Лекция. Современные взгляды на возникновение жизни.

План

1 Основные положения гипотезы Опарина

2 Пути эволюции клетки

3 Эволюция химических элементов в космосе

1. Гипотеза биохимической эволюции. В 1924 г. отечественным био­химиком А.И.Опариным (1894—1980), а спустя 5 лет английским биохимиком и генетиком Дж. Ходдейном (1892 — 1964) была сфор­мулирована гипотеза, рассматривающая жизнь как результат длительной эволюции углеродных соединений.

Согласно гипотезе химической эволюции, изложенной А. И. Опа­риным в монографии «Происхождение жизни», жизнь, по-види­мому, возникла на границе моря, суши и воздуха. Примерно 4— 4,5 млрд. лет назад в атмосфере молодой Земли, состоящей из ам­миака, метана и паров углекислоты, под действием мощных элект­рических разрядов могли возникнуть простейшие органические со­единения. В растворах белков и нуклеиновых кислот, в так называ­емом «первичном бульоне», могли возникнуть своеобразные сгуст­ки химических соединений, названные коацерватами (рис. 4.2). Не­смотря на то что коацерваты способны адсорбировать различные вещества, расти и обмениваться веществами с окружающей сре­дой, их еще нельзя считать живыми существами. Возникновение коацерватов рассматривают обычно как стадию преджизни. В даль­нейшем в результате длительного отбора возникли сложные ферментативные системы, контролирующие процессы синтеза, что обес­печило устойчивость всей структуры. Таким образом, сформирова­лись сложные комплексы нуклеиновых кислот и белков. Нуклеи­новые кислоты, способные к воспроизведению, стали контроли­ровать синтез белков, определяя в них порядок аминокислот. В ре­зультате сформировался механизм воспроизведения себе подоб­ных и наследования свойств. Так возникло главное свойство живо­го вещества — способность к воспроизведению подобных себе мо­лекул. Предполагается, что первые организмы были анаэробными гетеротрофами, т. е. получали энергию путем бескислородного рас­щепления органических соединений. В то время на Земле еще не было свободного кислорода.

2. Современная теория возникновения жизни на Земле, называе­мая теорией биопоэза, была сформулирована в 1947 г. английским физиком Дж. Берналом (1901 — 1971).

Процесс становления жизни условно разделяют на четыре эта­па: синтез низкомолекулярных органических соединений (биоло­гических мономеров) из газов первичной атмосферы; образование биологических полимеров; формирование систем органических веществ, отделенных от внешней среды мембранами (пробион-тов); возникновение простейших клеток, обладающих свойствами живого, в том числе репродуктивным аппаратом, обеспечиваю­щим передачу дочерним клеткам свойств клеток родительских.

Первые три этапа относят к периоду химической эволюции, а с четвертого начинается эволюция биологическая.

Согласно современным представлениям, возраст Земли состав­ляет 4,5 — 4,6 млрд лет (по некоторым данным, 7 млрд. лет). Темпе­ратура ее поверхности была очень высокой — 4000 — 8000 °С (по другим данным, 1000 °С, т.е. температура раскаленной лавы), и по мере остывания планеты и действия гравитационных сил проис- ходило образование земной коры из соединений различных эле­ментов.

Первый этап возникновения жизни характеризовался процес­сами дегазации, которые привели к созданию атмосферы, обога­щенной, возможно, азотом, аммиаком, парами воды, углекис­лым и угарным газами. При этом в атмосфере имелись атомы водо­рода, углерода, кислорода и азота, составляющие 99 % атомов, входящих в мягкие ткани любого живого организма. Чтобы атомы превратились в сложные молекулы, нужна была дополнительная энергия, которая имелась на Земле как результат вулканической деятельности, электрических грозовых разрядов, радиоактивнос­ти, ультрафиолетового излучения Солнца. Отсутствие свободного кислорода было, вероятно, необходимым условием для возникно­вения жизни. Если бы свободный кислород присутствовал на Зем­ле в добиотический период, то, с одной стороны, он окислял бы синтезирующиеся органические вещества, а с другой — образуя озоновый слой в верхних горизонтах атмосферы, поглощал бы вы­сокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение Солнца. В рас­сматриваемый период возникновения жизни, длившийся пример­но 1000 млн. лет, ультрафиолет был, вероятно, основным источ­ником энергии для синтеза органических веществ. Из водорода, азота и соединений углерода при наличии свободной энергии на Земле должны были возникать сначала простые молекулы (амми­ак, метан и подобные простые соединения), которые в дальней­шем в первичном океане могли вступать в реакции между собой и с другими веществами, образуя новые соединения.

