Теории происхождения протобиополимеров. ТЕРМИЧЕСКАЯ Рассматривает образование полимеров из низкомолекулярных структур путем нагревания. С. Фокс. . НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ Ведущее значение принад-лежит энергии холодной плазмы. К. Симонеску, Ф. Денеш. ТЕОРИЯ АДСОРБЦИИ Концентрация повышается путем адсорбции в пресно-водных или морских отло-жениях очень тонких глин. Д. Бернал. КОАЦЕРВАТНАЯ Рассматривает индивиду-альные фазово-обособлен-ные системы – коацерваты (молекулы, окруженные водной оболочкой). А.И.Опарин.
Картинка 50 из презентации «Возникновение жизни на Земле» к урокам биологии на тему «Возникновение жизни»Размеры: 960 х 720 пикселей, формат: jpg. Чтобы бесплатно скачать картинку для урока биологии, щёлкните по изображению правой кнопкой мышки и нажмите «Сохранить изображение как...». Для показа картинок на уроке Вы также можете бесплатно скачать презентацию «Возникновение жизни на Земле.ppt» целиком со всеми картинками в zip-архиве. Размер архива - 377 КБ.
Скачать презентациюВозникновение жизни
«Гипотеза А.И.Опарина» - Первичная атмосфера Земли имела восстановительный характер. Общие выводы по теории А.И.Опарина. Жизнь возникла на Земле абиогенным путем. Гипотеза происхождения жизни А.И.Опарина. Биологической эволюции предшествовала длительная химическая эволюция. Этапы возникновения жизни на Земле. Возникновение генетического кода, мембраны и начало биологической эволюции.
«Развитие Земли» - В программе посещения 4 залов музея: Задача: необходимо внимательно прислушаться к предложенной мелодии и определить природную зону. Верблюды не выдержали и пали. ЗАЛ № 1 Практическая работа: 1. Изучить предложенные экспонаты. 2. Определить: а) Какие образцы являются ископаемыми остатками организмов(окаменелости) б) Какие образцы являются реконструируемыми. 3. Сформулировать вывод: Для чего необходимо изучать ископаемые остатки организмов? 4. Из предложенных букв сложить название науки, изучающей древние окаменелости.
«Теория возникновения жизни» - Таким образом, коацерваты могли расти, размножаться, осуществлять обмен веществ. Споры микроорганизмов оседали на изогнутой трубке и не могли проникнуть в питательную среду. Креационизм. Возможно, синтез полимеров катализировался на поверхности минеральных глин. Пастер присоединил к S-образной трубке запаянную колбу со свободным концом.
«Продолжительность жизни» - , Tmax – продолжительность жизни в единицах физического времени. Нас интересует то «собственное» время, в котором существует организм как целое. Определим единицу внутреннего времени: – Значение q(t). m0 – начальная масса; t0 = 0; М? – асимптота; k – параметр. При расчетах использованы зависимости (Lasiewski, Dawson, 1967):
«Развитие органического мира» - Сегодня мы переживаем один из периодов потепления. Развитие органического мира. Длительность: ОТ 248 ДО 213 МЛН. Кембрийский период. Животный мир Ругозы ведут очень активное рифостроительство. Пермский период начался с оледенения, вызвавшего понижение уровня моря. Сформировались все основные типы природных биогеоценозов.
«Теория жизни» - Теории зарождения жизни. Креационизм. Монотеизм – одно из направлений креационизма. Концепция стационарного состояния: Возникновение жизни. Панспермия: Первоначально все существа, включая человека жили в прекрасном мире – рае. Древняя Греция. Научные. Кратко про основные теории. К монотеистическим религиям можно отнести: Христианство Буддизм Ислам.
Всего в теме 20 презентаций
Введение
Теории, касающиеся возникновения Земли и жизни на ней, да и всей Вселенной, разнообразны и далеко не достоверны. Согласно теории стационарного состояния, Вселенная существовала вечно. Согласно другим гипотезам, Вселенная могла возникнуть из сгустка нейтронов в результате «Большого взрыва», родилась в одной из черных дыр или же была создана Творцом. Вопреки бытующим представлениям, наука не может опровергнуть тезис о божественном сотворении Вселенной, так же как теологические взгляды не обязательно отвергают возможность того, что жизнь в процессе своего развития приобрела черты, объяснимые на основе законов природы.
Среди множества теорий возникновения жизни на Земле рассмотрим основные: жизнь была создана сверхъестественным существом в определенное время (креационизм); жизни возникала неоднократно из неживого вещества (самопроизвольное зарождение); внезапное возникновение жизни (теория панспермии); жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам (биохимическая эволюция).
Рассмотрим эти теории подробнее.
Креационизм
Согласно этой теории, Вселенная возникла в результате целенаправленного разумного акта творения, возникновение в результате подобного акта основных высокоорганизованных форм жизни, изменения жизненных форм в пределах вида в результате взаимодействия с окружающей средой; ее придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религиозных учений. В 1650 г. архиепископ Ашер из г. Арма (Ирландия) вычислил, что бог сотворил мир в октябре 4004 г. до н. э. И закончил свой труд 23 октября в 9 утра, создав человека. Ашер получил эту дату, сложив возрасты всех людей, упоминающихся в библейской генеалогии – от Адама до Христа. С точки зрения арифметики это разумно, однако при этом получается, что Адам жил в то время, когда, как показывают археологические находки, на Ближнем Востоке существовала хорошо развитая городская цивилизация.
Креационная теория, отодвинутая на второй план в результате широкого распространения эволюционизма, получила "второе рождение" в наши дни, благодаря развитию науки и полученным ею новым фактам.
