В 1828 г. выдающийся немецкий химик Ф. Вёлер синтезировал органическое вещество - мочевину из неорганического - циановокислого аммония.

В 1953г. 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 3 , и паров воды Н 2 0. Через эту газовую смесь С. Миллер в течение недели пропускал электрические разряды, имитирующие грозовые. По окончании эксперимента в колбе были обнаружены α-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.

Дж. Оро при умеренном нагревании смеси водорода, углерода, азота, NH 3 , H 2 O получил аденин, а при взаимодействии аммиачного раствора мочевины с соединениями, возникающими из газов под влиянием электрических разрядов, - урацил.

Л. Орджел (1980-е г.) в сходных экспериментах синтезировал нуклеотидные цепи длиной в шесть мономерных единиц.

С. Акабюри получил полимеры простейших белков.

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.

1 из 44

Презентация - Биохимическая эволюция

Текст этой презентации

Теория абиогенеза (биохимической эволюции). Модель А.Опарина -Дж. Холдейна. Опыты С. Миллера. Проблемы и противоречия теории

В 1923 году советским биохимиком Алексеем Опариным была разработана теория биохимической эволюции.

А. И. Опарин, русский биохимик, академик, еще в 1924 г. опубликовал свою первую книгу по данной проблеме происхождения жизни путем биохимической эволюции
2 марта 1894 г. - 21 апреля 1980 г.

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

Появление жизни А. Опарин 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:
Зарождение жизни на Земле - длительный эволюционный процесс становления живой материи в недрах неживой
Произошло это путем химической эволюции, в результате которой простейшие органические вещества образовались из неорганических под влиянием сильнодействующих физико-химических факторов.

Опарин выделяет три этапа перехода от неживой материи к живой:
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.

Первый этап (около 4 млрд. лет назад)
По мере остывания планеты водяные пары, находившиеся в атмосфере, конденсировались и обрушивались на Землю ливнями, образуя огромные водные пространства.
Поскольку поверхность Земли оставалась горячей, вода испарялась, а затем, охлаждаясь в верхних слоях атмосферы, вновь выпадала на поверхность планеты.
Таким образом в водах первичного океана были растворены различные соли и органические соединения
Эти процессы продолжались многие миллионы лет

Второй этап
Происходит смягчение 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.
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
жидкость, почти свободную от них
Коацерваты оказались способными поглощать из внешней среды различные органические вещества, что обеспечило возможность первичного обмена веществ со средой.

сохранившиеся коацерватные капли обладали способностью к первичному метаболизму
Третий этап
Начал действовать естественный отбор
в результате сохранилась только малая часть коацерватов
достигнув определенных размеров, материнская капля могла распадаться на дочерние, которые сохраняли особенности материнской структуры

Позднее теория биохимической эволюции получила развитие в трудах английского учёного Джона Холдейна

Дж. Холдейн, английский генетик и биохимик, с 1929 г. развивал идеи, созвучные представлениям А. И. Опарина.

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.
Джон Холдейн сформулировал гипотезу

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.
Коацерват (от лат. coacervātus - «собранный в кучу») или «Первичный бульон» - многомолекулярный комплекс, капли или слои с большей концентрацией разведённого вещества, чем в остальной части раствора того же химического состава.

Теория биохимической эволюции и происхождения жизни на Земле, высказанная Алексеем Опариным, признана многими учеными, однако из-за большого количества предположений и допущений, она вызывает некоторые сомнения.

Постулирует, что жизнь возникла на Земле именно из неживой материи, в условиях, имевших место на планете миллиарды лет назад. Эти условия включали наличие источников энергии, определенного температурного режима, воды и других неорганических веществ - предшественников органических соединений. Атмосфера тогда была бескислородной (источником кислорода в настоящее время являются растения, а тогда их не было).
«Гипотеза Опарина-Холдейна»

Этапы развития жизни на Земле по гипотезе Опарина-Холдейна
Временной период Этапы возникновения жизни События, происходящие на Земле
От 6,5 до 3,5 млрд лет тому назад 1 Образование первичной атмосферы, содержащей метан, аммиак, углекислый газ, водород, окись углерода и пары воды
2 Охлаждение планеты (ниже температуры +100 °С на ее поверхности); конденсация паров воды; образование первичного океана; растворение в его воде газов и минеральных веществ; мощные грозы Синтез простых органических соединений - аминокислот, сахаров, азотистых оснований - в результате действия мощных электрических разрядов (молний) и ультрафиолетовой радиации
3 Образование простейших белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, жиров; коацерватов
От 3,5 до 3 млрд лет тому назад 4 Образование протобионтов, способных к самовоспроизведению и регулируемому обмену веществ, в результате возникновения мембран с избирательной проницаемостью и взаимодействий нуклеиновых кислот и белков
3 млрд лет тому назад 5 Возникновение организмов, имеющих клеточное строение (первичных прокариот-бактерий)

Весьма убедительные доказательства возможности осуществления 2-го и 3-го этапов развития жизни получены в результате многочисленных экспериментов по искусственному синтезу биологических мономеров.

Впервые в 1953 г. С. Миллер (США) создал достаточно простую установку, на которой ему удалось из смеси газов и паров воды под действием ультрафиолетового облучения и электрических разрядов синтезировать ряд аминокислот и других органических соединений

Публикация в журнале Science описывает данные, ускользнувшие от ученых 50 с лишним лет назад.
Молодой сотрудник Университета Чикаго, Стэнли Миллер, проводит свои знаменитые эксперименты по синтезу биологических молекул. 1953 год. //Архив Химического факультета Калифорнийского университета в Сан-Диего

Тогда нобелевский лауреат Гарольд Юри, получивший престижную премию за открытие тяжелой воды и увлекшийся впоследствии проблемами космохимии,
вдохновил одного из своих подопечных, Стэнли Миллера, теорией доисторического абиотического супа, из которого под влиянием внешних факторов получились первые органические молекулы.
29 апреля 189 - 5 января 1981 (87 лет)

Для того чтобы воссоздать реакции в лаборатории в условиях, приближенных к тем, что царили на Земле миллиарды лет назад, Миллер, разработал оригинальный химический прибор.

Прибор состоит из большой реакционной колбы, содержащей пары метана, аммиака и водорода, в которую снизу нагнетается горячий водяной пар. Сверху же расположены вольфрамовые электроды, генерирующие искровой разряд. Моделируя таким образом условия грозы в окрестностях действующего прибрежного вулкана, Миллер надеялся получить в ходе синтеза биологические молекулы.
Кипящая вода (1) создает поток пара, который усиливается соплом аспиратора (врезка), искра, проскакивающая между двумя электродами (2), запускает набор химических превращений, холодильник (3) охлаждает поток водяного пара, содержащего продукты реакции, которые оседают в ловушке (4).// Нед Шоу, Университет Индианы.