В 1953 г. американский биохимик Стенли Миллер и физик Га­рольд Юри смогли экспериментально смоделировать те условия, которые существовали на Земле приблизительно 4 млрд лет назад. В специальной установке (аппарат Миллера) они подвергли смесь метана, аммиака, воды и водорода действию электрических раз­рядов (рис. 4.3). В результате блестящих опытов были получены ами­нокислоты: глицин, аланин, глутаминовая и аспаргиновая кисло­ты. Таким образом, предположение академика А. И. Опарина под­тверждалось.

Второй этап состоял в дальнейших превращениях органичес­ких веществ и образовании абиогенным путем более сложных орга­нических соединений, в том числе биологических полимеров. Аме­риканский химик С. Фокс составлял смеси аминокислот, подвер­гал их нагреву и получал протеиноподобные вещества. В неболь­ших углублениях в застывающей лаве возникали водоемы, содер­жащие растворенные в иоде аминокислоты. Когда вода испарялась или выплескивалась на горячие камни, аминокислоты вступали в реакцию, образуя протеноиды. Если некоторые из этих протенои-дов обладали каталитической активностью, то мог начаться син­тез полимеров, т.е. белковоподобных молекул. Третий этап характеризовался выделением в первичном «пита­тельном бульоне» особых коацерватных капель, представляющих собой группы полимерных соединений. Коацерватные капли обла­дают некоторыми свойствами, характерными и для живой прото­плазмы, например способностью избирательно адсорбировать ве­щества из окружающего раствора и за счет этого «расти», увеличи­вать свои размеры. Поскольку концентрация веществ в коацерватных каплях была в десятки раз больше, чем в окружающем растворе, возможность взаимодействия между отдельными молекулами зна­чительно возрастала. Гидрофильные части молекул, расположен­ные на границе между коацерватами и раствором, поворачивают­ся в сторону раствора, где содержание воды больше. Гидрофобные части ориентируются внутрь коацерватов, где концентрация воды меньше. В результате поверхность коацерватов приобретает опреде­ленную структуру и в связи с этим свойство пропускать в опреде­ленном направлении одни вещества и не пропускать другие. Бла­годаря этому свойству концентрация некоторых веществ внутри коацерватов еще больше возрастает, других уменьшается и реак­ции между компонентами коацерватов приобретают определен­ную направленность. Коацерватные капли становятся системами, обособленными от среды. Возникают протоклетки, или протоби-онты. Важным этапом химической эволюции явилось образование мембранной структуры. Параллельно с появлением мембраны шло упорядочение и усовершенствование метаболизма. Одним из ос­новных признаков живого является способность к репликации, т. е. созданию копий, не отличаемых от материнских молекул. Таким свойством обладают нуклеиновые кислоты, которые в отличие от белков способны к репликации. В коацерватах мог образовываться протеноид, способный катализировать полимеризацию нуклеоти-дов с образованием коротких цепочек РНК. Эти цепочки могли выполнять роль как примитивного гена, так и информационной РНК. Уже на стадии формирования протобионтов происходил, ве­роятно, естественный отбор. Появление структур, способных к самовоспроизведению, репликации, изменчивости, определяет, по-видимому, четвертый этап становления жизни.

Итак, в позднем архее (приблизительно 3,5 млрд лет назад) на дне небольших водоемов или мелководных, теплых и богатых пи­тательными веществами морей возникли первые примитивные живые организмы, которые по типу питания были гетеротрофами. Способом обмена веществ им служило, вероятно, брожение. Часть энергии, выделяемой в этих процессах, запасается в виде АТФ. Воз­можно, некоторые организмы для жизненных процессов исполь­зовали и энергию окислительно-восстановительных реакций, т.е. были хемосинтетиками. Со временем происходило уменьшение запасов свободной органики в окружающей среде и преимущество получили организмы, способные синтезировать органические со­единения из неорганических. Таким путем, вероятно, около 2 млрд. лет назад возникли первые фототрофные организмы типа цианобактерий. Переход к автотрофному питанию имел большое значе­ние для эволюции жизни на Земле. При этом атмосфера стала при­обретать окислительный характер. Появление озонового экрана защитило первичные организмы от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей и положило конец абиогенному (неби­ологическому) синтезу органических веществ.

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: