Ученый предложивший идею биохимической эволюции. Теория биохимической эволюции, ее плюсы и минусы

Одним из главным препятствий, стоявших в начале XX в. на пути решения проблемы возникновения жизни, было господствовавшее в науке и основанное на повседневном опыте убеждение, что между органическими и неорганическими соединениями не существует никакой взаимосвязи. До середины XX в. многие ученые полагали, что органические соединения могут возникать только в живом организме, биогенно. Именно поэтому их назвали органическими соединениями в противоположность веществам неживой природы - минералам, которые получили название неорганических соединений. Считалось, что природа неорганических веществ совершенно иная, а поэтому возникновение даже простейших организмов из неорганических веществ принципиально невозможно. Однако, после того как из обычных химических элементов было синтезировано первое органическое соединение, представление о двух разных сущностях органических и неорганических веществ оказалось несостоятельным. В результате этого открытия возникли органическая химия и биохимия, изучающие химические процессы в живых организмах.

Кроме того, данное научное открытие позволило создать теорию биохимической эволюции, согласно которой жизнь на Земле возникла в результате физических и химических процессов. Исходную основу этой гипотезы составили данные о сходстве веществ, входящих в состав растений и животных, а также о возможности в лабораторных условиях синтезировать органические вещества, составляющие белок.

Эти открытия легли в основу теории А.И. Опарина, опубликованной в 1924 г. в книге "Происхождение жизни", где была изложена принципиально новая гипотеза происхождения жизни. Он выступил с утверждением, что принцип Реди, вводящий монополию биотического синтеза органических веществ, справедлив лишь для современной эпохи существования нашей планеты. В начале же своего существования, когда Земля была безжизненной, на ней происходили абиотические синтезы углеродистых соединений и их последующая предбиологическая эволюция.

Появление жизни он рассматривал как единый естественный процесс, который состоял из протекавшей в условиях ранней Земли первоначальной химической эволюции, перешедшей постепенно на качественно новый уровень - биохимическую эволюцию. Суть гипотезы сводилась к следующему: зарождение жизни на Земле - длительный эволюционный процесс становления живой материи в недрах неживой. И произошло это путем химической эволюции, в результате которой простейшие органические вещества образовались из неорганических под влиянием сильнодействующих физико-химических факторов.

Рассматривая проблему возникновения жизни путем биохимической эволюции, Опарин выделяет три этапа перехода от неживой материи к живой: эволюция биохимический естествознание

• 1. этап синтеза исходных органических соединений из неорганических веществ в условиях первичной атмосферы ранней Земли;
• 2. этап формирования в первичных водоемах Земли из накопившихся органических соединений биополимеров, липидов, углеводородов;
• 3. этап самоорганизации сложных органических соединений, возникновение на их основе и эволюционное совершенствование процессов обмена веществом и воспроизводства органических структур, завершающееся образованием простейшей клетки.

На первом этапе, около 4 млрд. лет назад, когда Земля была безжизненной, на ней происходили абиотический синтез углеродистых соединений и их последующая предбиологическая эволюция. Для этого периода эволюции Земли были характерны многочисленные вулканические извержения с выбросом огромного количества раскаленной лавы. По мере остывания планеты водяные пары, находившиеся в атмосфере, конденсировались и обрушивались на Землю ливнями, образуя огромные водные пространства. Поскольку поверхность Земли оставалась все-таки горячей, вода испарялась, а затем, охлаждаясь в верхних слоях атмосферы, вновь выпадала на поверхность планеты. Эти процессы продолжались многие миллионы лет. Таким образом, в водах первичного океана были растворены различные соли. Кроме того, в него попадали и органические соединения: сахара, аминокислоты, азотистые основания, органические кислоты и т.п., непрерывно образующиеся в атмосфере под действием ультрафиолетового излучения, высокой температуры и активной вулканической деятельности.

Первичный океан, вероятно, содержал в растворенном виде различные органические и неорганические молекулы, попавшие в него из атмосферы и поверхностных слоев Земли. Концентрация органических соединений постоянно увеличивалась, и в конце концов воды океана стали "бульоном" из белковоподобных веществ - пептидов.

На втором этапе, по мере смягчения условий на Земле, под воздействием на химические смеси первичного океана электрических разрядов, тепловой энергии и ультрафиолетовых лучей стало возможным образование сложных органических соединений - биополимеров и нуклеотидов, которые, постепенно объединяясь и усложняясь, превращались в протобионтов. Итогом эволюции сложных органических веществ стало появление коацерватов, или коацерватных капель.

Коацерваты - это комплексы коллоидных частиц, раствор которых разделяется на два слоя: слой, богатый коллоидными частицами, и жидкость, почти свободную от них. Коацерваты обладали способностью поглощать различные вещества, растворенные в водах первичного океана. В результате внутреннее строение коацерватов менялось, что вело или к их распаду, или к накоплению веществ, т.е. к росту и изменению химического состава, повышающего их устойчивость в постоянно меняющихся условиях. Теория биохимической эволюции рассматривает коацерваты как предбиологические системы, представляющие собой группы молекул, окруженные водной оболочкой. Коацерваты оказались способными поглощать из внешней среды различные органические вещества, что обеспечило возможность первичного обмена веществ со средой.

На третьем этапе, как предполагал Опарин, начал действовать естественный отбор. В массе коацерватных капель происходил отбор коацерватов, наиболее устойчивых к данным условиям среды. Процесс отбора шел в течение многих миллионов лет, в результате чего сохранилась только малая часть коацерватов. Однако сохранившиеся коацерватные капли обладали способностью к первичному метаболизму. А обмен веществ - первейшее свойство жизни. Вместе с тем, достигнув определенных размеров, материнская капля могла распадаться на дочерние, которые сохраняли особенности материнской структуры. Таким образом, можно говорить о приобретении коацерватами свойства самовоспроизведения - одного из важнейших признаков жизни. По сути дела, на этой стадии коацерваты превратились в простейшие живые организмы.

