Микроорганизмы и биосфера

Работы Заварзина произвели на меня глубокое впечатление. Идея достаточно очевидна — без поступления новых реагентов химическая реакция в конце концов завершается. Этот принцип относится и к работе организма — завершение питательных веществ неотвратимо ведет к смерти. Таким образом, функционирование биосферы требует кругооборота веществ, а отсутствие такового означает смерть всего живого.

Интересно отметить, что в работах биологов такой подход мне встретился в первый раз. Для сравнения я выпишу несколько цитат Ричарда Докинза, которые хорошо отражают то, что попадалось на глаза до знакомства с работами Заварзина:

‘Вот она, главная составляющая накапливающего отбора: каким-то образом под действием обычных законов физики должны появиться на свет самокопирующиеся объекты, или, как я буду их называть, репликаторы.’

‘Репликаторы, имеющие все необходимое, чтобы реплицироваться, станут преобладать в мире независимо от того, насколько длинной и непрямой является та цепочка причинно-следственных связей, с помощью которой они оказывают влияние на вероятность своей репликации. В той же мере справедливо и то, что мир будет постепенно наполняться звеньями этой причинно-следственной цепочки.’

‘Теперь мы видим, что репликаторы, которым отбор благоприятствовал в меньшей степени, должны были действительно стать в результате отбора менее многочисленными и в конечном счете многие их линии должны были вымереть. Между разными типами репликаторов шла борьба за существование.’

Идеи Докинза основаны на обновляемости ресурсов для репликаторов, но при этом в них не содержится ни единого намека на то, каким образом эта обновляемость достигается.

Начнем с круговорота воды. Вода испаряется, поступает в атмосферу, далее в других точках Земли выпадают осадки и таким образом вода возвращается на исходные позиции. Движущей силой является энергия Солнца и круговорот воды по своей природе является абиотическим — жизнь как таковая для этого не требуется.

Для существования репликаторов Докинза круговорота воды недостаточно, поскольку для репликации требуются органические вещества, а для их обновления необходим круговорот веществ. В этой связи Заварзин в своих работах рассматривает несколько взаимосвязанных биогеохимических циклов. Самым важным является цикл органического углерода, связанный с циклом кислорода, а также необходимы циклы азота, серы, железа и фосфора.

В данном случае циклы невозможны абиотически и они происходят в рамках согласованной работы микроорганизмов. Отходы жизнедеятельности одних служат питательными веществами для других и таким образом цикл в конце концов замыкается. Таким образом существование биосферы неразрывно связано с биотическим круговоротом веществ. В этом заключается главная идея Заварзина и также главное отличие от взглядов Докинза.

Заварзин утверждает, что за необходимые круговороты веществ отвечают исключительно микроогранизмы. Изначально все сложилось в результате деятельности прокариотов, затем по мере появления эукариоты также включились в согласованную работы биотических циклов. Так называемые высшие организмы, можно сказать, паразитируют на этих циклах в биосфере, сформированной микроорганизмами.

Концепция Докинза основана на теории естественного отбора, разработанной для высших организмов, живущих в условиях постоянно обновляемой биосферы. Можно ли экстраполировать ее на времена образования биосферы? Заварзин сомневается в полезности таких попыток.

Во-первых, у нас существенно меняются представления о приспособленности. Например, приспособились ли микроорганизмы к кислородной атмофере, или кислородная атмофера все-таки является продуктом жизнедеятельности? Во-вторых, отдельный вид микроорганизмов невозможно рассматривать вне существующей биосферы, поскольку без наличия других микроорганизмов этот вид быстро прекратит свое существование.

Заварзин подчеркивает, что рассмотрение прокариотов в рамках филогенетического дерева никак не помогает понять происхождение биосферы, поскольку расположение микроорганизмов на ветвях дерева не совпадает с их функциональностью. В то же время биогеохимические циклы вещств, лежащие в основе биосферы, связаны именно с функцией, поскольку циклы обмена веществ всех микроорганизмов должны замкнуться в единый круговорот органических веществ.