В своем опыте Миллер использовал газовую смесь, состоящую из:
аммиак
метан
водород
водяной пар
По предположению Миллера, именно эта смесь преобладала в первичной атмосфере Земли

Так как эти газы не могли вступить в реакцию в естественных условиях, Миллер подвергал их воздействию электрической энергии, имитируя грозовые разряды, от которых, как предполагалось, была получена энергия в ранней атмосфере
При температуре 100 ° С смесь кипятилась в течение недели, систематично подвергаясь воздействию электрических разрядов.
Проведенный в конце недели анализ хемосинтеза показал, что из двадцати аминокислот, составляющих основу любого белка, образовались только три

После смерти Стивена Миллера, разбирая его дневники и архивы, близкие и коллеги обнаружили записи, относящиеся к работам 50-х годов, а также несколько склянок с подписями.
Подписи указали на то, что содержимое склянок – не что иное, как продукты синтеза в аппаратах Миллера, сохраненные автором в неприкосновенном виде.

Опыты Стэнли Миллера, попытавшегося в пробирке повторить зарождение жизни на Земле, были куда успешнее, чем полагал сам Миллер. Современные методы позволили найти не пять, а все 22 аминокислоты в химической посуде, запечатанной ученым многие десятилетия назад

На протяжении последующих 20 лет было установлено:
Атмосфера в опыте Миллера была фиктивной
Ранняя атмосфера Земли состояла не из метана и аммиака, а из азота, двуокиси углерода и водных испарений, а эксперимент Миллера был ничем иным, как откровенной ложью.
В опытах, для получения аминокислот, брали готовый аммиак, а сам по себе, абиогенным способом, образуется он только при высоком давлении и температурах из эквималярной смеси водорода и азота, в присутствии катализатора

Миллер использовал в эксперименте механизм "холодного капкана", то есть образовавшиеся аминокислоты сразу же были изолированы от внешней среды.
Если бы не было этого механизма, атмосферные условия тотчас же разрушили бы эти молекулы.

Миллер, использовав метод «холодного капкана», сам сокрушил свое же утверждение о возможности свободного образования аминокислот в атмосфере.
В итоге все усилия показали, что даже в идеальных условиях лаборатории невозможно синтезировать аминокислоты без механизма "холодного капкана", чтобы предотвратить расщепление аминокислот уже под влиянием собственной среды, так что не может быть и речи о случайном их возникновении в природе.

Научные проблемы опытов Миллера
Полученные аминокислоты оказались «неживыми»: не того направления вращения – эффект «киральности». в результате опыта было получено множество D-аминокислот. D-аминокислоты отсутствуют в структуре живого организма.

“проблемы хиральности” В результате опыта были получены аминокислоты с разным поворотом (ориентацией) от воображаемой оси, что делает практически невозможным их соединение в протеин (б-ок)

киральность
Термин "хиральность" происходит от греческого слова "хирос" - рука.

В современной биологии существует два методологических подхода к описанию процесса зарождения жизни:

Голобиоз – подход, основанный на первичности структур типа клеточной, способных к элементарному обмену веществ при участии ферментативного механизма;

Генобиоз – подход, основанный на убеждении в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода.

Оба они основываются на идее биохимической эволюции: жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам.

Гипотеза биохимической эволюции была высказана еще в 1923 г. нашим соотечественником – биохимиком А.И. Опариным (1894-1980) и английским ученым Д.Б. Холдейном (1892-1964). Они выделили несколько этапов биохимической эволюции.

1. Геохимическая эволюция Земли; формирование подходящих физико-химические условий – температуры, давления, радиации; синтез простейших неорганических соединений (СО 2 , Н 2 О, NН 3 и др.), переход воды из парообразного состояния в жидкое в процессе охлаждения Земли. На это ушло десятки, если не сотни миллионов лет. Исследование пузырьков газа в древнейших отложениях показывает, что первичная атмосфера Земли не содержала свободного О, в ней присутствовали: диоксид углерода, пары воды соединения серы, аммиака – т.е. соединения которые образуются при дегазации лав. Это была разреженная восстановительная среда.

2. Несколько сотен миллионов лет ушло на эволюцию атмосферы и гидросферы и создание условий для синтеза простейших органических веществ (аминокислот). По предположению А.И.Опарина и Д.Холдейна это происходило под воздействием грозовых разрядов. В насыщенной парами воды первичной атмосфере Земли грозы происходили гораздо чаще, чем сейчас, и были гораздо мощнее. В каналах молний температуры могут достигать нескольких сотен тысяч градусов. Это стало важнейшим фактором синтеза аминокислот.

3. Накопление их в водах океанов способствовало постепенному усложнению органических соединений, образованию блоков-мономеров и простых полимеров, что в конечном итоге привело к формированию белковых структур и первичного водно-белкового «бульона».

4. Благодаря амфотерности белковых молекул (способности к образованию коллоидных гидрофильных комплексов, притягивающих к себе молекулы воды) стало возможным создание вокруг белковых структур водной оболочки. Образовались водно-белковые комплексы.

5. Образование сложных полимеров: нуклеиновых кислот, обладающих свойством самовоспроизведения и производства белковых структур.

6. Слияние водно-белковых комплексов и образование коацерваций (лат. сoacervatio – накопление; накопление в растворах высокомолекулярных соединений), способных обмениваться веществом и энергией с окружающей средой. Включение в их структуру нуклеиновых кислот.

7. Поглощение коацерватами металлов и образование ферментов, способных ускорять биохимические процессы.

8. Выстраивание гидрофобных липидов на границе между коацерватами и внешней средой способствовало образованию примитивной мембраны, обеспечивающей стабильность функционирования коацервата.

9. В процессе эволюции у этих образований появились простейшая саморегуляция и самовоспроизведение.

Так, по мнению авторов гипотезы, появилось примитивное живое вещество. На его создание природа потратила около полутора миллиардов лет. Таким образом, чисто качественно, без математических уравнений, еще не зная о существовании автокаталитических реакций, биохимики указали основные этапы предбиологической эволюции вещества. Одно из слабых мест их теории – механизмы перехода от неживого к живому, появление функций саморегуляции и самовоспроизведения.

Эту проблему попытался разрешить М.Эйген, используя методы математического моделирования. Поздний этап предбиологической эволюции по его модели связан с сопряжением множества химических процессов, поисками оптимального соотношения их скоростей, согласованности их отдельных этапов и способности к внутренней перестройке под действием факторов внешней среды. Это потребовало совершенствования информационных связей между отдельными компонентами коацерваций. По всей вероятности, именно на этом этапе возникает многоконтурная обратная связь. Для достижения высокого уровня регуляции процессов необходимо ограничение влияния флуктуаций параметров внешней среды. Для этого потребовалась избирательно проницаемая мембрана – клеточная оболочка. Очевидно, одновременно совершенствуется процесс самовоспроизведения и передачи структурной (наследственной) информации, появляется способность к регенерации. Возникает примитивная, пространственно обособленная область низкой энтропии, отделенная от внешней высокоэнтропийной среды и способная к саморегуляции и самовоспроизведению.

Опыты, проведенные американским ученым Стенли Миллером в условиях, приближенных к тем, которые некогда существовали на Земле, полностью подтвердили возможность предбиологической эволюции по сценарию, описанному А.И. Опариным, Д.Б.Холдейном. Однако воспроизвести процесс самоорганизации биополимеров до клеточного уровня в искусственных условиях пока не удалось, и будет ли это возможно в обозримом будущем, неизвестно.

Опережающее отражение

Как известно, многие абиотические факторы (температура, мощность излучения, напряженность электромагнитного поля, естественный радиационный фон и другие) изменяются циклично под влиянием космических ритмов (вращение Земли вокруг собственной оси, вокруг Солнца, цикличность солнечной активности). Вероятно, воздействие этой цикличности на первичные коацерваты в течение миллионов лет привело к тому, что химические процессы, протекающие внутри них, сделались цепными. Некоторые стали носить опережающий характер. Если у коацерватов каждый из факторов вызывает «свою» биохимическую реакцию, то у примитивного живого изменение всего лишь одного фактора запускает весь комплекс реакций. А это значит, что у примитивной живой системы появилось опережающее отражение . С усложнением систем усложняется и характер отражения. На уровне живого опережающее отражение изучено нашим соотечественником - физиологом П.К. Анохиным (1896-1974). Схема этих процессов представлена в таблице 2.

Таблица 2

Биологические процессы у коацерватов и примитивного живого

У простейших организмов сохраненные следы былых воздействий начинают использоваться в виде сигналов, оповещающих о воздействиях, аналогичных былым. При этом отмечаются слабые признаки целенаправленной деятельности и обучаемости. Например, инфузории под воздействием падающего света пытаются найти более оптимальное положение тела по отношению к источнику. У планарий световое раздражение закрепляется на биохимическом уровне и проявляется в опережающих поведенческих реакциях при повторном действии раздражителя через длительный промежуток времени. С усложнением организмов сохранение былых воздействий выходит на генетический и более высокие уровни и закрепляется в виде инстинктивных «знаний» и безусловных рефлексов, в системе различных форм общения (феромонное, звуковое, знаковое, смысловое).

Проявление опережения наблюдается не только на биохимическом уровне, но и на уровне социальной жизни. Например, планирование деятельности отдельного человека, предприятия, государства, «преждевременные» идеи и открытия, творчество писателей-фантастов - это все проявления важнейшего свойства сложноорганизованных систем - опережающего отражения.

Биологический эволюционизм

Современный эволюционизм – теория, понимающая развитие как периодическую смену этапов медленных постеменных (эволюционных) количественных изменений и быстрых качественных (революционных) скачков.

Ключевое понятие этой теории - эволюция - (лат. evolutio - развертывание) - целенаправленный процесс усложнения системы, связанный с ее переходом на более высокий иерархический уровень. Ее атрибуты - самопроизвольность, необратимость, направленность.

Процессы эволюции организмов были изучены и качественно описаны Ч. Дарвином (1809-1882) и А. Уоллесом (1823-1913). Предтечей к появлению их учения стали:

Классификация биологических видов К.Линнея (1707-1778), положившего в ее основу принцип иерархичности;

Концепция исторического развития органического мира, созданная Ж. Ламарком (1744-1829), согласно которой все виды постоянно изменяются под влиянием внешних условий;

Теория катастроф Ж.Кювье (1769-1832), построенная на основе палеонтологических исследований и объясняющая смену видов как результат катаклизмов и катастроф.

В 1859 году выходит работа Ч.Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора», в которой он изложил теорию эволюции. Изменчивость, наследственность, отбор – три основных фактора эволюции в выдвинутой им теории.

Опираясь на огромный фактический материал и практику селекционной работы, он пришел к выводу, что любой вид стремится к размножению в геометрической прогрессии. Однако число взрослых особей каждого вида остается практически постоянным. Это утверждение обусловлено фактами:

В природе невозможно найти два совершенно идентичных организма; все многообразие природы обусловлено изменчивостью видов, их способностью приобретать новые качества;

Борьба за существование, в результате которой у вида накапливаются полезные признаки, образуются новые признаки и разновидности; она бывает межвидовой, внутривидовой и борьбой с внешними неблагоприятными условиями; но при этом организмы сохраняют наследственные качества и черты, присущие виду;

Происходит естественный отбор; выживают только наиболее сильные, адаптивные и мобильные.

Его теория основывается на следующих принципах.

1. Мир находится в постоянном развитии. Вектор его направлен от простого к более сложному.

2. Усложнение происходит непрерывно и постепенно.

3. Усложнение оставляет возможность существованию разнообразия более простого.

4. Механизмом эволюции служит естественный отбор, основой которого является способность организмов адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды, выжить в условиях конкуренции с другими видами и подняться на более высокую ступень развития.

5. В процессе усложнения накапливаются новые признаки, сохраняются и передаются по наследству.

Однако теория Дарвина не смогла ответить на многие вопросы и подвергалась жесточайшей критике. И лишь в ХХ веке, благодаря развитию генетики, некоторые из них удалось разрешить.

Концепция генетики

Загадку накопления новых признаков и передачи их по наследству удалось частично раскрыть только благодаря современной молекулярной генетике. Становится все более очевидным, что эволюция живого вещества теснейшим образом связана с совершенствованием механизмов регистрации, кодирования и сохранения информации о космических ритмах и цикличности изменения параметров окружающей среды на уровне клеточной (носитель РНК), генетической (носитель ДНК), иммунологической (носитель антитела) и нейрологической (носитель мозг) памяти.

Большие надежды в разрешении проблем, связанных с пониманием самоорганизации живого, возлагаются на возможности расшифровки информации, закодированной в структурах ДНК и РНК. Проблема системы записи наследственной информации в макромолекулах живого впервые была поставлена в книге одного из основоположников квантовой механики Э. Шредингера «Что такое жизнь с точки зрения физики». Но ее решение стало возможным, когда была установилена пространственная структура ДНК. А в 1954г. Г. Гамов поставил и в значительной степени разрешил задачу по расшифровке генетического кода, вслед за которой последовал целый каскад открытий в области генетики и теоретической биологии.

По современным представлениям, эти биополимеры состоят из мономеров, называемых нуклеотидами. В состав РНК входят: рибоза - пятиуглеродный сахар, азотистые основания (аденин, гуанин, цитозин, урацил) и остаток фосфорной кислоты (Н 3 РО 4). Различают информационную (и), транспортную (т) и рибосомную (р) РНК. В структуру ДНК входят азотистые основания (аденин гуанин цитозин тимин - АГЦТ), дезоксирибоза и остатки фосфорной кислоты. Порядок расположения нуклеотидов в молекулах ДНК (генетическая программа) определяет порядок расположения аминокислот в первичных структурах белков. ДНК состоит из двух комплементарных цепей. При этом А соединяется только с Т другой цепи, а Г – с Ц. Молекулы ДНК в соединении с молекулами белков структурируются в хромосомы, которые можно увидеть лишь в момент деления клетки.

Порядок расположения нуклеотидов в молекулах ДНК (генетическая программа) определяет порядок расположения аминокислот в первичных структурах белков. Сегодня мы знаем, что ДНК состоит из двух взаимодополняющих цепочек, в которых каждый нуклеотид одной цепочки с помощью водородных связей может обратимо соединяться с комплементарным ему нуклеотидом противоположной цепочки. Когда клетка делится, цепи расходятся и каждая из них становится матрицей для синтеза новой цепи ДНК. Аналогичное расхождение противоположных цепочек ДНК происходит и в том случае, когда необходимо синтезировать и-РНК - матрицу для последующей сборки из аминокислот какого-либо белка. Каждая и-РНК способна отпечатать в рибосоме синтез сотни и тысячи молекул белка. Ранее считалось, что закодированная информация передается в одном направлении - ДНК®РНК®белок. Но в 70-е годы Темин и Балтимор открыли обратную транскриптазу - некоторые ферменты используют РНК в качестве матрицы для синтеза ДНК.

По современным представлениям в процессе перехода от неживого к живому первичной была РНК. Доказательства:

В структуру многих вирусов входит лишь РНК;

Наделена той же генетической памятью что и ДНК;

Возможен перенос информации от РНК к ДНК;

У геномной РНК аденовирусов открыты способности к процессингу – т.е. «вырезанию» нуклеотидных последовательностей (интронов) и сплайсингу – «сшиванию» оставшихся активных последовательностей в активные экзоны;

Способность РНК к саморедупликации в отсутствии белковых ферментов;

Открытие функций фермента катализирующего вырезание интронов из предшественников и-РНК;

Открытие у РНК автокаталитических функций.

Древняя РНК совмещала в себе черты фенотипа и генотипа.

Однако современный «геном биосферы» основан на ДНК и связано это с тем, что С-Н связи дезоксирибозы ДНК прочнее связей С-ОН рибозы РНК.

Важнейшие функции нуклеиновых кислот - хранение и передача наследственной информации, обеспечение процессов редупликации, транскрипции, трансляции.

Участок ДНК – ген - единица наследственной информации. Совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом образует геном. У высокоорганизованных животных геном содержит сотни тысяч генов. Это своеобразный генетический текст, в котором заключены все свойства организма. Система «записи» наследственной информации нуклеиновых кислот генетический код заключена в виде последовательности нуклеотидов. Единица генетического кода – кодон. Кодон состоит из трех нуклеотидов в молекулах ДНК и РНК. Т.к. ДНК состоит из 4 нуклеотидов, то число коднов будет 4 в третьей степени, т.е 64.

Реализация генетического кода в клетке происходит в 2 этапа:

- транскрипция заключается в синтезе информационной РНК на соответствующих участках ДНК; при этом последовательность нуклеотидов ДНК переписывается в нуклеотидную последовательность и-РНК;

- трансляция протекает в цитоплазме клетки на синтезирующих белок клеточных частицах – рибосомах; при этом последовательность нуклеотидов и-РНК переводится в последовательность аминокислот в синтезирующемся белке.

Свойства генетического кода : триплетность, вырожденность, однозначность, универсальность, отсутствие «знаков препинания» между триплетами.

Молекулы ДНК в соединении с молекулами белков структурируются в хромосомы, каждая из которых имеет специфическую форму и размер. Эти структуры можно увидеть только в момент деления клетки. Каждому биологическому виду соответствует свой набор хромосом, определяемый их количеством и генным составом. Например, в соматических клетках человека 46 хромосом, у шимпанзе - 48, у дрозофилы - всего 8. В хромосомный набор соматической клетки входят две половые хромосомы. У женских особей это две х хромосомы, у мужских - х и у. Рост и развитие организма связаны с делением соматических клеток - митозом и удвоением количества хромосом. При достижении половой зрелости в организме образуются половые клетки - гаметы . Их образование связано со специфическим процессом, который называют мейозом, в результате которого происходит разделение хромосом и в гамете их оказывается в два раза меньше, чем в соматической клетке. В процессе мейоза возможны случайные искажения хромосом (перекресты, разрывы, укорочения или удлинения), что приводит к нарушению генетической программы потомства (т.н. хромосомные мутации). При слиянии гамет и образовании зиготы происходит объединение хромосом в пары ХХ или ХУ. Из зиготы организм развивается благодаря митозу и другим очень сложным процессам, которые изучает морфогенез.

Установлено, что элементарным кирпичиком наследственности является ген - участок ДНК длиной около 1000 пар чередующихся нуклеотидов. ДНК вирусов содержит всего несколько десятков генов, у одноклеточного организма - несколько тысяч. Геном (совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом) высокоорганизованных животных содержит сотни тысяч генов, при этом каждая хромосома включает несколько сотен или тысяч взаимодействующих между собой генов. Совокупность всех генов организма составляет его генетическую конституцию - генотип. Часть генов называют «структурными», они несут ответственность за структурные признаки организма. Есть гены - регуляторы. Они влияют на начало, скорость и сроки окончания синтеза белков, на растормаживание или блокировку синтеза отдельных продуктов или звеньев метаболизма. Есть гены - определители фермента. Под генетическим контролем находится функционирование каждой отдельной клетки и всего организма в целом. Все гены находятся в сложном взаимодействии друг с другом. Очевидно, в основе этого механизма лежат сложные физико-химические, а возможно, и квантовые процессы. Генотип несет все наследственные свойства организма. В результате взаимодействия генотипа с окружающей средой формируются индивидуальные признаки и свойства организма - его фенотип ; говорят, генотип реализуется в фенотип.

Под влиянием факторов окружающей среды (химическое загрязнение, высокая радиация), изменения температуры или кислотности среды возможны изменения в структуре самого гена (генные мутации) или хромосом (хромосомные).

Вероятность появления случайных мутаций мала, но они могут накапливаться из поколения в поколение, при случайном стечении обстоятельств становиться устойчивыми и передаваться по наследству в виде фенотипических признаков.

В процессе самоорганизации живых систем под воздействием факторов окружающей среды идет изменение и усложнение видов вследствие генетических мутаций. В результате межвидовой и внутривидовой конкуренции выживают особи с генотипом, наиболее приспособленным к сложившимся условиям. При этом естественный отбор играет двоякую роль. С одной стороны, предотвращает накопление ошибок (ослабленные особи вымирают), а с другой - допускает усовершенствование организмов. Все происходит по тем же законам, как и при самоорганизации открытых нелинейных диссипативных систем.

Совершенно очевидно, что эволюционный путь развития - это не широкая столбовая дорога, а лабиринт со множеством тупиков. Проигрывая множество вариантов, природа на пути эволюции отсекает нежизнеспособные виды и структуры и в то же время оставляет многие простые, но хорошо приспособленные к внешним условиям виды. Благодаря этому накапливается и сохраняется огромное количество биологических видов, каждый из которых выполняет определенную функцию в биосфере. И исчезновение хотя бы одного из них нарушает сложившиеся пищевые цепи, что неизменно ведет к вымиранию других. И в то же время неуправляемое размножение некоторых видов и выход их за пределы своей экологической ниши чреваты разрушительными последствиями, ибо ущемляют полноценную жизнь других видов. За миллионы лет эволюции в биосфере выработались механизмы саморегуляции. Однако активное вмешательство человека в природные процессы неизбежно ведет к их нарушению и снижению биоразнообразия.