Креационная модель была основной в науке весь период ее существования, практически до начала нынешнего столетия. Учеными–креационистами были Коперник, Галилей, Ньютон, Паскаль, Линней, Пастер, Максвелл и многие другие.
Но к концу прошлого века, когда развитие социальных наук начало оказывать сильное влияние на естествознание, начался бурный рост разнообразных теорий, часто имеющих псевдонаучный характер. Наиболее революционной из них стала теория Дарвина, которая к тому же хорошо соответствовала весьма популярной в этот период в Европе времени социальной доктрине марксизма. Довольно быстро дарвинизм развивался и в странах Востока - этому благоприятствовала его непротиворечивость основным догматам восточных религий. Именно на основе работ Дарвина и его последователей и выросла теория эволюционного развития, быстро ставшая наиболее распространенной. В течение более полувека она практически полностью господствовала в науке.
И только несколько десятилетий назад новые научные открытия заставили многих ученых усомниться в возможности действия эволюционного механизма. Кроме того, если эволюционная теория имеет хоть какое–то объяснение процесса возникновения живой материи, то механизмы возникновения Вселенной просто остаются за рамками этой теории.
Существует и другое, не менее распространенное заблуждение, что креационизм - сугубо библейская теория, опирающаяся в своем развитии исключительно на веру. Действительно, Библия дает довольно четкую схему возникновения окружающего нас мира, которая совпадает с креационным учением. Тем не менее, креационизм является именно наукой, опирающейся на научную методологию и результаты научных экспериментов. Данное заблуждение вытекает прежде всего из–за очень поверхностного знакомства с теорией творения, а также из–за прочно сложившегося предвзятого отношения к этому научному течению. В результате этого многие люди намного более благожелательно относятся к совершенно ненаучным, не подтвержденным практическими наблюдениями и экспериментами теориям, таким, как например, фантастическая "теория контакта", допускающая возможность искусственного творения известной нам Вселенной "внешними цивилизациями".
Креационизм не решает проблемы узкой, сугубо специализированной области научных знаний. Каждая отдельная наука, изучающая свою часть окружающего нас мира, органично является частью научного аппарата креационизма, а полученные ею факты складывают целостную картину креационного учения.
Основная цель креационизма - способствовать познанию человеком окружающего мира научными методами и использовать это знание для решения практических нужд человечества.
Креационизм, как и любая другая наука, имеет свою философию. Философия креационизма - это философия Библии. И это многократно увеличивает ценность креационизма для человечества, которое уже успело на собственном примере убедится, как важна философия науки для предотвращения необдуманных последствий ее развития.
Креационизм является на сегодняшний день наиболее последовательной и непротиворечивой теорией возникновения окружающего нас мира. И именно его согласованность с многочисленными научными фактами самых разнообразных научных дисциплин делают его наиболее перспективной платформой для дальнейшего развития человеческого познания.
Теория самопроизвольного зарождения жизни
Эта теория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне и Египте в качестве альтернативы креационизму, с которым она сосуществовала.
Аристотель (384 – 322 гг. до н. э.), которого часто провозглашают основателем биологии, придерживался теории спонтанного зарождения жизни. На основе собственных наблюдений он развивал эту теорию дальше, связываю все организмы в непрерывный ряд – «лестницу природы». «Ибо природа совершает переход от безжизненных объектов к животным с такой плавной последовательностью, поместив между ними существа, которые живут, не будучи при этом животными, что между соседними группами, благодаря их тесной близости, едва можно заметить различия» (Аристотель).
Этим утверждением Аристотель укрепил более ранние высказывания Эмпедокла об органической эволюции. Согласно гипотезе Аристотеля о спонтанном зарождении, определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм. Аристотель был прав, считая, что это активное начало содержится в оплодотворенном яйце, но ошибочно полагал, что оно присутствует также в солнечном свете, тине и гниющем мясе.
«Таковы факты – живое может возникать не только путем спаривания животных, но и разложением почвы. Так же обстоит дело и у растений: некоторые развиваются из семян, а другие как бы самозарождаются под действием всей природы, возникая из разлагающейся земли или определенных частей растений» (Аристотель).
С распространением христианства теория спонтанного зарождения жизни оказалась не в чести: ее признали лишь те, кто верил в колдовство и поклонялся нечистой силе, но эта идея все продолжала существовать где-то на заднем плане в течение еще многих веков. Ван Гельмот (1577 – 1644 гг), весьма знаменитый и удачливый ученый, описал эксперимент, в котором он за три недели якобы создал мышей. Для этого нужны были грязная рубашка, темный шкаф и горсть пшеницы. Активным началом в процессе зарождения мыши Ван Гельмот считал человеческий пот. В 1688 году итальянский биолог и врач Франческо Реди, живший во Флоренции, подошел к проблеме возникновения жизни более строго и подверг сомнению теорию спонтанного зарождения. Реди установил, что маленькие белые червячки, появляющиеся на гниющем мясе, - это личинки мух. Проведя ряд экспериментов, он получил данные, подтверждающие мысль о том, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (концепция биогенеза).