Дальнейшая эволюция этих предбиологических структур была возможна только при усложнении обменных и энергетических процессов внутри коацервата. Более прочную изоляцию внутренней среды от внешних воздействий могла обеспечить только мембрана. Вокруг коацерватов, богатых органическими соединениями, возникли слои липидов, отделившие коацерват от окружающей его водной среды. В процессе эволюции липиды трансформировались в наружную мембрану, что значительно повысило жизнеспособность и устойчивость организмов. Появление мембраны предопределило направление дальнейшей химической эволюции по пути все более совершенной саморегуляции вплоть до возникновения первых клеток.

Популярность теории Опарина в научном мире очень велика. Однако большая часть экспериментов, развивших идеи ученого, была проведена только в 1950--1960-е гг. Так, в 1953 г. С. Миллер в ряде экспериментов смоделировал условия, существовавшие на раннем этапе эволюции Земли. В сделанной им установке были синтезированы многие аминокислоты, аденин, простые сахара и другие вещества, имеющие важное биологическое значение. После этого Л. Орджел в сходном эксперименте синтезировал простые нуклеиновые кислоты. Но, несмотря на экспериментальную обоснованность и теоретическую убедительность, теория Опарина имеет как сильные, так и слабые стороны.

Сильной стороной теории является достаточно точное экспериментальное обоснование химической эволюции, согласно которой зарождение жизни является закономерным результатом добиологической эволюции материи. Убедительным аргументом в пользу этой теории является также возможность экспериментальной проверки ее основных положений. Это касается не только лабораторного воспроизведения предполагаемых физико-химических условий первичной Земли, но и коацерватов, имитирующих доклеточных предков и их функциональные особенности.

Слабой стороной теории является невозможность объяснения самого момента скачка от сложных органических соединений к живым организмам, ведь ни в одном из поставленных экспериментов получить жизнь так и не удалось. Кроме того, Опарин допускал возможность самовоспроизведения коацерватов в отсутствие молекулярных систем с функциями генетического кода. Иными словами, без реконструкции эволюции механизма наследственности объяснить процесс скачка от неживого к живому не удается. Поэтому сегодня считается, что решить эту сложнейшую проблему биологии без привлечения концепции открытых каталитических систем, молекулярной биологии, а также кибернетики не получится.

Проблема возникновения жизни на Земле и возможность существования ее внеземных форм является фундаментальной не только для биологии, но и для естествознания в целом. Среди основных гипотез, пытающихся объяснить возникновение жизни, наиболее известны следующие:

креационизм - жизнь была создана сверхъестественным существом в определенное время;

происхождение жизни из неживой природы - жизнь возникала самопроизвольно из неживого вещества;

панспермия - жизнь занесена на нашу планету извне;

биохимическая эволюция - жизнь возникла в ходе закономерного, самоусложняющегося развития природы в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам.

Креационизм. Согласно креационизму жизнь возникла в результате какого-то сверхъестественного события в прошлом. Эта концепция признает неизменность видов живых существ, е е придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религиозных учений.

Происхождение жизни из неживой природы. Эта гипотеза была распространена в Древнем Китае, Вавилоне и Египте в качестве альтернативы креационизму. Согласно гипотезе жизнь возникла спонтанно из неживого вещества под воздействием некоего «активного начала». Приверженцами гипотезы о самопроизвольном зарождении живых организмов из неживой природы были Аристотель, Галилей, Декарт, Гегель, Ламарк.

Панспермия (от греч. pan - все и sperma - семя). В XIX веке была выдвинута гипотеза вечного, повсеместного существования жизни в Космосе в виде «зародышей жизни», и ее космического происхождения на Земле. Эта гипотеза, как и гипотеза о самозарождении жизни, не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, поэтому ее нельзя считать теорией возникновения жизни как таковой. Гипотеза панспермии утверждает, что жизнь могла возникнуть один или несколько раз в разное время и в разных частях Вселенной. Для обоснования этой гипотезы используется информация о многократных появлениях НЛО, наскальные изображения объектов, похожих на ракеты и «космонавтов», а также сообщения о встречах с инопланетянами. В начале XX века идею панспермии развивал русский ученый В.И.Вернадский.

Биохимическая эволюция. В современной науке принята гипотеза абиогенного (небиологического) происхождения жизни в результате процессов абиогенеза. Абиогенез - длительный процесс космической, геологической и химической эволюции. Основоположниками этой гипотезы являются русский ученый А. И. Опарин и английский естествоиспытатель Дж. Холдейн.

Согласно абиогенезу нужны четыре основных условия для появления живого из неживого:

Наличие определенных химических веществ,

Наличие источника энергии,

Отсутствие газообразного кислорода,

Длительное время.

Выделяют три основных этапа абиогенеза.

Первый этап связан с химической эволюцией . После возникновения (5 млрд. лет назад) Земля представляла собой раскаленный шар. Температура поверхности в начальный период была 4000-8000°С, и по мере остывания тяжелые химические элементы перемещались к центру Земли, а легкие скапливались на поверхности. Углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались и впоследствии стали основой земной коры. Химические элементы взаимодействовали друг с другом и образовали молекулы неорганических веществ (воды, азота, углекислого газа, аммиака, метана, сероводорода). По мере остывания происходила конденсация водяных паров, что привело к формированию водоемов, в которых растворялись различные неорганические соединения.

Второй этап возникновения жизни связан с появлением белковых веществ (биополимеров) . Земная жизнь имеет углеродную основу (см. химию). А. И. Опарин в своей работе «Происхождение жизни» (1924 г) высказал мнение, что органические вещества - основа жизни - могли возникнуть из более простых углеродных соединений при их концентрации в первичном океане. Подобную идею в 1927 году предложил английский естествоиспытатель Дж. Холдейн. Источником энергии для реакции синтеза органических веществ были солнечная радиация и тепло Земли. Излучение беспрепятственно проникало на Землю, поскольку озонового слоя в первичной атмосфере еще не было. В первичной атмосфере не было и кислорода. Кислород, будучи сильным окислителем, моментально разрушил бы органические соединения, поэтому его отсутствие облегчало синтез биополимеров.