Современная теория эволюции

Cовременная теория эволюции носит синтетический характер и представляет сплав идей Дарвина, результатов молекулярной биологии и принципов синергетики. Ее основы начали закладываться в рамках хромосомной теории наследственности американского биолога Т. Моргана (1866-1945), популяционной генетики, разработанной в трудах крупнейших российских ученых С.С. Четверикова (1880-1959), Н.В. Тимофеева-Ресовского (1900-1981), Н.П. Дубинина (1906-1998), в работах Н.И. Вавилова (1887-1943) по гомологичеким рядам и других. Однако и синтетическая теория не является окончательной. В теории эволюции живой материи есть еще много темных пятен и загадок, раскрыть которые современной науке пока не удалось.

Структурно синтетическая теория эволюции состоит из теорий:

- микроэволюции , которая изучает необратимые преобразования генетико-экологической структуры популяции, изменения, которые происходят за короткий период и доступны непосредственному наблюдению;

- макроэволюции, которая изучает происхождение надвидовых таксонов (семейств отрядов классов), изменения, которые происходят на протяжении длительного исторического периода и могут быть только реконструированы.

Элементарной единицей эволюции (эволюционной структурой) считается популяция. Ее элементарный наследственный материал - генофонд (совокупность всех генов входящих в нее организмов).

К основным факторам эволюции, выдвинутых Дарвином добавляются:

Мутационные процессы;

Популяционные волны численности;

Изоляция.

Элементарным проявлением эволюции является устойчивое изменение генотипа популяции (совокупности генов локализованных в хромосомах).

С точки зрения генетики дарвиновская триада эволюции получает следующий вид:

· Наследственность

Признаки и свойства организма, передающиеся по наследству фиксируются в генах. Совокупность всех признаков организма – фенотип . Совокупность всех генов организма – генотип . Фенотип представляет собой результат взаимодействия генотипа с окружающей средой.

· Изменчивость

Элементарное явление эволюции – изменение генофонда популяции вследствии способности хромосом или генов к перестройке и изменению, связанным с изменением факторов окружающей среды.

Различают:

Наследственную или генотипическую изменчивость;

Ненаследственную или модификационную.

· Естественный отбор

Выделяют:

- движущий – при котором в результате мутаций или перекомбинаций генов возникают новые генотипы; в этом случае может возникнуть новый вектор отбора и генофонд популяции изменяется как единое целое;

- стабилизирующий – роль которого сводится к тому что в конкретных условиях на основе разных генотипов в популяции становится преобладающим фенотип оптимальный для этих условий;

- дизруптивный – ответственный за появление внутри популяции отчетливо различающихся форм.

Факторами видообразования являются мутации, дрейф генов, различные формы изоляции, дивергенция (лат. divergentia - расхождение).

Формирование биосферы

Этот процесс рассматривают как последовательную смену трех этапов:

Восстановительный этап начался в космических условиях и завершился появлением гетеротрофов. Это были анаэробы и прокариоты. Все биохимические процессы были основаны на брожении.

Слабоокислительный. Гетеротрофная биосфера просуществовала недолго. Ей на смену пришла автотрофная, основанная на фотосинтезе и производстве кислорода (О), губительного для гетеротрофов.

Окислительный. Он наступил после перехода через «точку Пастера» (когда увеличивается концентрация О, а кислородное дыхание становится более эффективным способом использования солнечной энергии), По некоторым оценкам он наступил около 3,5 млрд. лет назад.

Первые примитивные одноклеточные организмы, по всей вероятности, были гетеротрофами (греч heteros - другой, trophe - пища; организмы, которые используют для своего питания готовые вещества), так как только они могли воспользоваться имевшимися в морском бульоне готовыми запасами вещества и энергии. Это были анаэробы – организмы, способные жить в отсутствии кислорода.

Автотрофы (греч. autos - сам, организмы, синтезирующие органические вещества, необходимые для обеспечения своей жизнедеятельности)появились значительно позднее, когда природой были отработаны механизмы хемо- и фотосинтеза. С момента возникновения живых организмов, способных к фотосинтезу, геохимическая и биологическая эволюции стали неотделимы друг от друга. Жизнедеятельность живого вещества стала оказывать формирующее влияние на геохимический состав поверхности Земли, гидросферы и атмосферы. С обогащением атмосферы кислородом появляются аэробы - организмы, которые могут существовать только при наличии достаточного количества кислорода.

Появляются прокариоты – организмы, не имеющие оформленного ядра (вирусы, бактерии, сине-зеленые водоросли), а затем и эукариоты – высшие организмы, клетки которых имеют оформленное ядро.

Однако возможности одноклеточной структуры весьма ограничены в плане энергетики, устойчивости и оптимальности. Возникают ассоциации клеток, отрабатываются механизмы их согласованного взаимодействия, разделяются функции, происходит специализацияотдельных клеток, появляются прообразыорганных систем. Многоклеточные структуры лучше, чем одноклеточные, защищены от внешних воздействий и более надежны, благодаря возможности дублировать функции.

Но вся жизнь была сосредоточена в водной среде. Около 400 млн. лет назад, когда концентрация кислорода достигла 2-3% и возник озоновый экран, жизнь вышла на сушу. Первыми ее начали осваивать растения. Около 300 млн лет назад был достигнут современный уровень содержания кислорода в атмосфере. Появляются папоротники хвощи а позднее хвойные леса и цветковые растения. Это создало предпосылки для выхода животных на сушу.

В результате жизнедеятельности организмов образовалась примитивная биосферы, которая стала:

Обеспечивать круговорот биогенных элементов;

Регулировать газовый состав атмосферы;

Обеспечивать вертикальный и горизонтальный перенос веществ;

Обеспечивать почвообразование;

Выполнять геологическую функцию.

Как уже упоминалось, в состав первичной атмосферы Земли входили пары воды и несколько газов: CO 2 , CO, H 2 S, NH 3 , CH 4 . При этом кислород практически отсутствовал, и атмосфера имела восстановительный характер.

Возникновение жизни на Земле и ее биосферы – одна из основных проблем современного естествознания. Согласно гипотезе биохимической эволюции А.И.Опарина зарождение жизни на Земле – это длительный процесс становления живой материи из неживой под воздействием физико-химических факторов.

В то же время в вопросе о происхождении первых «протоклеток», моменте перехода от «нежизни» к жизни еще очень много неясного.