«Убежденность была бы тщетой, если бы ее нельзя было подтвердить экспериментом. Поэтому в середине июля я взял четыре больших сосуда с широким горлом, поместил в один из них землю, в другой – немного рыбы, в третий – угрей из Арно, в четвертый – кусок молочной телятины, плотно закрыл их и запечатал. Затем я поместил то же самое в четыре других сосуда, оставив их открытыми… Вскоре мясо и рыб в незапечатанных сосудах зачервили; можно было видеть, как мухи свободно залетают в сосуды и вылетают из них. Но в запечатанных сосудах я не видел ни одного червяка, хотя прошло много дней, после того как в них была положена дохлая рыба» (Реди). Эти эксперименты, однако, не привели к отказу от идеи самозарождения, и хотя эта идея несколько отошла на задний план, она продолжала оставаться главной теорией в неклерикальной среде. В то время как эксперименты Реди, казалось бы, опровергли спонтанное зарождение мух, первые микроскопические исследования Антона ван Левенгука усилили эту теорию применительно к микроорганизмам. Сам Левенгук не вступал в споры между сторонниками биогенеза и спонтанного зарождения, однако его наблюдения под микроскопом давали пищу обеим теориям и в конце концов побудили других ученых поставить эксперименты для решения вопроса о возникновении жизни путем спонтанного зарождения.
В 1765 году Ладзаро Спалланцани провел следующий опыт: подвергнув мясные и вовощные отвары кипячению в течение нескольких часов, он сразу же их запечатал, после чего снял с огня. Исследовав жидкости через несколько дней, Спалланцани не обнаружил в них никаких признаков жизни. Из этого он сделал вывод, что высокая температура уничтожила все формы живых существ и что без них ничто живое уже не могло возникнуть. В 1860 году проблемой происхождения жизни занялся Луи Пастер. К этому времени он уже многое сделал в области микробиологии и сумел разрешить проблемы, угрожавшие шелководству и виноделию. Он показал также, что бактерии вездесущи и что неживые материалы легко могут быть заражены живыми существами, если их не стерилоизовать должным образом.
В результате ряда экспериментов, в основе которых лежали методы Спллнцани, Пастер доказал справедливость теории биогенеза и окончательно опроверг теорию спонтанного зарождения.
Однако подтверждение теории биогенеза породило другую проблему. Коль скоро для возникновения живого организма необходим другой живой организм, то откуда же взялся самый первый живой организм? только теория стационарного состояния не требует ответа на этот вопрос, а во всех других теориях подразумевается, что на какой-то стадии истории жизни произошел переход от неживого к живому. Было ли это первичным самозарождением?
Теория стационарного состояния
Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно, она всегда способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень мало. Виды также существовали всегда.
Оценки возраста земли сильно варьировали – от примерно 6000 лет по расчетам архиепископа Ашера до 5000 10 6 лет по современным оценкам, основанным на учете скоростей радиоактивного распада. Более совершенные методы датирования дают все более высокие оценки возраста Земли, что позволяет сторонникам теории стационарного состояния считать, что Земля существовала вечно. Согласно этой теории, виды также никогда не возникали, они существовали всегда и у каждого вида есть лишь две альтернативы – либо изменение численности, либо вымирание.
Сторонники этой теории не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводят в качестве примера представителя кистеперых рыб – латимерию. Сторонники теории стационарного состояния утверждают, что только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми остатками, можно делать вывод о вымирании, да и в этом случае весьма вероятно, что он окажется неверным. Используя палеонтологические данные для подтверждения теории стационарного состояния, ее немногочисленные сторонники интерпретируют появление ископаемых остатков в экологическом аспекте (увеличение численности, миграции в места благоприятные для сохранения остатков и т. п.). Большая часть доводов в пользу этой теории связана с такими неясными аспектами эволюции, как значение разрывов в палеонтологической летописи, и она наиболее подробно разработана именно в этом направлении.
Теория панспермии
Эта теория не предполагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, а выдвигает идею о её внеземном происхождении. Поэтому её нельзя считать теорией возникновения жизни как такового; она просто переносит проблему в какое-то другое место во Вселенной.
Теория панспермии утверждает, что жизнь могла возникнуть один или несколько раз в разное время и в разных частях Галактики или Вселенной. Для обоснования этой теории используется многократные появления НЛО («неопознанный летающий объект»), наскальные изображения предметов, похожих на ракеты и «космонавтов», а также сообщения якобы о встречах с инопланетянами.
Ярым сторонником этой теории был немецкий учёный Г. Рихтер (1865 г). Согласно Рихтеру, жизнь на Земле не возникала из неорганических веществ, а была занесена с других планет. В связи с этим, естественно возникал вопрос о том, насколько возможно такое перенесение жизни с одной планеты на другую через огромные пространства, их разделяющие.
Вопрос сводился к двум основным пунктам: при помощи каких сил может происходить перенос зародышей жизни с одной планеты на другую и могут ли эти зародыши сохранить жизнеспособность во время путешествия по космическому пространству.
Согласно представлениям этой теории в XIX веке, споры бактерий и других микроорганизмов могли быть занесены на Землю с метеоритами. Современные же сторонники теории панспермии полагают, что основная масса органических веществ, явившихся материалом, из которого возникали живые существа, доставлена на планету метеоритами.
Советские и американские исследования в космосе позволяют считать, что, вероятность обнаружить жизнь в пределах нашей Солнечной системы ничтожна, - однако они не дают никаких сведений о возможной жизни вне этой системы. При изучении материалов «предшественники живого» - такие вещества, как цианогены, синильная кислота и органические соединения, которые, возможно, сыграли роль «семян», падавших на голую Землю. Появился ряд сообщений о нахождении в метеоритах объектов, напоминающих примитивные формы жизни, однако доводы в пользу их биологической природы пока не кажутся учёным убедительными.
И так, мы увидели, что теория панспермии не может служить для решения вопроса о происхождении жизни, она лишь пытается объяснить появление жизни на Земле, но не её первое возникновение. В этом смысле она только отодвигает проблему, не разрешая её.
Биохимическая эволюция
Среди астрономов, геологов и биологов принято считать, что возраст Земли составляет примерно 4,5 – 5 млрд. лет.