В 1953 г. Стэнли Миллер (США) предпринял попытку экспериментальной проверки гипотезы Опарина–Холдейна. В установке он смоделировал условия, предположительно существовавшие на ранней Земле. Смесь газов (водяные пары, метан, аммиак и водород) в течение недели подвергали воздействию электрических разрядов высокого напряжения, после чего в «ловушке» было обнаружено 15 аминокислот. Позднее в подобных экспериментах были синтезированы простые нуклеиновые кислоты.

Органические вещества, накапливаясь в океане, образовали «первичный бульон», затем они стали объединяться в студнеобразные сгустки - коацерваты (от лат. coacervus - сгусток). За счет физико-химических процессов, происходивших в «первичном бульоне», коацерватные капли увеличивались в размерах, получили способность делиться на части, поглощать вещества из окружающей среды, т.е. приобрели признаки роста, размножения и обмена веществ. Однако коацерваты не были способны к самовоспроизводству и саморегуляции.

Третий этап возникновения жизни связан с формированием у органических соединений способности к самовоспроизводству . Началом жизни следует считать возникновение стабильной самовоспроизводящейся органической системы с постоянной последовательностью нуклеотидов. Поглощение коацерватами металлов привело к образованию ферментов, ускоряющих биохимические процессы, а появление границ между коацерватами и окружающей средой (полупроницаемых мембран) обеспечило стабильность коацерватов.

Возникновение жизни объясняется взаимодействием нуклеиновых кислот (ДНК) и белков. В результате включения их в коацерват могла возникнуть примитивная клетка, способная к росту и размножению. Нуклеиновые кислоты являются носителями генетической информации, а белки служат катализаторами химических реакций, протекающих внутри коацервата. Таким образом, сложная открытая органическая система приобрела основные признаки живого – способность к самоорганизации, саморегуляции и самовоспроизводству, и стала прообразом единицы живого - клетки.

Биологическая эволюция . Биологическая эволюция начинается с возникновения клеточной организации и идет по пути совершенствования строения и функций клетки, образования многоклеточных организмов, разделения живого на царства растений, животных, грибов с последующей их дифференциацией на виды.

Жизнь на Земле возникла 3,5 млрд. лет назад. В это время появились первые живые клетки – прокариоты. Прокариоты – это безъядерные клетки. Они представлены бактериями и сине-зелеными водорослями. Прокариоты могли жить без кислорода и в качестве питательных веществ использовали вещества «первичного бульона». «Первичный бульон» истощался, и в процессе эволюции преимущества получали те клетки, которые могли использовать солнечный свет для самостоятельного синтеза необходимых веществ (фотосинтез). Так появились автотрофы, а в первичную атмосферу стал поступать кислород.

1,5 - 2 млрд. лет назад появляются эукариоты – организмы, клетки которых содержат ядро. Примерно 1 млрд. лет назад произошло разделение эукариотов на растительные и животные клетки.

Следующим существенным шагом в биологической эволюции стало появление 900 млн. лет назад полового размножения . Половое размножение значительно повышает видовое разнообразие, приспособляемость и способствует ускорению эволюции.

Появление первых многоклеточных организмов произошло примерно 800 млн. лет назад. У них развиваются органы и ткани, происходит дифференциация их функций.

500 – 440 млн. лет назад появляются первые плотоядные и позвоночные, а примерно 410 млн. лет назад живые организмы выходят на сушу.

Важным моментом биологической эволюции является появление и развитие нервной системы и мозга, что позволило организмам увеличить разнообразие реакций на воздействие окружающей среды.

В условиях похолодания в начале кайнозоя значительное эволюционное преимущество получили теплокровные животные.

Примерно 8 млн. лет назад начали формироваться современные семейства млекопитающих. В этот период появились разнообразные виды приматов и тем самым сложились предпосылки для начала антропогенеза. Антропогенез - часть биологической эволюции, которая привела к появлению вида Homo sapiens.

2 – 3 млн. лет назад началось очередное вымирание лесов. Одна из групп антропоидных обезьян постепенно стала осваивать открытые пространства. Предположительно от этих обезьян произошли люди.

Сейчас жизнь на земле представлена клеточными и доклеточными формами. Доклеточные организмы - это вирусы и фаги, клеточные разделяют на четыре царства: микроорганизмы, грибы, растения и животные.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Российский университет дружбы народов

Институт иностранных языков

Направление: «Лингвистика»

Профиль обучения: «Перевод и переводоведение»

Реферат

По дисциплине: «Концепции современного естествознания»

На тему: «Теория биохимической эволюции»

Выполнила: студентка 1 курса, гр. ЛДп-111

Рустамова Сарья

Преподаватель: Мраченко Екатерина Аркадьевна

Москва, 2015

Теория биохимической эволюции. Гипотеза А. И. Опарина о возникновении жизни на Земле опирается на представление о постепенном усложнении химической структуры и морфологического облика предшественников жизни пробионтов на пути к живым организмам.

Коацерваты - это обособленные в растворе органические многомолекулярные структуры. Это еще не живые существа. Их возникновение рассматривают как стадию развития преджизни. Наиболее важным этапом в происхождении жизни было возникновение механизма воспроизведения себе подобных и наследования свойств предыдущих поколений. Это стало возможным благодаря образованию сложных комплексов нуклеиновых кислот и белков. Нуклеиновые кислоты, способные к самовоспроизведению, стали контролировать синтез белков, определяя в них порядок аминокислот.

