросфера может расти, однако ни один из этих признаков отдельно не подтверждает наследственность и воспроизведение.

Ответ. Обе структуры обособлены от среды и напоминают клетку отдельными свойствами. Коацерват описывает объединение молекул в каплю и поглощение веществ, микросфера — объединение белков и возможность роста; внешнее сходство не доказывает, что они являются живыми клетками.

Как одна разновидность пробионтов может стать более распространённой?

1. Предположим, что пробионты различаются по способности использовать вещество из среды, а различие передаётся при воспроизведении. Это наследуемая изменчивость: потомки могут сохранять особенности родительского варианта.
2. Если вещество доступно и его использование помогает системе поддерживать обмен веществ или воспроизводиться, носители такого признака могут оставлять больше потомков. Важно, что преимущество должно проявляться именно в данных условиях среды.
3. Потомки наследуют признак, поэтому его доля среди пробионтов может увеличиваться от поколения к поколению. Это и есть действие естественного отбора, а не сознательное приспособление отдельных систем.

Ответ. При наследуемом различии вариант, успешнее использующий доступное вещество, может выживать или воспроизводиться чаще. Его признак передаётся потомкам и постепенно становится более распространённым в популяции.

Типичные ошибки

Ошибка: считать коацерваты и микросферы живыми клетками. Такое впечатление возникает из-за границы, поглощения веществ или роста, напоминающих отдельные клеточные свойства. Проверь себя: спроси, есть ли у модели наследственная информация и воспроизведение с передачей признаков; если этого не установлено, называй её моделью, а не организмом.

Ошибка: представлять происхождение жизни как мгновенное событие. Так можно подумать, если свести длинную цепь изменений к появлению первой клетки. Проверка проста: опиши этапы от образования молекул до обособленных систем и воспроизводящихся вариантов, не пропуская переходы.

Ошибка: приравнивать образование органических веществ к появлению жизни. Органические соединения — необходимая часть возможного сценария, поэтому их иногда ошибочно принимают за достаточное условие. Уточни, появились ли вместе с ними наследственность, воспроизведение и согласованный обмен веществ.

Ошибка: считать, что естественный отбор действовал до появления наследуемых различий. Наличие разных систем само по себе не позволяет отбирать признаки, если они не передаются потомкам. Чтобы проверить объяснение, найди в нём три звена: наследуемое различие, неодинаковый успех воспроизведения и изменение распространённости признака.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о составе клетки, свойствах органических веществ и основных признаках живого: они помогают отличать отдельное сходство с клеткой от полноценной организации. Химическая эволюция связана с гипотезами происхождения жизни и объясняет возможное усложнение систем до появления первых организмов. Эта тема также подготавливает к изучению эволюции прокариот и возникновения клеточной организации. Сопоставляя модели пробионтов с клеткой, легче понять, какие свойства могли формироваться постепенно.

Что запомнить

• Пробионты рассматривают как предшественников первых клеток.
• Обособление от среды было важным, но недостаточным условием возникновения жизни.
• Коацерваты и микросферы — модели, а не доказанные живые организмы.
• Для эволюции важны наследуемые различия между воспроизводящимися системами.
• Естественный отбор мог способствовать усложнению пробионтов.
• Происхождение первых клеток связывают с последовательностью этапов химической эволюции.