По мнению многих биологов, в прошлом состояние нашей планеты было мало похоже на нынешнее: вероятно температура на поверхности была очень высокой (4000 - 8000°С), и по мере того, как Земля остывала, углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались и образовали земную кору; поверхность планеты была, вероятно, голой и неровной, так как на ней в результате вулканической активности, подвижек и сжатий коры, вызванных охлаждением, происходило образование складок и разрывов.
Полагают, что гравитационное поле еще недостаточно плотной планеты не могло удерживать легкие газы: водород, кислород, азот, гелий и аргон, и они уходили из атмосферы. Но простые соединения, содержащие среди прочих эти элементы (вода, аммиак, CO2 и метан). До тех пор, пока температура Земли не упала ниже 100°C, вся вода находилась в парообразном состоянии. Атмосфера была, по видимому, «восстановительной», о чем свидетельствует наличие в самых древних горнах породах металлов в восстановленной форме (например, двухвалентное железо). Более молодые породы содержат металлы в окисленной форме (Fe3+). Отсутствие кислорода, вероятно, было необходимым условием для возникновения жизни; как показывают лабораторные опыты, органические вещества (основа жизни) гораздо легче образуются в атмосфере бедной кислородом.
В 1923 г. А.И. Опарин, исходя из теоретических соображений, высказал мнение, что органические вещества, возможно углеводороды, могли создаваться в океане из более простых соединений. Энергию для этих процессов поставляла интенсивная солнечная радиация, главным образом ультрафиолетовое излучение, падавшее 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 «первичный бульон», в котором могла возникнуть жизнь.
В 1953 г. Стэнли Миллер в ряде экспериментов моделировал условия, предположительно существовавшие на первобытной Земле. В созданной им установке (рис. 1) 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).
Позднее возникло предположение, что в первичной атмосфере в относительно высокой концентрации содержалась двуокись углерода. Недавние эксперименты, проведенные с использованием установки Миллера, в которую поместили смесь CO2 и H2O, и только следовые количества других газов, дали такие же результаты, какие получил Миллер. Теория Опарина завоевала широкое признание, но она не решает проблемы, связанные с переходом от сложных органических веществ к простым живым организмам. Именно в этом аспекте теория биохимической эволюции представляет общую схему, приемлемую для большинства биологов.
Опарин полагал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежала белкам. Благодаря амфотерности белков они способны к образованию коллоидных гидрофильных комплексов – притягивают к себе молекулы воды, создающие вокруг них оболочку. Эти комплексы могут обособляться от водной фазы, в которой они суспендированы, и образовывать своего рода эмульсию. Слияние таких комплексов друг с другом приводит к отделению коллоидов от среды – процесс, называемый коацервацией. Богатые коллоидами коацерваты, возможно, были способны обмениваться с окружающей средой веществами и избирательно накапливать различные соединения, особенно кристаллоиды. Коллоидный состав данного коацервата, очевидно, зависел от состава среды. Разнообразие состава «бульона» в разных местах вело к различиям в составе коацерватов и поставляло таким образом 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 средой выстраивались молекулы липидов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивавшей коацерватам стабильность. В результате включения в коацерват предсуществующей молекулы, способной к самовоспроизведению и внутренней перестройки покрытого липидной оболочкой коацервата, могла возникнуть первичная клетка. Увеличение размеров коацерватов и их фрагментация, возможно, вели к образованию идентичных коацерватов, которые могли поглощать больше компонентов среды, так, что этот процесс мог продолжаться. Такая предположительная последовательность событий должна была привести к появлению примитивного самовоспроизводящегося гетеротрофного организма, питавшегося органическими веществами первичного бульона.
Хотя эту гипотезу происхождения жизни признают очень многие ученые, у некоторых она вызывает сомнения из-за большого количества допущений и предположений. Астроном Фред Хойл недавно высказал мнение, что мысль о возникновении жизни в результате описанных выше случайных взаимодействий молекул «столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над мусорной свалкой, может привести к сборке Боинга-747».
Самое трудное для этой теории – объяснить появление способности живых систем к самовоспроизведению. Гипотезы по этому вопросу пока малоубедительны.
Заключение
Многие из этих «теорий» и предлагаемые ими объяснения существующего разнообразия видов используют одни и те же данные, но делают упор на разные их аспекты. Научные теории могут быть сверхфантастическими с одной стороны, и сверхскептическими – с другой. Теологические соображения тоже могут найти себе место в этих рамках в зависимости от религиозных взглядов их авторов. Одним из главных пунктов разногласий, даже еще в додарвиновские времена, бал вопрос о соотношении между научными и теологическими взглядами на историю жизни.
Список литературы
1. Жиряков В. Г. Органическая химия. М. 2000.
2. Биология. Под ред. Д. К. Беляева М. 2006.
3. Концепции современного естествознании. Под ред. В. Н. Лавриенко М. 2007.
4. Кулев А.В. «Общая биология» 10 класс, методическое пособие. Санкт-Петербург: Паритет, 2001 год.
5. Опарин АИ. «Происхождение жизни». Москва: Молодая гвардия, 1954г.
6. Мэтьюс Руперт «Как начиналась жизнь». Из серии книг «Что было до нашей эры». Волгоград: «Книга», 1992
Наиболее подробно разработана именно в этом направлении. 3.4. Теория панспермии Эта теория не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, а выдвигает идею о ее внеземном происхождении. Поэтому ее нельзя считать теорией возникновения жизни как таковой; она просто переносит проблему в какое-то другое место Вселенной. Теория панспермии утверждает, что жизнь...
