С появлением кислорода начал формироваться озоновый экран нашей планеты, что привело к отсечению УФ-лучей от солнечного спектра. В этих условиях, естественно, отбор пошел по пути все большего использования длинноволновой радиации в процессах углеродного метаболизма.
Переходными между аэробами и анаэробами являются хемоавтотрофы и фоторедукторы, особенности которых достаточно хорошо изучены (Э. Брода, 1978; М. В. Гусев, Г. Б. Гохлернер, 1981). Анаэробные фототрофы с сульфатным типом дыхания появились на 1 млрд. лет раньше аэробов. Аэробные механизмы возникают в виде дополнения к процессам брожения для увеличения выхода АТФ (аэробное окисление у молочнокислых бактерий) или нитратного дыхания, где нитраты (NO3—) служили акцепторами водорода (Э. Брода, 1978). В отличие от анаэробных механизмов окислительные надстройки по существу не являются универсальными, у различных групп современных организмов они значительно различаются между собой. Так, в частности, у прокариот окислительное генерирование энергии идет на наружной клеточной мембране и в ее впячиваниях, а у эукариот — на внутренней мембране митохондрий (Т. В. Чиркова, 1988).
Разница между аэробным и анаэробным дыханием состоит главным образом в акцепторах и продукции АТФ. Одной из важных надстроек при возникновении аэробногр дыхания является цикл Кребса (ЦТК), протекающий в митохондриях. Возникновение его связывают с циклом Арнона, характерным для зеленых серобактерий. Некоторые реакции ЦТК функционируют уже у клостридий и метанобразующих бактерий (при синтезе глутамата из α-кетоглутаровой кислоты). Существует мнение о начальном самостоятельном возникновении ди- и трикарбоновой части ЦТК, так как среди цианей и зеленых бактерий встречаются формы, у которых эти звенья еще не соединены, на уровне α-кетоглутаровой кислоты.
Электрон-транспортная дыхательная цепь, где происходит окисление НАД ∙ Н в аэробных условиях, складывается в результате «инверсии» фотосинтетической ЭТЦ (Г. Б. Гохлернер, 1977). Электрон в ЭТЦ дыхания передается постепенно переносчиками на акцепторы, причем от имеющих низкий окислительный потенциал к акцепторам с все большим окислительным потенциалом и, наконец, к кислороду. На один атом кислорода при окислительном фосфорилировании синтезируется три молекулы АТФ.
В связи с этим появление кислорода в атмосфере благодаря деятельности фототрофов, несомненно, должно было привести к изменению прежде всего донорно-акцепторных отношений в живой природе. Возникла задача «отработки» системы акцептирования агрессивного химического агента — кислорода. Первыми испытанию на надежность подвергались сами организмы, выделяющие кислород; их внутриклеточные компартменты и такие высокочувствительные к O2 ключевые ферменты, как нитрогеназа, гидрогеназа и РБФК. Ввиду выделения такими организмами кислорода и накопления его внутри себя они в конце концов должны были вымереть из-за прекращения, размножения и угнетения общего метаболизма.
Вероятность указанного процесса возрастала и по другой причине, в частности из-за возможности перевода хлорофилла a в сингелетное состояние, что грозило фотоокислительному повреждению его молекулы. Поэтому необходимы были системы внутриклеточной инактивации O2. Наиболее простой выход таился в рамках исходной клетки. Именно тогда могли проявиться присущие молекуле каротиноидов защитные свойства, благодаря их способности вступать во взаимодействие с триплетным состоянием хлорофилла и самим O2 следующим образом:
Каротиноиды + O2 → каротиноиды (триплетное состояние) + O2 → (основное состояние) → каротиноиды (триплетное состояние) → каротиноиды (основное состояние) + теплота.
Со способностью к подобным превращениям каротиноидов, в том числе и у существ, не выделяющих кислород, отчасти связано широкое распространение их в живой природе. Это обстоятельство делало возможным обитание таких анаэробных существ в соседстве с кислородовыделяющими формами.
Каротиноиды выполняли функцию фотопротекторов, защищая клетки и ткани от вредного действия видимой радиации и O2. Они служили в качестве светособирающих пигментов в восстановленной атмосфере в раннем периоде Земли. По мере насыщения атмосферы O2 эта функция каротиноидов постепенно утрачивалась, а фотопротекторная функция усиливалась (R. Maroti et al., 1984). В этом случае они играют роль «энергетического клапана» при изменении интенсивности света.
В то же время, как подчеркивает Р. Клейтон (1984), первичное устранение токсичности O2 могло быть достигнуто его использованием для окисления Fe2+, находящегося в большом количестве в водах и, следовательно, внутри самой клетки. При исчерпании возможностей каротиноидов и запасов Fe2+ (что наблюдалось по мере усиления фотосинтеза самой клетки) O2 начал выходить из клетки и поступать в окружающую среду примерно около 2 млрд. лет назад. При этом возросла опасность для окружающей жизни. Кислород мог выйти в атмосферу из клетки и после гибели его продуцента. Значимость такого выхода нельзя отрицать даже если при этом освобождалось 10-6 мг O2. Агрессивность O2 могла быть значительной в случае отмирания миллиардов существ, выделяющих кислород.
По указанным и другим причинам O2 становился все более губительным для окружающих существ, не выделяющих его. Опасность первичного O2 была связана с возможностью при его участии образования супероксидных радикалов O2—, гидроксидного радикала ОН, пероксида водорода H2O2, озона O3, сингелетно-возбужденного O2— и атомарного O состояний кислорода. В связи с этим защита живых организмов могла быть обеспечена путем или «укрытия» их в нишах, где нет O2, или выработки приспособлений для метаболической утилизации O2. Так, по имеющимся Данным, уже при содержании в атмосфере 0,2% O2 (что соответствует 0,01% от современного уровня его содержания) возникла необходимость переключения процессов брожения на аэробное дыхание.