Исследование факторов, путей и закономерностей этого процесса составляет задачу одного из основных разделов антропологии учения об антропогенезе. К главным проблемам антропогенеза относятся место прародина и время появления древнейших людей непосредственные предки человека основные стадии, движущие силы, на различных его этапах соотношение эволюции физического типа человека с историческим прогрессом его культуры, развитием первобытного общества и речи. Решение коренных и частных проблем антропогенеза осуществляется с помощью данных антропологии особенно палеоантропологии и близких наук эволюционной морфологии и эмбриологии, приматологии, палеонтологии приматов, психологии и физиологии, геологии палеогена, неогена и антропогена, археологии палеолита, этнографии и лингвистики. Антропогенез как единый процесс эволюционного становления человека и исторического формирования общества может быть разделены на стадии, смена которых была связана с наиболее значительными качественными преобразованиями в трудовой деятельности человека, в его морфологии и сознании, в структуре социальной организации.

Стадиальный подход к проблеме антропогенеза крупная заслуга ученых антропологов, археологов, историков первобытного общества, философов. Большинство исследователей выделяет в антропогенезе три стадии - антропоидные предки человека высокоразвитые двуногие приматы, систематически пользовавшиеся в качестве орудий естественными предметами палками, камнями, обломками костей животных - древнейшие и древние люди архантропы и палеоантропы, с которыми связано появление искусственно изготовленных орудий труда, их усложнение до известных пределов, начальная форма общественной организации - люди современного физического строения неоантропы, начало этой стадии относится к эпохе позднего палеолита. Атмосфера была, по-видимому, “восстановительной”, о чем свидетельствует наличие в самых древних горных породах Земли металлов в восстановленной форме, таких как двухвалентное железо. Более молодые горные породы содержат металлы в окисленной форме, например трехвалентное железо. Отсутствие в атмосфере кислорода было, вероятно, необходимым условием для возникновения жизни; лабораторные опыты показывают, что, как это ни парадоксально, органические вещества (основа живых организмов) гораздо легче создаются в восстановительной среде, чем в атмосфере богатой кислородом.

В 1923 г. А. И. Опарин высказал мнение, что атмосфера первичной Земли была не такой, как сейчас, а примерно соответствовала сделанному выше описанию. Исходя из теоретических соображений, он полагал, что органические вещества, возможно углеводороды, могли создаваться в океане из более простых соединений; энергию для этих реакций синтеза, вероятно, доставляла интенсивная солнечная радиация (главным образом ультрафиолетовая), падавшая на Землю до того, как образовался слой озона, который стал задерживать большую ее часть. По мнению Опарина, разнообразие находившихся в океанах простых соединений, площадь поверхности Земли, доступность энергии и масштабы времени позволяют предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества и образовался тот “первичный бульон”, в котором могла возникнуть жизнь. Эта идея была не нова: в 1871 г. сходную мысль высказал Дарвин:

“Часто говорят, что все необходимые для создания живого организма условия, которые могли когда-то существовать, имеются и в настоящее время. Но если (ох, какое это большое “если”) представить себе, что в каком-то небольшом теплом пруду, содержащем всевозможные аммонийные и фосфорные соли, при наличии света, тепла, электричества и т.п. образовался бы химическим путем белок, готовый претерпеть еще более сложные превращения, то в наши дни такой материал непрерывно пожирался бы или поглощался, чего не могло случиться до того, как появились живые существа”.

В 1953 г. Стэнли Миллер в ряде экспериментов моделировал условия, предположительно существовавшие на первобытной Земле. В созданной им установке (рис. 24.1), снабженной источником энергии, ему удалось синтезировать многие вещества, имеющие важное биологическое значение, в том числе ряд аминокислот, аденин и простые сахара, такие как рибоза. После этого Орджел в Институте Солка в сходном эксперименте синтезировал нуклеотидные цепи длиной в шесть мономерных единиц (простые нуклеиновые кислоты). Самое трудное для этой теории - объяснить появление способности живых систем к самовоспроизведению. Гипотезы по этому вопросу пока мало убедительны.

опарин антропогенез белковый коллоидный

Опарин полагал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежала белкам. Благодаря амфотерности белковых молекул они способны к образованию коллоидных гидрофильных комплексов -притягивают к себе молекулы воды, создающие вокруг них оболочку. Эти комплексы могут обособляться от всей массы воды, в которой они суспендированы водной фазы, и образовывать своего рода эмульсию. Слияние таких комплексов друг с другом приводит к отделению коллоидов от водной

среды -процесс, называемый коацервацией от лат. coacervus - сгусток или куча. Богатые коллоидами коацерваты, возможно, были способны обмениваться с окружающей средой веществами и избирательно накапливать различные соединения, в особенности кристаллоиды. Коллоидный состав данного коацервата, очевидно, зависел от состава среды. Разнообразие состава бульона в разных местах вело к различиям в химическом составе коацерватов и поставляло сырье для биохимического естественного отбора.Предполагается, что в самих коацерватах входящие в их состав вещества вступали в дальнейшие химические реакции при этом происходило поглощение коацерватами ионов металлов и образование ферментов. На границе между коацерватами и внешней средой выстраивались молекулы липидов сложные углеводороды, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивавшей концерватам стабильность.

Восстановительный характер первичной атмосферы Земли чрезвычайно важен для зарождения жизни, поскольку вещества в восстановленном состоянии обладают высокой реакционной способностью и в определенных условиях способны взаимодействовать друг с другом, образуя органические молекулы. Отсутствие в атмосфере первичной Земли свободного кислорода (практически весь кислород Земли был связан в виде окислов) также является важной предпосылкой возникновения жизни, поскольку кислород легко окисляет и тем самым разрушает органические соединения. Поэтому при наличии в атмосфере свободного кислорода накопление на древней Земле значительного количества органических веществ было бы невозможно.

Около 5 млрд лет т.п. -- возникновение Земли как небесного тела; температура поверхности -- 4000-8000°С

Около 4 млрд лет т.н. - формирование земной коры и первичной атмосферы

При температуре 1000°С -- в первичной атмосфере начинается синтез простых органических молекул

Рис. 2.4.1.1. Основные этапы химической эволюции

Температура первичной атмосферы ниже 100°С -- формирование первичного океана.