вития в первичном океане! Также фатальным и для “классических” “коацерватных” теорий возникновения жизни, берущих как первооснову для всего сущего так называемый “первичный бульон”. Дело в том, что в таком ядовитом, агрессивном растворе просто не могло существовать никакого “бульона”. Рассмотрим более подробно. Раствор Fe(OH)2, чем являлся первичный океан – это смесь зеленовато-синего, “ ...
О том, что органические соединения могли возникнуть чисто химическим путем в условиях, существовавших на Земле около 4 млрд. лет назад. Таким образом, условиями для абиогенного возникновения органических соединений можно считать восстановительный характер атмосферы Земли, высокую температуру, грозовые разряды и мощное ультрафиолетовое излучение Солнца, которое тогда еще не задерживалось озоновым...
Что все события происходили в геологическом масштабе времени. Относительно простой, примитивный организм не мог возникнуть мгновенно даже после того, как на первобытной Земле были созданы условия, благоприятные для зарождения жизни. Протеиноиды – термические белки. Образуются при самопроизвольном синтезе аминокислотных цепей. Длина и состав протеиноидов зависит от состава исходной аминокислоты, ...
Текущая страница: 4 (всего у книги 23 страниц) [доступный отрывок для чтения: 16 страниц]
Развитие и преобразование материи без притока энергии невозможно. Рассмотрим те источники энергии, которые обусловливают дальнейшую эволюцию веществ уже не в космосе, а на нашей планете.
Оценить роль источников энергии нелегко; ведь при этом необходимо учитывать неравновесность условий, охлаждение продуктов реакции и степень их экранирования от источников энергии.
По-видимому, любые источники энергии оказывали значительное влияние на преобразование веществ на нашей планете (табл. 2.3). Как это происходило? Конечно, свидетельств объективного характера просто не существует. Однако процессы, протекавшие на нашей Земле в глубокой древности, можно смоделировать в эксперименте. Во-первых, необходимо определить временные границы, а во-вторых, воспроизвести с возможной точностью условия в каждой из эпох существования планеты.
Для обсуждения вопросов о происхождении жизни на Земле, помимо знания источников энергии, необходимых для преобразования материи, нужно иметь и достаточно чёткое представление о времени этих преобразований.
Таблица 2.3. Возможные источники энергии для первичной химической эволюции
Развитие физических наук в настоящее время предоставило биологам несколько эффективных методов определения возраста тех или иных пород земной коры. Сущность этих способов заключается в анализе соотношения различных изотопов и конечных продуктов ядерного распада в образцах и соотнесении результатов исследования со временем расщепления исходных элементов (табл. 2.4).
Использование подобных методов позволило учёным построить временную шкалу истории Земли с момента её остывания, 4500 млн лет назад, и до настоящего времени (табл. 2.5). Теперь наша задача состоит в том, чтобы внутри этой шкалы установить, каковы были условия на примитивной Земле, какого рода атмосферу имела Земля, каковы были температура и давление, когда образовались океаны и как сформировалась сама планета.
Таблица 2.4. Периоды полураспада и другие данные о некоторых элементах, используемых при определении возраста Земли
Таблица 2.5. Геохронологическая шкала
Сегодня воссоздание условий, в которых возникли первые «зародыши жизни», имеет принципиальное значение для науки. В этом деле велика заслуга А. И. Опарина, предложившего в 1924 г. первую концепцию химической эволюции. Согласно ей, в качестве отправной точки в лабораторных экспериментах по воспроизведению условий первичной Земли предлагалась бескислородная атмосфера.
В 1953 г. американские учёные Г. Юри и С. Миллер подвергли смесь метана, аммиака, водорода и воды действию электрических разрядов (рис. 2.7). Впервые с помощью такого эксперимента среди полученных продуктов были идентифицированы аминокислоты – глицин, аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты.
Опыты Миллера и Юри стимулировали исследования молекулярной эволюции и происхождения жизни во многих лабораториях по всему миру, в том числе и в нашей стране А. Г. Пасынским и Т. Е. Павловской. Они привели к систематическому изучению проблемы, в ходе чего были синтезированы биологически важные соединения. Основные условия на первобытной Земле, принятые во внимание исследователями, приведены в таблице 2.6.
Расчёты, в которых учитывался парниковый эффект, а также приблизительная интенсивность солнечной радиации в абиотическую эру, привели к значениям на несколько десятков градусов выше температуры замерзания. Почти все эксперименты по воссозданию условий первичной Земли выполнены при температурах от 20 до 200 °С. Эти пределы установили не путём расчётов или экстраполяции некоторых геологических данных, а скорее всего с учётом температурных границ устойчивости органических соединений.
Рис. 2.7. Аппарат С. Миллера (вверху) и органические молекулы, полученные абиогенным путём (внизу)
Использование смесей газов, подобных газам первичной атмосферы, различных видов энергии, которые были характерны для нашей планеты 4–4,5×10 9 лет тому назад, и учёт климатических, геологических и гидрографических условий того периода позволили во многих научных центрах, занимающихся изучением возникновения жизни, найти доказательства путей абиотического возникновения таких органических молекул, как альдегиды, нитриты, аминокислоты, моносахариды, пурины, пиримидины, порфирины, нуклеотиды и т. д.
Таблица 2.6. Условия на первобытной Земле
Следующим этапом химической эволюции является возникновение более сложных соединений из простых органических молекул. Поэтому возникновение протобиополимеров представляет собой более сложную проблему. Необходимость их существования во всех живых системах очевидна. Они ответственны за протоферментативные процессы (например, гидролиз, декарбоксилирование, аминирование, дезаминирование, перекисное окисление и т. д.), некоторые весьма простые процессы (например, брожение) и другие, более сложные (например, фотохимические реакции, фотофосфорилирование, фотосинтез).
