58. Роль металлов в эволюции.

Эволюция в природе происходила в неорганической среде ( раствор насыщенный неорганическими веществами) Многие вещества поглощались клетками и принимали участие в биохимических процессах , например большое значение имеют группы веществ содержащих Fe. Процесс фотосинтеза, где помимо Mg, входящего в состав белков, образующих фотосистемы, входят Mn и Fe. Соединения Zn, Cu, Mg в составе оксида редуктазы является одним из примеров важности металлов в процессе эволюции.

Эволюция жизни в биосфере проходила в окружении неорганической среды, оказывавшей на организмы разнообразное влияние. Многие металлы поглощались живыми клетками и принимали участие в биохимических реакциях в концентрациях, соответствующих другим клеточным метаболитам; металлы поддерживали физико-химическое состояние протоплазмы, формировали хелатные соединения с различными веществами, участвовали в каталитических реакциях в составе ферментных систем.

При переходе от древних анаэробных условий к современным аэробным вместе с возрастанием биогенного окисления и выделения свободного кислорода при ассимиляции углекислоты симметрично шли образование и эволюция восстановительных органических веществ. Металлофлавопротеиды распространены во всех фотоавтотрофных организмах – от бактерий до высших растений – и являются ферментами, содержащими металл и флавин в определенном соотношении и в прочной связи с белками.

Марганец и железо в растениях участвуют в важнейших окислительно-восстановительных реакциях. Железо находится в растениях в основном в негеминовой форме, т.е. не входит в состав металлопорфирина-гема, как у животных. Соединения марганца с высоконенасыщенными кислотами – линолевой и линоленовой – представляют у растений очень мощную окислительную систему. Ферредоксин – сильнейшая окислительно-восстановительная система, осуществляющая восстановление углекислоты.

Первоначально наша биосфера была анаэробной и большинство химических элементов в архее находились в низшей степени окисления; газы были представлены молекулярным водородом, сероводородом, метаном, окисью углерода, аммиаком; поливалентные металлы были в низшей степени окисления; кислая реакция древних вод обусловила нахождение многих металлов в растворе. Организмы в гидросфере были защищены от ультрафиолета, и поскольку там содержалось много ионов металлов, влияние последних на биохимические процессы являлось существенным. При этом участие ионов металлов в ферментативных реакциях первичных организмов было незначительным; возможно они лишь активировали реакции карбоксилирования, декарбоксилирования и гидролиза, а также перенос атомов.

Выше была указана специфичность поливалентных металлов, принимающих участие в реакциях окисления и восстановления веществ при разных значениях окислительно-восстановительных потенциалов. В этих процессах участвовали различные металлы в составе оксидоредуктаз и других ферментов. Содержание железа, цинка, меди, марганца в разных типах растений отражает эволюцию участия их в окислительно-восстановительных процессах. У примитивных синезеленых водорослей отмечено высокое содержание негеминового железа; у зеленых водорослей – возрастает участие меди и марганца; у голо- и покрытосеменных установлено высокое содержание марганца в органах фотосинтеза.

В активной деятельности клеток принимают участие как металлы с переменной валентностью, например, титан, ванадий, хром, марганец, железо, никель, медь, молибден, так и металлы с постоянной степенью окисления - натрий, магний, калий, кальций, причем содержание последних выше. Несмотря на это роль поливалентных металлов очень велика: они легко образуют комплексы с разными классами соединений, находящимися в клетках, и эти комплексы, обладая различными значениями окислительно-восстановительного потенциала, входят в состав ферментов, осуществляющих регулирование многих процессов обмена веществ – ассимиляция углекислоты, восстановление серы, азота, окисление сахаров при брожении и аэробном дыхании, при выделении кислорода в процессе фотосинтеза и т.д. В ходе эволюции расширился ассортимент комплексных соединений металлов с разными липидами, флавинами, протеинами (например, железа с флавином). При этом усиливается их окислительно-восстанавительная способность в десятки и сотни раз.

В хлоропластах взаимодействие соединений железа и марганца происходит при связи их с разными мембранами этих органелл. В эволюции фотосинтеза увеличение количества липофильных соединений металлов сопровождалось усилением их каталитической активности и ассимиляции углекислоты в условиях более яркого света и аэробной биосферы. В процессе всей эволюции биосферы среди поливалентных металлов железо в организмах оставалось важнейшим: его соединения принимали и принимают непосредственное участие во многих окислительно-восстановительных процессах.

Низкое содержание молибдена на Земле, участвующего в протекании ряда важных биохимических процессов в организмах, долгое время считалось препятствием происхождения жизни на Земле (Monod, 1997). Японский биохимик Ф. Эгами (1980) показал, что в водах мирового океана концентрация молибдена значительно выше, чем на Земле, и нисколько не уступает концентрации других элементов.

Изучение содержания металлов в различных группах низших и высших растений, сформировавшихся на разных этапах эволюции биосферы, показывает на заметные различия в их концентрациях, что объясняет разную степень участия металлов в эволюции в течение разных геологических эпох. Например, комплексные соединения железа, титана, меди и марганца, отличающиеся разными величинами окислительно-восстановительного потенциала, сыграли большую роль в эволюции фотоавтотрофных организмов. С участием металлов осуществлен переход организмов от гетеротрофии к фотосинтезу, от ферментативного брожения к ферментативно-окислительному дыханию, к выходу растений из гидросферы и заселению ими суши. Одновременно в сотни и тысячи раз возросла роль живых организмов, особенно растений, в миграциях многих элементов в биосфере, особенно при переходе от низших растений к высшим.

Многие одноклеточные организмы моря содержат большое количество связанного азота, отличаясь этим от водорослей (Algae) и всех цветковых и приближаясь в этом плане к животным. У них нет целлюлозы. Одноклеточные накапливают большие количества гидрооксидов Fe, Mn, A1, а некоторые также Са, а кроме металлов и Si. Отдельные группы водорослей, особенно Laminaria spp., а также многие виды рыб являются концентраторами J₂. Все виды моллюсков концентрируют Zn и Cu. Некоторые организмы накапливают много V, Mn, Fe, Со, Р, Са, Mg, Si, N (Виноградов, 1944).

Таким образом, материальной основой развития различных организмов – от бактерий до высших растений и животных – была и остается неорганическая природа, составные элементы которой являются неотъемлемой частью эволюции всего органического мира.