Синтез сложных органических молекул -- биополимеров из простых органических молекул:

§ простые органические молекулы -- мономеры

§ сложные органические молекулы -- биополимеры

Когда температура первичной атмосферы достигает 1000°С, в ней начинается синтез простых органических молекул, таких, как аминокислоты, нуклеотиды, жирные кислоты, простые сахара, многоатомные спирты, органические кислоты и др. Энергию для синтеза поставляют грозовые разряды, вулканическая деятельность, жесткое космическое излучение и, наконец, ультрафиолетовое излучение Солнца, от которого Земля еще не защищена озоновым экраном, причем именно ультрафиолетовое излучение ученые считают основным источником энергии для абиогенного (т.е. проходящею без участия живых организмов) синтеза органических веществ.

Признанию и широкому распространению теории А.И. Опарина во многом способствовало то, что процессы абиогенного синтеза органических молекул легко воспроизводятся в модельных экспериментах.

Возможность синтеза органических веществ из неорганических была известна с начала 19 в. Уже в 1828 г. выдающийся немецкий химик Ф. Вёлер синтезировал органическое вещество -- мочевину из неорганическою -- циановокислого аммония. Однако возможность абиогенного синтеза органических веществ в условиях, близких к условиям древней Земли, была впервые показана в опыте С. Миллера.

В 1953 г. молодой американский исследователь, студент- дипломник Чикагского университета Стенли Миллер воспроизвел в стеклянной колбе с впаянными в нес электродами первичную атмосферу Земли, которая, по мнению ученых того времени, состояла из водорода метана СН 4 , аммиака NH, и паров воды Н 2 0 (рис. 2.4.1.2). Через эту газовую смесь С. Миллер в течение недели пропускал электрические разряды, имитирующие грозовые. По окончании эксперимента в колбе были обнаружены б-аминокислоты (глицин, аланин, аспарагин, глутамин), органические кислоты (янтарная, молочная, уксусная, гликоколовая), у-оксимасляная кислота и мочевина. При повторении опыта С. Миллеру удалось получить отдельные нуклеотиды и короткие полинуклеотидные цепочки из пяти-шести звеньев.

Рис. 2.4.1.2. Установка С. Миллера

В дальнейших опытах по абиогенному синтезу, проводимых различными исследователями, использовались не только электрические разряды, но и другие виды энергии, характерные для древней Земли, -- космическое, ультрафиолетовое и радиоактивное излучения, высокие температуры, присущие вулканической деятельности, а также разнообразные варианты газовых смеси, имитирующих первичную атмосферу. В результате был получен практически весь спектр органических молекул, характерных для живого: аминокислоты, нуклеотиды, жироподобные вещества, простые сахара, органические кислоты.

Более того, абиогенный синтез органических молекул может происходить на Земле и в настоящее время (например, в процессе вулканической деятельности). При этом в вулканических выбросах можно обнаружить не только синильную кислоту HCN, являющуюся предшественником аминокислот и нуклеотидов, но и отдельные аминокислоты, нуклеотиды и даже такие сложные по строению органические вещества, как порфирины. Абиогенный синтез органических веществ возможен не только на Земле, но и в космическом пространстве. Простейшие аминокислоты обнаружены в составе метеоритов и комет.

Когда температура первичной атмосферы опустилась ниже 100°С, на Землю обрушились горячие дожди и появился первичный океан. С потоками дождя в первичный океан поступали абиогенно синтезированные органические вещества, что превратило его, но образному выражению английского биохимика Джона Холдейна, в разбавленный «первичный бульон». По-видимому, именно в первичном океане начинаются процессы образования из простых органических молекул -- мономеров сложных органических молекул -- биополимеров (см. рис. 2.4.1.1).

Однако процессы полимеризации отдельных нуклеогидов, аминокислот и Сахаров -- это реакции конденсации, они протекают с отщеплением воды, следовательно, водная среда способствует не полимеризации, а, напротив, гидролизу биополимеров (т.е. разрушению их с присоединением воды).

Образование биополимеров (в частности, белков из аминокислот) могло происходить в атмосфере при температуре около 180°С, откуда они смывались в первичный океан с атмосферными осадками. Кроме того, возможно, на древней Земле аминокислоты концентрировались в пересыхающих водоемах и полимеризовались в сухом виде под действием ультрафиолетового света и тепла лавовых потоков.

Несмотря на то что вода способствует гидролизу биополимеров, в живой клетке синтез биополимеров осуществляется именно в водной среде. Этот процесс катализируют особые белки-катализаторы -- ферменты, а необходимая для синтеза энергия выделяется при распаде аденозинтрифосфорной кислоты -- АТФ. Возможно, синтез биополимеров в водной среде первичного океана катализировался поверхностью некоторых минералов. Экспериментально показано, что раствор аминокислоты аланина может полимеризоваться в водной среде в присутствии особого вида глинозема. При этом образуется пептид полиаланин. Реакция полимеризации аланина сопровождается распадом АТФ.

Полимеризация нуклеотидов проходит легче, чем полимеризация аминокислот. Показано, что в растворах с высокой концентрацией солей отдельные нуклеотиды самопроизвольно полимеризуются, превращаясь в нуклеиновые кислоты.

Жизнь всех современных живых существ -- это процесс непрерывного взаимодействия важнейших биополимеров живой клетки -- белков и нуклеиновых кислот.

Белки -- это «молекулы-рабочие», «молекулы-инженеры» живой клетки. Характеризуя их роль в обмене веществ, биохимики часто используют такие образные выражения, как «белок работает», «фермент ведет реакцию».

Важнейшая функция белков - каталитическая . Как известно, катализаторы -- это вещества, которые ускоряют химические реакции, но сами в конечные продукты реакции не входят.

Бачки-катализаторы называются ферментами. Ферменты в согни и тысячи раз ускоряют реакции обмена веществ. Обмен веществ, а значит, и жизнь без них невозможны.