Наличие воды на нашей планете (первичный океан) и необходимость её присутствия во всех живых организмах обусловили термодинамический барьер на пути возникновения протобиополимеров в процессе поликонденсации. Так, для образования пептидной связи, согласно реакции необходимы затраты энергии 2–4 ккал. Этот термодинамический барьер ещё выше при получении белковых молекул в водных растворах. Следовательно, для синтеза макромолекул из «биомономеров» требуется привлечение специфических методов удаления воды.
Опорные точки
Первичная атмосфера Земли состояла преимущественно из водорода и его соединений.
Земля находится на оптимальном расстоянии от Солнца и получает достаточное количество энергии для поддержания воды в жидком состоянии.
В водных растворах за счёт различных источников энергии возникают небиологическим путём простейшие органические соединения.
1. Перечислите космические и планетарные факторы возникновения жизни абиогенным путём на нашей планете.
2. Какое значение для возникновения органических молекул из неорганических веществ на Земле имел восстановительный характер первичной атмосферы?
3. Опишите аппарат и методику проведения опытов С. Миллера и Г. Юри.
2.3. Теории происхождения протобиополимеров1. Какие, по вашему мнению, источники энергии преобладали на древней Земле? Как можно объяснить неспецифическое влияние различных источников энергии на процессы образования органических молекул?
Различные оценки характера среды на первобытной Земле привели к созданию разных условий экспериментов, имевших принципиально единые, но не всегда одинаковые в частностях результаты. Рассмотрим некоторые из важнейших теорий возникновения полимерных структур на нашей планете, лежащих у истоков образования биополимеров – основы жизни.
Термическая теория. Реакции конденсации, которые привели бы к образованию полимеров из низкомолекулярных предшественников, могут осуществляться путём нагревания. По сравнению с другими компонентами живой материи наиболее хорошо изучен синтез полипептидов.
Инициатором синтеза полипептидов термическим путём является американский учёный С. Фокс, который длительное время изучал возможности образования пептидов в условиях, существовавших на первобытной Земле. Если смесь аминокислот нагреть до 180–200 °С при нормальном атмосферном давлении или в инертной среде, то образуются продукты – небольшие олигомеры, в которых мономеры соединены пептидными связями, а также малые количества полипептидов. В случаях, когда исходные смеси аминокислот экспериментаторы обогащали аминокислотами кислого или основного типа, например аспарагиновой и глутаминовой кислотами, доля полипептидов значительно возрастала. Молекулярная масса полимеров, полученных таким путём, может достигать нескольких тысяч дальтон. (Дальтон – единица измерения массы, численно равная массе одного атома углерода: 1,67×10 −24 г, обозначается D.)
Полимеры, полученные термическим путём из аминокислот, – протеиноиды – проявляют многие специфические свойства биополимеров белкового типа. Однако в случае конденсации термическим путём нуклеотидов и моносахаридов, имеющих сложную структуру, образование известных в настоящее время нуклеиновых кислот и полисахаридов представляется маловероятным.
Теория адсорбции. Основным контраргументом в спорах об абиогенном возникновении полимерных структур является концентрационный барьер и недостаток энергии для конденсации мономеров в разбавленных растворах. И действительно, по некоторым оценкам, концентрация органических молекул в «первичном бульоне» составляла около 1 %. Такая концентрация в силу редкости и случайности контактов различных молекул, необходимых для конденсации веществ, не могла обеспечить столь «быстрого» образования разнообразных протобиополимеров, как это имело место на Земле, по оценкам многих учёных. Одно из решений этого вопроса, связанное с преодолением концентрационного барьера, было предложено английским физиком Д. Берналом, считавшим, что концентрирование сильно разбавленных растворов различных органических молекул происходит путём «адсорбции в пресноводных или морских отложениях очень тонких глин».
В результате взаимодействия веществ в процессе адсорбции некоторые связи ослабляются, что приводит к разрушению одних и образованию других химических соединений.
Низкотемпературная теория. Авторы данной теории, румынские учёные К. Симонеску и Ф. Денеш, исходили из несколько иных представлений об условиях абиогенного возникновения простейших органических соединений и их конденсации в полимерные структуры. Ведущее значение в качестве источника энергии авторы придают энергии холодной плазмы. Такое мнение небезосновательно.
Холодная плазма широко распространена в природе. Учёные полагают, что 99 % Вселенной находится в состоянии плазмы. Встречается это состояние материи и на современной Земле в виде шаровых молний, полярных сияний, а также наиболее важного типа плазмы – ионосферы.
Вне зависимости от характера энергии на абиотической Земле любой её вид преобразует химические соединения, в особенности органические молекулы, в активные частицы, такие как моно– и полифункциональные свободные радикалы. Однако дальнейшая их эволюция в значительной степени зависит от плотности энергетического потока, который в случае использования холодной плазмы наиболее ярко выражен.
В результате проведения кропотливых и сложных экспериментов с холодной плазмой в качестве источника энергии для абиогенного синтеза протобиополимеров исследователям удалось получить как отдельные мономеры, так и полимерные структуры пептидного типа и липиды.
Опарин считал, что переход от химической эволюции к биологической требовал обязательного возникновения индивидуальных фазово-обособленных систем, способных взаимодействовать с окружающей внешней средой, используя её вещества и энергию, и на этой основе способных расти, множиться и подвергаться естественному отбору.
