КОЭВОЛЮЦИЯ УРОВНЕЙ ОРГАНИЗАЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ, ВКЛЮЧАЯ УРОВЕНЬ МОЛЕКУЛЯРНЫХ И МЕМБРАННЫХ СТРУКТУР, А ТАКЖЕ ДРУГИЕ УРОВНИ.

КОЭВОЛЮЦИЯ УРОВНЕЙ ОРГАНИЗАЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ, ВКЛЮЧАЯ УРОВЕНЬ МОЛЕКУЛЯРНЫХ И МЕМБРАННЫХ СТРУКТУР, А ТАКЖЕ ДРУГИЕ УРОВНИ.

Опубликовано в категориях: Научные публикции Просмотров: 308

Остроумов С.А.
Научные публикации МОИП, секция гидробиологии и ихтиологии
Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, Москва 199991,
Ленгоры, Российская Федерация;
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: биосфера, биомембраны, молекулярный уровень, экология,
эволюция, коэволюция, уровни живых систем, фотосинтез, бактериородопсин,
хлорофилл, геохимия, биогеохимия,
АННОТАЦИЯ. В статье впервые сформулирована и использована инновационная
концепция коэволюции уровней организации живых (биологических) систем. В статье
выявлены конкретные примеры такой коэволюции, в том числе на примере эволюции
биологических мембран и фотосинтетического аппарата. Спрогнозировано полезное на
практике применение ( антропогенно обусловленное проявление) принципа коэволюции
уровней в случае использования фитотехнологий для смягчения опасностей глобальных
изменений климата.
ВВЕДЕНИЕ.
Цель данной публикации – кратко отразить некоторые элементы научного содержания
доклада автора на заседании междисциплинарном семинара «Биосфера, гидросфера и
техносфера» (совместно с секцией МОИП) (Москва, 15 апреля 2021 г.).
По мнению автора, сейчас настало время сформулировать и использовать
инновационную концепцию коэволюции уровней организации живых (биологических)
систем. Понятие живые (биологические) системы будем использовать в широком смысле,
включая широких круг систем, которые в том или ином смысле ассоциированы с
явлениями и процессами жизни.
Представляется логичным вначале на конкретных примерах показать, что именно автор
предлагает понимать под коэволюцией уровней организации биосистем, а затем
показать, как использование этой концепции может быть приложено на практике.
Приведем два примера того, что автор предлагает рассматривать как примеры
коэволюции уровней организации биосистем.
ПРИМЕР 1 ПОЯВЛЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ БИОМЕМБРАН И ЭВОЛЮЦИЯ НАЗЕМНОЙ БИОТЫ.
Практически все авторы научных исследований и публикаций о возникновении жизни и
ранних этапах эволюции живых организмов полагают, что возникновение жизни и первые
этапы эволюции произошли в водной среде или на границе водной среды и твердой
фазы. Вода с полным основанием рассмтривается как лоно для появления жизни и
первых этапов ее развития. Вместе с тем мы наблюдаем огромное биоразнообразие
форм жизни на суше, в наземных местообитаниях. Если вдуматься в это, то возникает
вопрос о том, какие факторы дали возможность организмам выживать, функционировать
и эволюционировать в наземной среде, где существует абсолютно реальная опасность
высыхания живых клеток, которые содержат определенный процент воды. Эти факторы
многочисленны и разнообразны, но приходится признать, что любой их список должен
содержать пункт о биомембранах.
Иногда говорят, что живые организмы, выйдя из океана, унесли с собой частицу океана.
Обычно под этим имеют в виду кровь животных и подтверждением этой мысли является
некоторое сходство химического состава морской воды и крови позвоночных животных.
Автор предлагает расширить эту мысль так: на молекулярном уровне важным фактором
является появление и широкое использование жизнью особых молекулярных структур –
биомембран на основе двух слоев липидов с амфифильной структурой (прежде всего
фосфолипидов). Именно эти биомембраны стали структурами – капсулами или
везикулами – которые окружили микроскопические капельки воды и вынесли эту
внутриклеточную воду из первичного океана в наземную среду, наземные
местообитания. В наземных местообитаниях произошла бурная эволюция и
возникновение скачка в биоразнообразии организмов – наземных растений и животных.
В составе этих организмов эволюционировали и биомембраны. В структуру биомембран
вошли многочисленные белковые комплексы ферментов, рецепторов, ионных каналов и
ионных насосов. Проходила совместная эволюция (коэволюция) мембранных структур и
эволюция на уровне организмов, в том числе – макроорганизмов растений и животных.
Налицо коэволюция живых систем на совершенно разных уровнях. Причем связи между
этими уровнями очень значительные, облигатные. Без появления и повсеместного
использования клеточных мембран немыслим выход организмов из водной среды в
наземные местообитания.
ПРИМЕР 2 ЭВОЛЮЦИЯ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА НА МОЛЕКУЛЯРНОМ УРОВНЕ
И ЭВОЛЮЦИЯ БИОСФЕРЫ НА ГЛОБАЛЬНОМ УРОВНЕ.