Первичная толерантность к O2, как отмечено выше, была основана на использовании пассивных средств, защиты, т. е. возможностей самой среды (внутренней ивнешней). С накоплением O2 в среде часть его под действием УФ-лучей стала превращаться в O3. Так стад формироваться озоновый экран планеты. На значение озонового экрана в развитии жизни обращал внимание Л. С. Берг (1944), внося коррективы в гипотезу А. И. Опарина. В частности, Л. С. Берг писал, что до появления фотосинтезирующих растений, когда в стратосфере не было озонового экрана, жизнь могла возникнуть и тем более сохраниться только в местах, защищенных от губительного действия космических лучей. В качестве таких мест автор считал скопление воды на поверхности суши под обломками минеральных пород коры выветривания. Точно так же Н. Г. Холодный считал мелкие континентальные водоемы колыбелью земной жизни. По мнению Л. Г. Стеббинса (1982), первые фотосинтезирующие бактерии появляются в руслах рек или пресных мелководий. По общему признанию, озоновый экран стал играть эффективную роль в защите многих Организмов от губительных компонентов солнечного света. Возможно, именно это обстоятельство «вывело» жизнь из морской глубины на свет, т. е. на хорошо освещенную поверхность воды. Такой подъем был осуществлен и бесцветными формами жизни, что в итоге способствовало соприкосновению разнообразных существ с O2. И тем самым повышался успех отбора среди них достижением коренного решения проблемы защиты организмов от O2, метаболизацией его в энергетических целях для синтеза АТФ.
Поиск, судя по ныне живущим прокариотам, шел в разных направлениях, в частности имел место отбор организмов по способности синтеза специальных ферментов (супероксиддисмутаза, каталаза, пероксидаза) и клеточных метаболитов (каротиноидов), формирования сообществ (из разных по устойчивости к O2 организмов) и структур (митохондрий и хлоропластов), а также по использованию O2 при азотфиксации, люминесценции и т. п. По этой причине у многих современных анаэробных прокариот найден тот или иной путь защиты от O2, позволяющий им жить в аэробной среде. Сказанное можно демонстрировать и наблюдениями о поглощении O2 некоторой частью современных анаэробных прокариот при столкновении с ним (М. В. Гусев, Л. А. Минеева, 198S).
Использование O2 прокариотами в последующем пошло по пути ферментативного и неферментативного (прямое внедрение в молекулу) взаимодействия. Аэротолерантность первично возникает у форм с субстратным фосфорилированием. Так, молочнокислые бактерии способны, не используя O2 в, метаболизме, восстановить его до H2O2 благодаря наличию флавиновых ферментов. У них пероксид накапливается в клетке из-за отсутствия каталазы. У анаэробных пропионовокислых бактерий аэротолерантность обеспечивается наличием супероксидцисмутазы, каталазы и пероксидазы для обезвреживания супероксидного аниона и H2O2. Эволюция у пропионовых бактерий пошла еще дальше по пути приспособления к аэробным условиям, у них обнаружены цитохромы, реакции ПФП и ЦТК. В связи с этим у пропионовых бактерий расширяются возможности использования разных сред и пути вовлечения CO2 в метаболизм. С формированием ПФП становится Возможной полная деградация углеводов и начинается эра переноса отщепленного при этом водорода на кислород.
Эволюция по пути метаболического использования O2 привела в вовлечению его в реакции как акцептора электронов и источника энергии для клетки. В этом как раз большую роль призваны были сыграть складывающиеся ферментативный комплекс (для запасания АТФ) и ЭТЦ, участвующая в переносе протонов через мембрану и электронов на O2. Согласно представлениям П. Митчела, указанные два процесса могли сложиться неодновременно, причем у разных существ. Поэтому возникает проблема их объединения в одном существе для эффективного метаболического использования O2, что могло быть достигнуто или симбиозом разных существ, или мутационным преобразованием других звеньев метаболизма (ЭТЦ фотосинтеза в дыхательную цепь). Мы не знаем, как обстояло здесь дело, хотя многие полагают наиболее вероятным второй путь.
Как бы то ни было, возникает способность полного отщепления Н2 от субстрата, переноса его на O2 и преобразования энергий такого переноса в химическую энергию АТФ. Это стало возможным после возникновения ЦТК в результате «надстройки» некоторых реакций на анаэробные энергетические механизмы клетки. Неполный, или «разорванный» ЦТК обнаружен у ряда анаэробных фототрофных бактерий, цианей и др. О роли и степени выраженности ЦТК у разных прокариот достаточно сказано (М. В. Гусев, Л. А Минеева, 1985). Для нас же важно, что указанный цикл стал функционировать первоначально наиболее полно у фототрофов — цианей и многих пурпурных бактерий. Именно выделение O2 последними «вдохнуло» жизнь в «выжидающие» реакции ЦТК, т. е. подключило последние к системе энергодобычи. Это произошло на критических этапах эволюции жизни на Земле, когда к системе энергообеспечения стали предъявляться повышенные требования: выжить или вымереть существам.
Стабилизация ЦТК в ходе эволюции связана с возможностью получения наибольшего количества АТФ и обеспечения значительной эффективности процесса из-за присоединения промежуточного метаболита к другой молекуле с низкой молекулярной массой (Н. A Krebs, 1981).