Абиотическое выделение многомолекулярных систем из однородного раствора органических веществ, по-видимому, должно было осуществляться многократно. Оно и сейчас очень широко распространено в природе. Но в условиях современной биосферы можно непосредственно наблюдать только начальные стадии образования таких систем. Их эволюция обычно очень кратковременна в присутствии уничтожающих всё микробов. Поэтому для понимания этой стадии возникновения жизни необходимо искусственно получать фазово-обособленные органические системы в строго контролируемых лабораторных условиях и на сформированных таким образом моделях устанавливать как пути их возможной эволюции в прошлом, так и закономерности этого процесса. При работе с высокомолекулярными органическими соединениями в лабораторных условиях учёные постоянно встречаются с образованием такого рода фазово-обособленных систем. Поэтому можно представить себе пути их возникновения и экспериментально получить в лабораторных условиях разнообразные системы, многие из которых могли бы послужить нам моделями возникавших когда-то на земной поверхности образований. Для примера можно назвать некоторые из них: «пузырьки» Гольдейкра, «микросферы» Фокса, «джейвану» Бахадура, «пробионты» Эгами и многие другие.
Часто при работе с такими искусственными самоизолирующимися из раствора системами особое внимание обращается на их внешнее морфологическое сходство с живыми объектами. Но не в этой плоскости лежит решение вопроса, а в том, чтобы система могла взаимодействовать с внешней средой, используя её вещества и энергию по типу открытых систем, и на этой основе расти и множиться, что характерно для всех живых существ.
Наиболее перспективными в этом отношении моделями могут служить коацерватные капли.
Каждая молекула имеет определённую структурную организацию, т. е. атомы, входящие в её состав, закономерно расположены в пространстве. Вследствие этого в молекуле образуются полюсы с различными зарядами. Например, молекула воды Н 2 О представляет собой диполь, в котором одна часть молекулы несёт слабый положительный заряд, а другая – отрицательный. Кроме этого, некоторые молекулы (например, соли) в водной среде диссоциируют на ионы. В силу таких особенностей химической организации молекул вокруг них в воде образуются водные «рубашки» из ориентированных определённым образом молекул воды. На примере молекулы NaCI можно заметить, что диполи воды, окружающие ион Na + , обращены к нему отрицательными полюсами, а к иону CI – положительными (рис. 2.8).
Органические молекулы имеют большую молекулярную массу и сложную пространственную конфигурацию, поэтому они тоже окружены водной оболочкой, толщина которой зависит от величины заряда молекулы, концентрации солей в растворе, температуры и др.
При определённых условиях водная оболочка приобретает чёткие границы и отделяет молекулу от окружающего раствора. Молекулы, окружённые водной оболочкой, могут объединяться, образуя многомолекулярные комплексы – коацерваты (рис. 2.9).
Коацерватные капли возникают также при простом смешивании разнообразных полимеров, как природных, так и искусственно полученных. При этом происходит самосборка (объединение) полимерных молекул в многомолекулярные фазово-обособленные образования – видимые под микроскопом капли. В них сосредоточивается большинство полимерных молекул, тогда как окружающая среда оказывается почти полностью их лишена.
Капли отделены от окружающей среды резкой границей раздела, но они способны поглощать извне вещества по типу открытых систем.
Путём включения в коацерватные капли различных катализаторов (в том числе и ферментов) можно вызывать ряд реакций, в частности полимеризацию поступающих из внешней среды мономеров. За счёт этого капли могут увеличиваться в объёме и массе, а затем дробиться на дочерние образования.
Например, процессы, протекающие в коацерватной капле, изображены в квадратных скобках, а вне их помещены вещества, находящиеся во внешней среде:
глюкозо-1-фосфат → [глюкозо-1-фосфат → крахмал → мальтоза] → мальтоза.
Коацерватную каплю, образованную из белка и гуммиарабика, погружают в раствор глюкозо-1-фосфата. Глюкозо-1-фосфат начинает входить в каплю и полимеризуется в ней в крахмал при действии катализатора – фосфорилазы. За счёт образовавшегося крахмала капля растёт, что легко может быть установлено как химическим анализом, так и непосредственными микроскопическими измерениями. Если в каплю включить другой катализатор – b-амилазу, крахмал распадается до мальтозы, которая выделяется во внешнюю среду.
Рис. 2.8. Растворение в воде хлорида натрия и образование гидратированных ионов Na + и Cl −
Рис. 2.9. Схема строения коацерватной капли
Таким образом, возникает простейшая форма метаболизма. Вещество входит в каплю, полимеризуется, обусловливая рост системы, а при распаде полимера продукты этого процесса выходят во внешнюю среду, где их ранее не было.
Другая схема иллюстрирует опыт, где полимером является полинуклеотид. Капля, состоящая из белка-гистона и гуммиарабика, окружена раствором АДФ. Поступая в каплю, АДФ полимеризуется под влиянием полимеразы в полиадениловую кислоту, за счёт которой капля растёт, а неорганический фосфат поступает во внешнюю среду:
АДФ → [АДФ → Поли-А + Ф] → Ф.
При этом капля в течение короткого срока увеличивается в объёме более чем в два раза.
Как в случае синтеза крахмала, так и при образовании полиадениловой кислоты в качестве исходных веществ в окружающий раствор вносили богатые энергией (макроэргические) соединения. За счёт энергии этих соединений, поступающих из внешней среды, и происходил синтез полимеров и рост коацерватных капель. В другой серии опытов академика А. И. Опарина и сотрудников было продемонстрировано, что и в самих коацерватных каплях могут протекать реакции, связанные с рассеиванием энергии.
Важно то, что в зависимости от совершенства внутренней организации капель одни из них могут расти быстро, тогда как другие, находясь в той же внешней среде, растут медленно или подвергаются распаду. Таким образом, на модели коацерватных капель А. И. Опарину и его сотрудникам удалось экспериментально наблюдать зачатки естественного отбора – той закономерности, которая в дальнейшем легла в основу всей последующей эволюции такого рода открытых, фазово-обособленных систем на пути к возникновению жизни.