Гиперциклы и зарождение жизни. Лучше понять процесс происхождения и эволюции жизни, можно, обратясь к расмотренной ранее теории химической эволюции Руденко и гипотезы немецкого физико-химика М. Эйгена. Согласно последней, процесс возникновения живых клеток тесно связан с взаимодействием нуклеотидов (нуклеотиды – элементы нуклеиновых кислот, в состав которых входят азотистые основания – цитозин, гуанин, тимин, аденин), являющихся материальными носителями информации , и протеинов (полипептидов), служащих катализаторами химических реакций. В процессе взаимодействия нуклеотиды под влиянием протеинов воспроизводят самих себя и передают информацию следующему за ними протеину, так что возникает замкнутая автокаталитическая цепь , которую М. Эйген назвал гиперциклом . В ходе дальнейшей эволюции из них возникают первые живые клетки, сначала безъядерные (прокариоты), а затем с ядрами – эукариоты.

Здесь, как видим, прослеживается логическая связь между теорией эволюции катализаторов и представлениями о замкнутой автокаталитической цепи. В ходе эволюции принцип автокатализа дополняется принципом самовоспроизведения целого циклически организованного процесса в гиперциклах, предложенного М.Эйгеном. Воспроизведение компонентов гиперциклов, так же как и их объединение в новые гиперциклы, сопровождается усилением метаболизма, связанного с синтезированием высокоэнергетических молекул и выведением как «отбросов» бедных энергией молекул. Здесь интересно отметить особенности вирусов как промежуточной формы между жизнью и нежизнью: они лишены способности к метаболизму и, внедряясь в клетки, начинают пользоваться их метаболической системой . Итак, по Эйгену происходит конкуренция гиперциклов, или циклов химических реакций, которые приводят к образованию белковых молекул (рис.).

Рис. Гиперцикл и возникновение гипотетической клетки

Циклы, которые работают быстрее и эффективнее, чем остальные, «побеждают» в конкурентной борьбе. Фактически, Эйген выдвинул концепцию образования упорядоченных макромолекул из неупорядоченного вещества на основе матричной репродукции естественного отбора. Он начинает с того, что дарвиновский принцип естественного отбора – это единственный понятный нам способ создания новой информации как физической величины, отражающей меру упорядоченности системы (в противоположность энтропии – «беспорядку»). Другими словами, если имеется система самовоспроизводящихся единиц, которые строятся из материала, поступающего в ограниченном количестве из единого источника, то в ней с неизбежностью возникает конкуренция и, как ее следствие, отбор . Эволюционное поведение, управляемое естественным отбором, основано на самовоспроизведении с "информационным шумом" (в случае эволюции биологических видов роль "шума" выполняют мутации). Наличия этих двух физических свойств достаточно, чтобы стало принципиально возможным возникновение системы с прогрессирующей степенью сложности.

Простейшим примером гиперцикла может служить размножение РНК-содержащего вируса в бактериальной клетке. Этот гиперцикл конкурирует с любой самовоспроизводящейся единицей, не являющейся его членом; он не может стабильно сосуществовать и с другими гиперциклами – если только не объединен с ними в автокаталитический цикл следующего, более высокого, порядка. Состоя из самостоятельных самовоспроизводящихся единиц (что гарантирует сохранение фиксированного количества информации, передающейся от "предков" к "потомкам"), он обладает и интегрирующими свойствами. Таким образом, гиперцикл объединяет эти единицы в систему, способную к согласованной эволюции, где преимущества одного индивида могут использоваться всеми ее членами, причем система как целое продолжает интенсивно конкурировать с любой единицей иного состава.

В процессе возникновения жизни на Земле различают несколько основных этапов. Их последовательность в процессе эволюции: абиогенный синтез низкомолекулярных органических веществ, образование биополимеров, формирование коацерватов, возникновение фотосинтеза.

Рис. 4. Схема абиогенеза

Интересно сопоставить действительные представления о биохимической эволюции с тем, что пытаются обычно представить креационисты, критикующие эту теорию (рис.).

Согласно современным гипотезам, вещества, возникшие в первичной атмосфере, в основном вымывались в океанах, размеры которых увеличивались по мере остывания Земли. Были проведены эксперименты с газами, предположительно входившими в состав этой атмосферы, в условиях, считающимися близкими к господствовавшим в то время. В этих экспериментах получены сложные органические молекулы, сходные с основными компонентами биологических структур. Земные океаны превращались во все более концентрированный раствор таких веществ.

Некоторые органические молекулы имеют тенденцию собираться вместе. В первичном океане эти скопления, вероятно, приобретали форму капель, похожих на образуемые маслом в воде. Такие капли, по-видимому, и были предшественниками примитивных клеток – первых форм живого.

Согласно современным теориям, эти органические молекулы служили также источником энергии для первых организмов. Примитивные клетки или клеткоподобные структуры могли получать ее, используя имеющиеся в изобилии химические соединения. По мере развития и усложнения организмы становились все более самостоятельными, приобретая такие способности: расти, размножаться и предавать свои признаки следующим поколениям.

Таким образом, первые организмы , возникшие на Земле и долго существовавшие в водах первичного океана – это прокариоты , т.е. безъядерные организмы. Прокариот называют также «бактериями». Кроме того, эти организмы не нуждались в кислороде для своей жизнедеятельности, т.е. были анаэробами . Они удовлетворяли свои энергетические нужды, потребляя органические соединения из окружающей среды, т.е. были гетеротрофами (от греческих слов heteros – другой и trophos – питающийся). К этой группе сейчас относятся все животные и грибы, а также многие одноклеточные, например большинство бактерий.

До того как атмосфера стала аэробной, т.е. кислородной, существовали только лишенные ядерных оболочек прокариотические клетки, генетический материал которых не организован в сложные хромосомы.

По мере увеличения численности примитивных гетеротрофов запас сложных молекул, от которых зависело их существование, накапливавшийся в течение миллионов лет, начал истощаться. Органики за пределами клеток становилось все меньше, и между ними началась конкуренция. Под ее давлением клетки, которые могли эффективно использовать ставшие ограниченными источниками энергии, получили в сравнении с другими больше шансов выжить. С течением времени в результате длительного медленного процесса вымирания (элиминации) наименее приспособленных возникли организмы, способные создавать собственно богатые энергией молекулы из простых неорганических веществ. Они называются автотрофами , что означает по-гречески «самостоятельно питающиеся». Без появления этих первых автотрофов жизнь на Земле прекратилась бы.

Наиболее преуспевающими оказались автотрофы, у которых появилась система для непосредственного использования солнечной энергии, т.е. фотосинтеза. Первые фотосинтезирующие организмы были намного проще современных растений, но уже значительно сложнее, чем примитивные гетеротрофы. Для поглощения и использования солнечной энергии потребовалась особая, улавливающая световую энергию пигментная система и сопряженная с ней система запасания этой энергии в связях органических молекул.

Доказательства существования фотосинтезирующих организмов были найдены в породах возрастом 3,4 млрд. лет, т.е. на 100 млн. лет более молодых, чем те, в которых обнаружены первые ископаемые свидетельства жизни на Земле. Однако можно быть почти уверенным в том, что и жизнь, и фотосинтез появились значительно раньше. С появлением автотрофов поток энергии в биосфере приобрел современные черты: лучистая энергия улавливается фотосинтезирующими организмами, а от них предается всем остальным живым существам.