Ниже несколько цитат из работ Заварзина на эту тему:

Особенности эволюции прокариот

‘с. 121. Филогенетическая система бактерий, построенная на основе изучений последовательностей в [биологических] полимерах, совершенно не согласуется с морфологией организмов, частично и, видимо, лишь косвенно согласуется с их физиологией …

Тем не менее допустим, что история происхождения полимеров отражает историю организмов и филогенетическое дерево, построенное на основе дендрограммы сходства наиболее консервативных компонентов клетки, наиболее точно отражает генетическую близость организмов. … Но если морфология бактерий не коррелирует с исторей происхождения, то, значит, она определяется законами, не зависящими от истории происхождения, которые и следует признать фундаментальными. …

Чем более настаивать на определяющей роли филогенетического родства, определенного по последовательности в полимерах, тем больше приходится признать существование некоего набора законов, определяющих формы и обмен бактерий.

Именно эти законы определяют то, как бактерии взаимодействуют с окружающей средой, с экосистемой в целом. Однако если такие законы существуют, а все усилия неодарвинизма были направлены на отрицание их существования, то именно они определяют то конечное состояние, к которому должна привести эволюция бактерий, с какой бы исходной точки ни вести линию.’

Корреляция филогенетической и экологической классификации прокариот

‘с. 126. Итак, систематика, основанная на последовательности 16S pРНК, не согласуется ни с морфологией, ни с физиологией бактерий. Но кому нужна классификация, согласующаяся лишь сама с собой?’

‘с. 128. функциональное разнообразие отдельных ветвей, в том числе многочисленных протеобактерий, все-таки недостаточно для формирования устройчивого сообщества. Следовательно, ни одну ветвь нельзя считать предковой по отношению ко всей совокупности бактерий. Сообщество в принципе полифилетично. … Члены сообщества, объединенными трофическими связями, рекрутируются извне, а не получаются путем дивергенции внутри сообщества. Таким образом, требование согласования филогенетических и фенотипических характеристик оказывается эволюционно неосуществимым.’

Становление системы биогеохимических циклов

‘с. 245. Из необходимости циклов В. И. Вернадский сделал вывод, к которому полностью должен присоединиться микробиолог, занимающийся функциональным разнообразием: невозможно построить устойчивую систем  на монофилетическом основании. … Представление об «универсальных предках» логически противоречиво. Изначальная группировка микроорганизмов должна была быть разнородной и функционально комплиментарной. Иные группировки не могли быть устойчивыми и существовать в течение геологически длительного времени.’

Эволюция геосферно-биосферной системы

‘Фактическую основу для изучения истории микробного мира дает бактериальная палеонтология — область науки, развившаяся в последнее время. Опирается она на микрофоссиллии самих микроорганизмов и биологенные породы (например, циано-бактериальные маты, превратившиеся в строматолиты). Разрозненные, но тем не менее признанные, доказательства говорят о существовании микробиоты с начала осадочной летописи, с границы «фантомной» области (3.5 млрд лет назад).’

Первые экосистемы на Земле

‘В настоящее время эти гипотезы [возникновения жизни на Земле] встречают две трудности. Во-первых, краткость времени для возникновения жизни от периода аккреции до появления первых экосистем с микроорганизмами. Период, в который можно поместить происхождение жизни, сокращается от 500 млн лет до 200 млн лет по разным оценкам. Достаточно ли это время для появления первых организмов? Во-вторых, представление о существовании внеземной жизни сейчас приобретает силу молчаливого консенсуса … Оно получает поддержку в находках бактериоморфных микрофоссилий в определенной группе метеоритов.’

Информация

Г. А. Заварзин, Избранные труды, 2015.

Цитаты Докинза:

Ричард Докинз, Слепой часовщик. Как эволюция доказывает отсутствие замысла во Вселенной, 2015.

Ричард Докинз, Эгоистичный ген, 2013.

Обсуждение

https://evgeniirudnyi.livejournal.com/260173.html

https://www.facebook.com/evgenii.rudnyi/posts/2319433101524429


Comments are closed.