Нуклеиновые кислоты -- это «молекулы-компьютеры», молекулы -- хранители наследственной информации. Нуклеиновые кислоты хранят информацию не обо всех веществах живой клетки, а только о белках. Достаточно воспроизвести в дочерней клетке белки, свойственные материнской клетке, чтобы они точно воссоздали все химические и структурные особенности материнской клетки, а также свойственный ей характер и темпы обмена веществ. Сами нуклеиновые кислоты также воспроизводятся благодаря каталитической активности белков.

Таким образом, тайна зарождения жизни -- это тайна возникновения механизма взаимодействия белков и нуклеиновых кислот. Какими же сведениями об этом процессе располагает современная наука? Какие молекулы явились первичной основой жизни -- белки или нуклеиновые кислоты?

Ученые полагают, что несмотря на ключевую роль белков в обмене веществ современных живых организмов, первыми «живыми» молекулами были не белки, а нуклеиновые кислоты, а именно рибонуклеиновые кислоты (РНК).

В 1982 г. американский биохимик Томас Чек открыл автокаталитические свойства РНК. Он экспериментально показал, что в среде, содержащей в высокой концентрации минеральные соли, рибонуклеотиды спонтанно (самопроизвольно) полимеризуются, образуя полинуклеотиды -- молекулы РНК. На исходных поли- нуклеотидных цепях РНК, как на матрице, путем спаривания комплементарных азотистых оснований образуются РНК-ко- пии. Реакция матричного копирования РНК катализируется исходной молекулой РНК и не требует участия ферментов либо других белков.

Дальнейшие события достаточно хорошо объясняются процессом, который можно было бы назвать «естественным отбором» на уровне молекул. При самокопировании (самосборке) молекул РНК неизбежно возникают неточности, ошибки. Содержащие ошибки копии РНК снова копируются. При повторном копировании вновь могут возникнуть ошибки. В результате популяция молекул РНК на определенном участке первичного океана будет неоднородна.

Поскольку параллельно с процессами синтеза идут и процессы распада РНК, в реакционной среде будут накапливаться молекулы, обладающие либо большей стабильностью, либо лучшими автокаталитическими свойствами (т.е. молекулы, которые быстрее себя копируют, быстрее «размножаются»).

На некоторых молекулах РНК, как на матрице, может происходить самосборка небольших белковых фрагментов -- пептидов. Вокруг молекулы РНК образуется белковый «чехол».

Наряду с автокаталитическими функциями Томас Чек обнаружил у молекул РНК и явление самосплайсинга. В результате самосплайсинга участки РНК, не защищенные пептидами, самопроизвольно удаляются из РНК (они как бы «вырезаются» и «выбрасываются»), а оставшиеся участки РНК, кодирующие белковые фрагменты, «срастаются», т.е. самопроизвольно объединяются в единую молекулу. Эта новая молекула РНК уже будет кодировать большой сложный белок (рис. 2.4.1.3).

По-видимому, первоначально белковые чехлы выполняли в первую очередь, защитную функцию, предохраняя РНК от разрушения и повышая тем самым ее стабильность в растворе (такова функция белковых чехлов и у простейших современных вирусов).

Очевидно, что на определенном этапе биохимической эволюции преимущество получили молекулы РНК, кодирующие не только защитные белки, но и белки-катализаторы (ферменты), резко ускоряющие скорость копирования РНК. По-видимому, именно таким образом и возник процесс взаимодействия белков и нуклеиновых кислот, который мы в настоящее время называем жизнью.

В процессе дальнейшего развития, благодаря появлению белка с функциями фермента -- обратной транскриптазы, на одно- цепочечных молекулах РНК стали синтезироваться состоящие из двух цепей молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Отсутствие у дезоксирибозы ОН-группы в 2" положении делает молекулы ДНК более стабильными по отношению к гидролитическому расщеплению в слабощелочных растворах, а именно слабощелочной была реакция среды в первичных водоемах (эта реакция среды сохранилась и в цитоплазме современных клеток).

Где же происходило развитие сложного процесса взаимодействия белков и нуклеиновых кислот? По теории А.И. Опарина, местом зарождения жизни стали так называемые коацерватные капли.

Рис. 2.4.1.3. Гипотеза возникновения взаимодействия белков и нуклеиновых кислот: а) в процессе самокопирования РНК накапливаются ошибки (1 -- нуклеотиды, соответствующие исходной РНК; 2 -- нуклеотиды, не соответствующие исходной РНК, -- ошибки в копировании); б) на часть молекулы РНК за счет ее физико-химических свойств «налипают» аминокислоты (3 -- молекула РНК; 4 -- аминокислоты), которые, взаимодействуя друг с другом, превращаются в короткие белковые молекулы -- пептиды.

В результате свойственного молекулам РНК самосплайсинга незащищенные пептидами участки молекулы РНК разрушаются, а оставшиеся «срастаются» в единую молекулу, кодирующую крупный белок.

В результате возникает молекула РНК, покрытая белковым чехлом (сходное строение имеют и наиболее примитивные современные вирусы, например вирус табачной мозаики)

Явление коацервации состоит в том, что в некоторых условиях (например, в присутствии электролитов) высокомолекулярные вещества отделяются от раствора, но не в форме осадка, а в виде более кон центрированного раствора -- коацервата. При встряхивании коацерват распадается на отдельные мелкие капельки. В воде такие капли покрываются стабилизирующей их гидратной оболочкой (оболочкой из молекул воды) -- рис. 2.4.1.4.

Коацерватные капли обладают некоторым подобием обмена веществ: йод воздействием чисто физико-химических сил они могут избирательно впитывать из раствора некоторые вещества и выделять в окружающую среду продукты их распада. За счет избирательного концентрирования веществ из окружающей среды они могут расти, но достижении определенного размера начинают «размножаться», отпочковывая маленькие капельки, которые, в свою очередь, могут расти и «почковаться».