По мере увеличения количества автотрофов облик планеты изменялся. Эта биологическая революция связана с одним из наиболее эффективных способов фотосинтеза, используемым почти всеми ныне живущими автотрофами и включающим расщепление молекулы воды с высвобождением кислорода. В результате количество газообразного кислорода в атмосфере увеличивалось, а это имело два важных последствия.

Во-первых, часть кислорода во внешнем слое атмосферы превращалась в озон , который, накопившись в достаточном количестве, начал поглощать ультрафиолетовые лучи падающего на землю солнечного света, губительные для живого. Около 450 млн. лет назад организмы, защищенные озоновым слоем, уже могли выживать у поверхности воды и на суше.

Во-вторых, увеличение количества свободного кислорода дало возможность более эффективно использовать богатые энергией углеродсодержащие молекулы, образованные в ходе фотосинтеза, позволив организмам расщеплять и окислять их в процессе дыхания (окислительное фосфорилирование) . А дыхание дает значительно больше энергии, чем любое анаэробное (бескислородное) разложение.

Окисли́тельное фосфорили́рование – метаболический путь, при котором энергия, образовавшаяся при окислении (обязательно нужно присутствие кислорода) питательных веществ, запасается в митохондриях клеток в виде АТФ.

Все виды организмов, жившие на Земле ранее примерно 1,5 млрд. лет назад, были гетеротрофами или автотрофными бактериями. Согласно палеонтологическим данным, увеличение концентрации свободного кислорода сопровождалось появлением первых эукариотических клеток , имеющих ядерные оболочки, особо устроенные хромосомы и ограниченные мембранами органеллы. Эукариотические организмы, отдельные клетки которых обычно значительно крупнее бактериальных, возникли около 1,5 млрд. лет назад, а многочисленными и разнообразными стали примерно 1 млрд. лет назад. Все живые существа, кроме бактерий, состоят из одной или многих эукариотических клеток. Следует отметить, что первые этапы становления жизни на Земле заняли миллиарды лет (рис.).

Рис. Начальный этап эволюции жизни

Таким образом, концепция самоорганизации позволяет установить связь между живым и неживым в ходе эволюции, так что возникновение жизни представляется отнюдь не чисто случайной и крайне маловероятной комбинацией условий и предпосылок для ее появления. Кроме того, жизнь сама готовит условия для своей дальнейшей эволюции.

Нерегулярные полимеры – полимеры, в которых нет определенной закономерности в последовательности молекул.

Теории возникновения жизни.

Теорий возникновения протобиополимеров – основы жизни на Земле несколько. Рассмотрим наиболее важнейшие из них.

Теория Панспермии.

Данной точки зрения придерживались Аррениус, Гельмгольц, Берг, Вернадский, микробиолог Заварзин.

Согласно данной точки зрения жизнь зародилась в космосе и первые живые существа были привнесены на Землю из космоса вместе с космической пылью, метеоритами. Таким образом, жизнь на Земле существует столько, сколько существует сама планета.

Однако встает вопрос, где появилась первая жизнь? По мнению микробиологов, жизнь могла возникнуть в космосе, в пределах Солнечной системы (космо-химическая теория). Эта химическая, а затем биологическая эволюция происходила до образования Земли.

Доказательством является сравнительный анализ вещества космоса и Земли: основными химическими элементами везде являются О, Н, С, N.

Концентрация вещества в космосе очень мала, поэтому, вероятно, первые элементы жизни связаны с космической пылью, которая имеет следующее строение:

Под воздействием ультрафиолетовых лучей, которых в космосе очень много, могли протекать химические и биологические процессы. В метеоритах найдены углеводороды: пурины, пиримидины, аминокислоты. Впервые органические вещества в метеоритах выделены Берцелиусом. Жизнь на поверхность Земли могли доставлять и кометы. Химический состав комет не отрицает это. Органические вещества в «замороженном» состоянии в метеоритах и кометах могли оставаться неограниченно долгое время и, попав на Землю, при благоприятных условиях могли продолжить развитие.

Аргументы против данной теории:

· длительное пребывание в холоде должно быть губительно, но эксперименты подтверждают, что зародыши простейших микроорганизмов в течение 6 мес. переживают температуру –200оС;

· ультрафиолетовые лучи губительны для в сего живого, но в отсутствии кислорода сложные органические соединения могут существовать не разрушаясь при жестком ультрафиолетовом излучении;

· прохождение метеоритов через атмосферу вызывает значительное повышение температуры, метеориты оплавляются, но есть данные, что микроорганизмы могут переносить высокие температуры и они вполне могли сохраниться внутри метеоритов.

Таким образом, нет фактов, доказывающих полную несостоятельность этой теории.

Термическая теория .

Реакции конденсации, которые привели бы к образованию полимеров из низкомолекулярных предшественников, могут осуществляться путем нагревания. Наиболее хорошо изучен синтез полипептидов. Идея термического синтеза полипептидов принадлежит американскому ученому С. Фоксу, который длительно изучал возможности образования полипептидов в условиях, существовавших на первобытной Земле.

Если смесь аминокислот нагреть до 180-2000 С при нормальных атмосферных условиях или в инертной среде, то образуются продукты расщепления, небольшие олигомеры, в которых мономеры соединены пептидными связями, а также малые количества полипептидов. Полипептиды, полученные термическим путем из аминокислот, – протеиноиды – проявляют многие специфические свойства биополимеров протеинового типа. Однако, более сложные структуры получить не удалось. Не выдвинуты обоснованные теоретические пути данного процесса.

Низкотемпературная теория.

Холодная плазма широко распространена в природе. Некоторые ученые считают что 99% Вселенной находятся в состоянии холодной плазмы. На современной Земле она представлена в виде молний, северных сияний, ионосферы. На абиотической Земле этот вид энергии был способен превращать молекулы в свободные радикалы, активные в химическом отношении. В результате экспериментов с холодной плазмой авторами теории были получены отдельные мономеры, полимеры пептидного типа и липиды.

Теория адсорбции .

Основным контраргументом в спорах об абиогенном возникновении полимерных структур является концентрационный барьер и недостаток энергии для конденсации мономеров в разбавленных растворах. Действительно, по некоторым оценкам концентрация органических молекул в «первичном бульоне» составляла около 1%, что не могло обеспечить протекания реакций полимеризации или поликонденсации в быстрые сроки, как это произошло на Земле по оценкам некоторых ученых. Одно из решений этого вопроса, связанное с преодолеванием концентрационного барьера, было предложено Дж. Д. Берналом , считавшим, что концентрирование разбавленных растворов происходит путем «адсорбции в пресноводных или морских отложениях очень тонких глин».

В результате взаимодействия веществ в процессе адсорбции некоторые связи ослабляются и рвутся, другие возникают, что приводит к разрушению одних и образованию других веществ.

Коацерватная теория .