Полезно рассмотреть два аспекта этой совместной эволюции (коэволюции). Один из
аспектов – выделение некоторыми организмами кислорода и возникновение
окислительной атмосферы.
Второй аспект – поддержание глобальной стабильности термального режима биосферы
(говоря другими словами – поддержание относительной стабильности климата.
Оба этих аспекта связаны с особенности реально произошедшей эволюции
фотосинтетического аппарата. Напомним, что природа демонстрирует, что эволюция
выработала два типа фотосинтетического аппарата.
Один из них использует бактериородопсин. Автор участвовал в изучении этого
молекулярного аппарата, который преобразует энергию света в мембранный потенциал
[1, 2 ], который может далее использоваться для синтеза АТФ и метаболизма клетки.
Второй тип фотосинтеза построен на хлорофиллах и сложной цепи белков, переносящих
электроны (редокс-переносчиков). Первый тип аппарата сравнительно простой, а второй
– необычайно усложненный и многостадийный. Оказалось, что большинство видов
автотрофных организмов использует именно второй, многостадийный и неизбежно
малоэффективный механизм, с потерями энергии на каждой стадии. Это кажется
непостижимой ошибкой эволюции. Но глубокий позитивный смысл мы обнаружим, если
будем использовать концепцию коэволюции уровней.
ВЫДЕЛЕНИЕ ОРГАНИЗМАМИ КИСЛОРОДА И ВОЗНИКНОВЕНИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНОЙ
АТМОСФЕРЫ
Важная особенность второго типа механизма фотосинтетического аппарата – то, что для
переноса электронов используется разрушение молекулы воды и извлечение из этой
молекулы кислорода. Образованный таким образом кислород выделяется в окружающую
среду и в конце концов участвует в создании фонда атмосферного кислорода. Атмосфера
становится окислительной и участвует в огромном числе важных химических реакций.
Формируется уникальная геохимия окружающей среды, именно это играет огромную
роль в формировании, говоря словами В.И.Вернадского, лика Земли. Это определяет
вектор и детали эволюции биосферы, атмосферы, поверхности литосферы, эволюции
самой масштабной живой системы нашей планеты.
Таким образом, мы выявляем коэволюцию, связь между эволюцией фотосинтетического
аппарата (молекулярный уровень) и геохимической эволюцией биосферы (глобальный
уровень).
ПОДДЕРЖАНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ ГЛОБАЛЬНОЙ КЛИМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ.
Рассмотрим вторую особенность фотосинтетического аппарата, построенного на
хлорофиллах.
Один из результатов работы фотосинтетического аппарата является изъятие двуокиси
углерода из атмосферы. Однако слишком быстрое изъятие может привести к ощутимому
снижению содержания двуокиси углерода в атмосфере.
Процент содержания этого газа в атмосфере низкий. Концентрация углекислого газа в
атмосфере Земли составляет в среднем 0,04 %[3]. Поэтому даже сравнительно небольшое
повышения изъятия двуокиси углерода при фотосинтезе может дать существенное
снижение процента двуокиси углерода в атмосфере, что ощутимо нарушит тепловой
баланс и климатическую систему.
Поэтому относительно низкая эффективность существующего молекулярного аппарата
фотосинтеза имеет позитивную роль – это предохранительный клапан,
предотвращающий опасность слишком резкого изменения важного кламатообразующего
фактора.
Мы выявили еще один пример коэволюции – важную связь между эволюцией на
молекулярном уровне (эволюция фотосинтетического аппарата) и эволюцией на
глобальном уровне – на общебиосферном уровне, уровне глобальной климатической
системы.
ПРИМЕР ВОЗМОЖНОГО ПРИМЕНЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЛИ ВОЗМОЖНОСТЕЙ
КОЭВОЛЮЦИИ УРОВНЕЙ НА ПРАКТИКЕ.
Как представляется автору, интересным примером практического применения фактора
коэволюции может служить следующее.
По мере роста антропогенных воздействий нарастает угроза климатических изменений с
катастрофическими глобальными последствиями. Что может помочь нам хотя бы
частично смягчить эти изменения и угрозу неизбежной катастрофы?
По нашем мнению, в будущем мы можем стать свидетелями уже не природной, а
рукотворной коэволюции.
Таковым примером может оказаться широкое использование экологической
биотехнологии с использованием некоторых- организмов (это будет фактически широкое
создание и распространение некоторых видов организмов и искусственных экосистем с
их участием, т.е. новый этап эволюции на организменном и экосистемном уровне). Это
буде происходить ради того, чтобы изменились особенности трендов на глобальном
уровне.
Конкретнее. Глобальное изменение климата вызвано выбросами двуокиси углерода.