Возникшие в результате концентрирования белковых растворов коацерватные капли в процессе перемешивания под действием волн и ветра могут покрываться оболочкой из липидов: одинарной, напоминающей мицеллы мыла (при однократном отрыве капли от поверхности воды, покрытой липидным слоем), либо двойной, напоминающей клеточную мембрану (при повторном падении капли, покрытой однослойной липидной мембраной, на липидную пленку, покрывающую поверхность водоема -- рис. 2.4.1.4).

Процессы возникновения коацерватных капель, их роста и «почкования», а также «одевания» их мембраной из двойного липидного слоя легко моделируются в лабораторных условиях.

Для коацерватных капель также существует процесс «естественного отбора», при котором в растворе сохраняются наиболее стабильные капли.

Несмотря на внешнее сходство коацерватных капель с живыми клетками, у коацерватных капель отсутствует главный признак живого -- способность к точному самовоспроизведению, самокопированию. Очевидно, предшественниками живых клеток явились такие коацерватные капли, в состав которых вошли комплексы молекул-репликаторов (РНК или ДНК) и кодируемых ими белков. Возможно, комплексы РНК-белок длительное время существовали вне коацерватных капель в виде так называемого «свободноживущего гена», а возможно, их формирование проходило непосредственно внутри некоторых коацерватных капель.

Исключительно сложный, не до конца понятный современной науке процесс возникновения жизни на Земле прошел с исторической точки зрения чрезвычайно быстро. Уже 3,5 млрд лет т.н. химическая эволюция завершилась появлением первых живых клеток и началась биологическая эволюция.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Гипотеза Опарина о постепенном возникновении жизни на Земле из неорганических веществ путем длительной абиогенной (небиологической) молекулярной эволюции. Роль появления коацерватов и химической эволюции в развитии клетки и ходе биологической эволюции.

статья , добавлен 18.05.2009


Проблема происхождения жизни. Гипотеза А.И. Опарина о коацерватной стадии в процессе возникновения жизни. Этапы химической и предбиологической эволюции на пути к жизни. Гипотеза о роли малых молекул в первичном зарождении белково-нуклеиновых систем.

реферат , добавлен 02.01.2008


Первая теория о жизни на земле, которую создал советский биохимик А.И. Опарин, ее содержание. Этапы развития жизни на Земле по гипотезе Опарина-Холдейна. Искусственный синтез биологических мономеров. Мировоззренческое значение эволюционного учения.

презентация , добавлен 13.03.2017


Тайна появления жизни на Земле. Эволюция зарождения жизни на Земле и сущность концепций эволюционной химии. Анализ биохимической эволюции теории академика Опарина. Этапы процесса, приведшего к возникновению жизни на Земле. Проблемы в теории эволюции.

реферат , добавлен 23.03.2012


История формирования эмпирического знания. Математика, астрономия египтян и вавилонян. Древние китайские сочинения по точным наукам, зарождение письменности. Открытие понятия энтропии, принцип возрастания. Теория Опарина о происхождении жизни на Земле.

контрольная работа , добавлен 09.05.2010


Характеристика основных гипотез о происхождении жизни: креационизм, абиогенез, гипотеза стационарного состояния (этернизм), панспермия, биохимическая эволюция (гипотеза Опарина). Спорные доказательства абиогенного механизма возникновения жизни (РНК-мира).

презентация , добавлен 08.06.2011


Краткое описание теории Опарина о самозарождении жизни под воздействием физико-химических процессов, протекающих в условиях первобытной Земли. Гипотеза образования коацерватов. Условия и этапы возникновения белковых тел. Искусственный синтез аминокислот.

презентация , добавлен 18.04.2016


Вопрос о возникновении жизни на Земле - борьба религии и науки, идеализма и материализма. Проблема отличия живого от неживого. Современное двуединое понятие первобытного бульона и самозарождения жизни - теория Опарина-Холдейна о происхождении жизни.

реферат , добавлен 09.05.2009


Рассмотрение гипотезы Опарина о возникновении жизни на Земле. Ознакомление с теориями происхождения и становления человека как биологического вида. Изучение свойств, границ, условий и плотности жизни в биосфере, круговорота веществ и энергии в ней.

Вопрос происхождения жизни на Земле интересует учёных в области биологии и геологии уже много столетий, по их мнению, возраст планеты составляет более 5 млрд. лет. В 1923 году советским биохимиком Алексеем Опариным была разработана теория биохимической эволюции.

Основу этой теории составляла идея о том, что миллиарды лет назад при формировании планеты первыми органическими веществами были углеводороды, которые образовались в океане из более простых соединений.

Соединения углеводорода с азотом и простейших молекул аммиака, воды, метана и водорода с рядом других химических элементов образовывали сложные органические вещества. Энергию для осуществления этих процессов создавали частые грозовые электрические разряды и интенсивная солнечная радиация, выделявшая значительное количество ультрафиолетового излучения, падавшего на Землю до того, как образовался озоновый слой.

Органические вещества, постепенно накапливаясь в океане, создавали прочные молекулярные связи, которые были устойчивы к разрушающему действию ультрафиолетового излучения.

Позднее теория биохимической эволюции получила развитие в трудах английского учёного Джона Холдейна, который сформулировал гипотезу о том, что жизнь явилась результатом длительных эволюционных углеродных соединений. Вещества, близкие по своему химическому составу к белкам и другим органическим соединениям, составляющие основу живых организмов, возникли на основе углеводородов.

Белковые соединения в «первичном бульоне» притягивали и связывали молекулы жиров и воды, что позволяло жирам обволакивать поверхность белковых тел, структура которых напоминала мембрану клеток. Полученные в результате такого взаимодействия тела Опарин назвал коацерватами (коацерватными каплями), а сам процесс - коацервацией.

В дальнейшем поглощая из окружавшей среды белковые вещества, структура коацерватов усложнялась, и они стали похожи на примитивные, но уже живые клетки, а химические соединения внутреннего состава позволяли им расти, видоизменяться, осуществлять обмен веществ и размножаться.

Теория биохимической эволюции, важным этапом которой явилось формирование мембранной структуры, предполагала, что с появлением мембраны ускорился процесс упорядочения и усовершенствования метаболизма, а дальнейшее усложнение обмена веществ происходило с помощью катализаторов.