В 1924г. Выходит в свет книга А.И. Опарина «Происхождение жизни», в которой он выдвигает гипотезу, что происхождение жизни на земле есть результат длительного эволюционного процесса на самой Земле. Сейчас зарождение жизни не возможно, т.к. все экологические ниши заняты и есть кислород – сильный окислитель.

В 1929г. Выходит статья Дж. Холдейна, где он независимо от Опарина приходит к таким же результатам. Но приоритет открытия Опарина однозначен.

Опарин считает, что жизнь на Земле могла возникнуть абиогенным путем. Первые живые организмы были гетеротрофами. Это могло произойти при наличии определенных химических веществ, источников энергии, отсутствии газообразного кислорода и при наличии безгранично длительного времени.

Вероятность самозарождения жизни по Опарину 1/1000 случаев в год, но времени было достаточно от возникновения Земли до появления первых прокариотов (1 млрд лет).

Опарин выделил 4 этапа возникновения жизни на Земле.

1 этап. Образование органических веществ.

Вначале масса Земли была раскалена, постепенно она остывала. В это время углерод соединялся с металлами с образованием карбидов:

С + Ме (Ni, Fe) =карбиды (обнаружены в метеоритах).

В первичной атмосфере Земли были C, H, N.

O2 + 2H2 = 2 H2O

Спектральные исследования показали, что эти вещества присутствуют на солнце и других звездах. Свободный кислород отсутствовал. По мере остывания пары воды могли конденсироваться с образованием первичных водоемов.

Источниками энергии для первичной химической эволюции могли служить:

· распад К40;

· ультрафиолетовое излучение;

· вулканизм;

· удары метеоритов;

· молнии.

В водной среде под воздействием этих видов энергии могли появиться спирты, альдегиды, кислоты.

Гипотеза Опарина вызвала много споров и научных исследований.

В 1953г. Миллер сконструировал специальную установку и провел следующие эксперименты. Через смесь газов CH4, NH3, H2O и H2 он пропускал электрический ток. К концу недели были получены аминокислоты аланин и глутамин.

Оро провел подобный эксперимент, используя в качестве энергии ультрафиолетовое излучение при высокой температуре и получил урацил, рибозу и дезоксирибозу.

Теорию Опарина подтверждают и палеонтологические данные. Первые органические молекулы найдены в слоях, соответствующих возрасту 3,8 млрд лет назад.

2 этап. Полимеризация мономеров.

Доказать полимеризацию в естественных условиях трудно, т.к. полимеры легко разрушаются. Т.е. реакции полимеризации и поликонденсации могли идти только при мягких условиях реакции при наличии катализаторов. Ими могли быть цианиды.

Данные реакции по предложению Дж. Д. Бернала могли осуществляться на границе земля – вода, на скоплениях глин, которые являются прекрасными адсорбентами. Многие виды глин эффективно адсорбируют сахара, азотистые основания, кислоты. При высокой концентрации потенциальных мономеров при наличии внешней энергии могли протекать процессы полимеризации.

3 этап. Появление коацерватов.

Молекулы первых органических соединений, в т.ч. и белков, находились в растворах. Они образовывали коллоидный раствор. При смешивании различных коллоидных растворов возникали фазово-обособленные органические системы – капли белков, отличающиеся друг от друга – коацерватные капли, имеющие некую структурную оболочку, образованную определенным образом ориентированными молекулами. Эта оболочка отделяет каплю от внешней среды, превращая ее в дискретную единицу, содержащую набор химических веществ, отличный от внешней среды. Через эту оболочку возможен обмен веществ между коацерватом и внешней средой по типу открытых систем. Внутри коацерватов под действием катализаторов могла происходить самосборка полимерных молекул в многомолекулярные фазово-обособленные образования – видимые под оптическим микроскопом капли. В них сосредотачивается большинство полимерных молекул, тогда как окружающая среда почти их лишена. Коацерваты могут объединяться, образуя более сложные структуры, поглощать меньшие, делиться на дочерние образования. Таким образом, возникает простейший метаболизм. Вещество входит в каплю, полимеризуется, обуславливая рост системы, а при его распаде продукты этого распада выходят во внешнюю среду, где их раньше не было.

Важно то, что в зависимость от совершенства внутренней организации капель одни из них могут расти быстро, тогда как другие, находясь в той же среде, замедлены в своем росте или подвергаются распаду. Таким образом, на модели коацерватных капель А.И Опарину и его сотрудникам удалось экспериментально показать предбиологический отбор, т.е. зачатки естественного отбора, который в дальнейшем явился движущей силой всего эволюционного процесса.

Исследования Опарина подтверждены другими учеными. Это «пузырьки» Гольдейкера, «микросферы» Фокса, «джейвану» Бахадура. «пробионты» Эгами и многие другие.

4 этап. Возникновение матричного синтеза.

Грань, отделяющая преджизнь от жизни – возникновение матричного синтеза. До этого момента существовали индивидуумы, с появлением матричного синтеза можно говорить о популяциях.

Синтез белков претерпевал эволюционные изменения.

Изначально сборка белков шла на РНК, находящихся в цитоплазме клеток. Это самый простой способ, но при нем не гарантировалось равномерное деление информации между дочерними клетками, т.е. часть признаков могла исчезнуть из популяции.

Более прогрессивный способ возник с появлением ДНК. ДНК были более устойчивыми молекулами, поскольку имели двуцепочечное строение. На первом этапе РНК и ДНК конкурировали и возможно эволюция пошла по дивергентному пути. ДНК стала специализироваться на самовоспроизведении, РНК – синтезе белков. ДНК обосновалась в ядре, РНК – в цитоплазме. Образовались 2 системы синтеза:

– синтез полипептидов – относительно не точный;

– синтез белков – очень точный.

Постепенно возникла система генетического кода, когда триплет нуклеотидов кодировал аминокислоту. С появлением примитивного генетического аппарата обладавшие им протоклетки смогли передавать всем своим потомкам способность синтезировать специфические полипептиды. Образующиеся из них линии давали семейства родственных протоклеток с наследуемыми свойствами, которые подвергались естественному отбору.

Первые живые организмы были гетеротрофными и использовали готовые органические вещества первичного бульона. Автотрофы скорее всего произошли от гетеротрофов на следующем этапе эволюции. Причиной явилось уменьшение количества готовых органических веществ в первичном бульоне, т.к. увеличилось количество протобионтов, а позднее первых живых организмов. Это обострило конкуренцию преимущество стали иметь живые организмы, использующие альтернативные источники энергии. Таким неисчерпаемым источником энергии стал солнечный свет. Сначала это была ультрафиолетовая часть спектра, позднее, с появлением кислорода, в атмосфере начал формироваться озоновый экран – препятствие для ультрафиолетового излучения и преимущество получили организмы, имеющие катализаторы, позволяющие использовать видимую часть спектра для осуществления окислительно-восстановительных реакций. Возник фотосинтез. Это привело к еще большему увеличению содержания кислорода в атмосфере и возникновению процесса дыхания. Накопление кислорода в атмосфере также привело к окончанию абиогенного синтеза.