Большой вклад в выбросы дает потребление энергии и электроэнергии. В свою очередь,
немалую долю составляет потребление энергии, необходимое для очищения воды. По
убеждению автора, единственная возможность снизить это потребление энергии –
использовать фитотехнологии для очищения воды. Автор практически работал в этом
направлении. Мною напечатан цикл работ по фитотехнологии очищения воды [4-12]. За
работу в этом направлении автор удостоен Почетного диплома Министерства природных
ресурсов РФ. По этой теме под моим руководством успешно работала аспирант
Е.А.Соломонова. Ее защита прошла при единогласном положительном голосовании
Ученого совета, есть почетные дипломы за эту работу. Эти фитотехнологии имеют еще
одну ценную особенность – поглощается большое количество двуокиси углерода.
Финальный результат применения на практике этих технологий - антропогенный этап
коэволюции на организменном и экосистемном уровне и, с другой стороны – на
глобальном, геохимическом уровне.
Применение концепции коэволюции уровней позволяет более четко и лаконично
анализировать биологические феномены и прогнозировать эффективные решения для
смягчения практически реальных угроз биосферных и климатических изменений.
Необходимо отметить, что сказанное выше подтверждает эффективность
междисциплинарного подхода к анализу явлений и процессов в биосфере, на новом
материале продолжает использование такого подхода, что было впервые
последовательно показано в трудах основателя учения о биосфере В.И.Вернадского [13-
15].
ВЫВОДЫ.
1.Сформулирована новая концепция коэволюции уровней организации живых систем.
2.Выявлены конкретные примеры такой коэволюции.
3.Спрогнозировано полезное на практике применение ( антропогенно обусловленное
проявление) принципа коэволюции уровней в случае использования фитотехнологий для
смягчения опасностей глобальных изменений климата.
БИБЛИОГРАФИЯ
1
Drachev LA, AA Jasaitis, AD Kaulen, AA Kondrashin, EA Liberman, Direct
measurement of electric current generation by cytochrome oxidase, H+-ATPase and
bacteriorhodopsin.//Nature 249 (5455), 321-324; https://www.academia.edu/1892220/;
2
Drachev L.A., A.D. Kaulen, SA Ostroumov, VP Skulachev. Electrogenesis by
bacteriorhodopsin incorporated in a planar phospholipid membrane // FEBS letters 39
3
Trends in Atmospheric Carbon Dioxide (англ.). National Oceanic and Atmospheric
Administration. https://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/; Дата обращения: 13
апреля 2021
4
Lazareva, E. V.; Ostroumov, S. A. Accelerated decrease in surfactant concentration in the
water of a microcosm in the presence of plants: innovations for phytotechnology. //
Doklady Biological Sciences, volume 425, pages180–182(2009) ;
5
Ostroumov, S.A., Kapitsa, A.P., Kotelevtsev, S.V., Golovnya, E.G., Gorshkova, O.M.,
Lasareva, E.V., McCutcheon, S., Shestakova, T.V. and Solomonova, E.A., 2009
Innovative phytotechnology: contributing to the best available technologies of complex
control and prevention of water pollution. Ecol. Stud., Haz., Solutions., Vol.13, p.101.
6
Ostroumov, S.A., 2005 Bridging ecology and phytoremediation: phytoremediation
potential of some aquatic and terrestrial plants. In: The 3rd International
Phytotechnologies Conference. (p. 150).
7
Остроумов С.А., Шестакова Т.В. Снижение измеряемых концентраций Cu, Zn, Cd,
Pb в воде экспериментальных систем с Ceratophyllum demersum: потенциал
фиторемедиации // Доклады академии наук, 2009 т. 428 с. 282–285
Ostroumov, S.A., and Manchenko, E.A., 2005 Studying interactions between Elodea
canadensis and sodium dodecyl sulphate. In: The 3rd International Phytotechnologies
Conference. (p. 153).
Остроумов С.А., Е.А.Соломонова. Взаимодействие загрязняющих воду веществ с
макрофитами: метод определения допустимых нагрузок. // Вода: химия и экология.
№10, октябрь 2012, с. 53-60; https://www.academia.edu/2327713/ ;
10 Остроумов С.А. Новые факты о биотическом самоочищении воды и нормирование
нагрузок токсикантов на водные системы // Биогеохимия техногенеза и
современные проблемы геохимической экологии. 2015 Т.2. С.8-10. DOI:
11 Остроумов С.А., Соломонова Е.А. 2012 Метод определения допустимых нагрузок
загрязняющих веществ на высшие водные растения и перспективы его
применения // Экология промышленного производства, том 2, с. 54-60;
12 Соломонова Е.А., Остроумов С.А. Оценка допустимых нагрузок загрязняющих
веществ на макрофиты в водной среде с использованием метода рекуррентных
добавок (Assessment of acceptable loads of pollutants on macrophytes) // Водное
хозяйство России: проблемы, технологии, управление, 2014, № 2, с. 88-101;
13 Вернадский В.И. Биосфера. М.: Изд. дом Ноосфера, 2001, 244 с.
14 Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. М.:
Наука; 1965
15 Vernadsky, V.I., 1998 The biosphere. Springer Science & Business Media.
Яндекс.Метрика