В 1953 году американский исследователь Стэнли Миллер провёл ряд экспериментов, в которых смоделировал возможные условия жизни на Земле, существовавшие в тот временной период, ему удалось получить соединения альдегидов, аминокислот, уксусную, молочную и ряд других органических кислот.

Основоположником теории биохимической эволюции является русский академик А.И. Опарин (1894 - 1980). В основу данной теории положено существенное различие между современными природными условиями Земли и условиями нашей планеты в древние времена.

Согласно теории биохимической эволюции, в далеком прошлом нашей планеты происходили абиогенный синтез органических соединений и их дальнейшая эволюция.

Современные методы оценки возраста Земли позволяют считать, что она возникла около 4,5 - 5 млрд. лет назад. В 1923 г. А.И. Опарин выдвинул предположение, что первичная атмосфера Земли не содержала свободного кислорода (для сравнения: в современной атмосфере его содержится 21 %). В такой атмосфере могли содержаться аммиак, двуокись углерода, метан и водяной пар. Бескислородный характер первичной атмосферы приводит к двум важнейшим следствиям.

Во-первых, в отсутствие кислорода не образуется озоновый слой, который в современной атмосфере располагается на высоте 10 - 50 км и поглощает 99 % ультрафиолетового излучения Солнца. Оно оказывает губительное воздействие на живые ткани, поэтому первые организмы должны были "скрываться" от него под слоем воды или горных пород.

Во-вторых, образовавшиеся органические молекулы не подвергались окислению и могли участвовать в дальнейших реакциях (в условиях окислительной атмосферы объекты органического происхождения, не защищенные клеточными мембранами, разлагаются под действием кислорода, что происходит, например, после гибели живого организма и разрушении клеточной стенки).

Первые эксперименты, моделирующие первичную атмосферу Земли были поставлены в 1953 г. американским ученым Стэнли Миллером (род. в 1930 г.). Его установка представляла собой колбу, внутри которой создавались электрические разряды. В колбе находилась вода и различные газы, предположительно входящие в состав первичной атмосферы (водород, метан, аммиак и др.). Свободный кислород в системе отсутствовал. При нагревании в установке происходила постоянная циркуляция водяного пара и газов. После нескольких дней эксперимента в колбе образовывались простейшие органические соединения: аминокислоты (строительный материал для белков), азотистые основания (компоненты нуклеиновых кислот) и некоторые другие вещества. Их концентрация возрастала по мере убывания исходных компонентов. Вслед за опытами Миллера последовали аналогичные эксперименты.

Разнообразие экспериментов позволяет предположить, что неорганический синтез органических соединений мог быть достаточно распространенным явлением в прошлом нашей планеты. Академик А.И. Опарин считал, что такие реакции происходили в морях и океанах и сопровождались увеличением концентрации образующихся органических веществ, при этом водная среда становилась "первичным бульоном", способным к дальнейшей эволюции.

Однако образование органических молекул и их полимеризация являются только началом в длинной цепочке эволюции, которая привела к появлению первых живых клеток, поскольку отдельно взятый белок еще не обладает специфическими свойствами, присущими организму в целом. Поэтому на смену химической эволюции должна была прийти биологическая.

Процесс возникновения и эволюции живых систем называется биогенезом.

Согласно гипотезе А.И. Опарина, предками настоящих клеток были протоклеточные структуры, способные к простейшему обмену с окружающей средой.

Они называются коацерватами (от латинского coacervus - сгусток). Взаимодействие нескольких органических молекул приводит к сближению их полярных концов и образованию "коацерватной капли".

Возникающие коацерваты обладали значительно бoльшими возможностями, чем отдельные молекулы, поскольку могли поглощать из окружающей среды другие вещества. Появились примитивные мембраны, которые не только выполняли защитные функции, но и способствовали дальнейшему обособлению коацерватов от окружающей среды.

Шла дифференциация свойств молекул внутри коацерватов: белки оказались способными регулировать ход химических реакций, приводящих к появлению новых органических веществ, а нуклеотидные цепи постепенно приобрели возможность удваиваться по принципу дополнения. Дальнейшая эволюция этих важнейших свойств привела к появлению наследственного генетического кода, несущего информацию о строении белковых молекул. Таким образом, развитие коацерватов привело к появлению первых примитивных клеток, не имеющих ядра. Это произошло более 4 млрд. лет назад.

Постепенно запасы органических веществ, необходимых для питания, истощались, и у некоторых клеток возникла способность использовать солнечную энергию для синтеза органических веществ из неорганических соединений углерода. Так появились организмы, способные к фотосинтезу.

Фотосинтез - процесс преобразования солнечной энергии в энергию химических связей органических веществ.

Сначала фотосинтез шел без образования молекулярного кислорода. В ходе дальнейшей эволюции организмы стали выделять кислород. Это произошло около 4 млрд. лет назад.

Обогащение атмосферы свободным кислородом привело со временем к образованию озона, поглощающего коротковолновое ультрафиолетовое излучение, опасное для живых организмов. Кроме того, возникло дыхание - способ обмена веществ, при котором расщепление органических веществ происходит с участием кислорода.

В дальнейшем происходило усложнение клеточного строения и около 2 млрд. лет назад появились первые клетки, имеющие ядро и внутриклеточные структуры.

Следующим эволюционным шагом в развитии организмов стало появление многоклеточных форм жизни примерно 1,3 млрд. лет назад.

Подтверждением некоторых положений биохимической теории происхождения и развития жизни могут служить ископаемые остатки организмов, обнаруживаемые в древнейших горных породах.

Самыми древними следами жизни считаются известняки, обнаруженные в Западной Австралии. Они были образованы сине-зелеными водорослями и бактериями 3,5 млрд. лет назад и свидетельствуют о наличии форм жизни, способных к фотосинтезу. В Северной Америке были обнаружены водоросли, возраст которых составляет 1,1 млрд. лет.