Белково-коацерватная теория Опарина – одна из первых научных теорий происхождения жизни абиогенным путём. Теория базируется на представлении о том, что всё начиналось с белков, а также на возможности в определённых условиях спонтанного химического синтеза мономеров белков – аминокислот – и белковоподобных полимеров – полипептидов – абиогенным путём. Публикация теории стимулировала многочисленные эксперименты в ряде лабораторий мира, показавшие реальность такого синтеза в искусственных условиях. Теория быстро стала общепринятой и очень популярной.
Всё было хорошо продумано и научно обосновано в этой теории, кроме одной проблемы. Если спонтанно, путём случайных безматричных синтезов в коацервате возникали единичные удачные конструкции белковых молекул (например, эффективные катализаторы, обеспечивающие преимущество данному коацервату в росте и размножении), то как они могли копироваться для распространения внутри коацервата, а тем более для передачи коацерватам-потомкам? Теория оказалась неспособной предложить решение проблемы точного воспроизведения внутри коацервата и в поколениях единичных, случайно появившихся эффективных белковых структур.
Мир РНК как предшественник современной жизни. Накопление знаний о нуклеиновых кислотах, генетическом коде и биосинтезе белков привело к утверждению принципиально новой идеи о том, что жизнь начиналась вовсе не с белков, а с РНК. Нуклеиновые кислоты являются единственным типом биологических полимеров, макромолекулярная структура которых благодаря принципу комплементарности при синтезе новых цепей обеспечивает возможность копирования собственной линейной последовательности мономерных звеньев, другими словами, возможность воспроизведения (репликации) полимера, его микроструктуры. Поэтому только нуклеиновые кислоты, но не белки могут быть генетическим материалом, т. е. воспроизводимыми молекулами, повторяющими свою специфическую микроструктуру из поколения в поколение в относительно неизменном виде.
По-видимому, именно РНК, а не ДНК могла представлять собой первичный генетический материал. Во-первых, в химическом синтезе и в биохимических реакциях рибонуклеотиды предшествуют дезоксирибонуклеотидам: содержащие дезоксирибозу нуклеотиды являются продуктами модификации рибонуклеотидов. Во-вторых, в самых древних и универсальных процессах метаболизма, протекающих в клетках современных организмов, широко представлены именно рибонуклеотиды, а не дезоксирибонуклеотиды, включая основные энергетические носители типа АТФ и др. В-третьих, репликация РНК может происходить без какого бы то ни было участия ДНК, механизм же редупликации ДНК даже в современном живом мире требует обязательного участия РНК-затравки в инициации синтеза полинуклеотидной цепи ДНК. В-четвёртых, РНК, обладая всеми матричными и генетическими функциями, что и ДНК, способна, кроме этого, к выполнению ряда функций, присущих белкам, включая катализ химических реакций.
Таким образом, имеются все основания рассматривать ДНК как более позднее эволюционное приобретение, возникшее как модификация РНК, специализированная для выполнения функции воспроизведения и хранения уникальных копий генов в составе клеточного генома без его непосредственного участия в биосинтезе белков и других молекул.
После того как были открыты каталитически активные РНК, идея первичности РНК в происхождении жизни получила сильнейший стимул к развитию. Американским учёным В. Гилбертом в 1986 г. была сформулирована концепция самодостаточного мира РНК, предшествовавшего современной жизни. Возможная схема возникновения мира РНК представлена на рисунке 2.10.
Рис. 2.10. Возможный механизм доклеточной эволюции
Абиогенный синтез рибонуклеотидов и их ковалентное объединение в полимеры РНК могли происходить приблизительно в тех же условиях и в той же химической обстановке, что постулировались для образования аминокислот и полипептидов. Позднее было экспериментально показано, что по крайней мере некоторые молекулы РНК в обычной водной среде способны к спонтанной рекомбинации, т. е. обмену отрезками полинуклеотидной цепи. Обмен коротких отрезков цепи на длинные должен приводить к удлинению полирибонуклеотидов (РНК), а сама подобная рекомбинация способствовать структурному многообразию этих молекул. Среди них могли возникать и каталитически активные молекулы РНК – рибозимы.
Даже крайне редкое появление единичных молекул РНК, которые были способны катализировать полимеризацию рибонуклеотидов или соединение олигонуклеотидов на комплементарной цепи, как на матрице, означало становление механизма репликации РНК. Создавая свои копии, РНК размножались. Неизбежные ошибки в копировании – мутации и рекомбинации в самореплицирующихся популяциях РНК создавали всё большее разнообразие этого мира. Таким образом, предполагаемый древний мир РНК представляет собой самодостаточный биологический мир, в котором молекулы РНК функционировали и как генетический материал, и как энзимоподобные катализаторы.
Возникновение биосинтеза белка. Впоследствии на основе мира РНК должно было происходить становление механизмов биосинтеза белка, появление разнообразных белков с наследуемой структурой и свойствами, возможно, в форме коацерватов и эволюция этих образований в клеточные структуры.
Проблема перехода от древнего мира РНК к современному белоксинтезирующему миру – наиболее трудная даже для чисто теоретического решения. Возможность абиогенного синтеза полипептидов и белковоподобных веществ не помогает в решении проблемы, так как не просматривается никакого конкретного пути, как этот синтез мог бы быть сопряжён с РНК и попасть под генетический контроль. Генетически контролируемый синтез полипептидов и белков должен был развиваться независимо от первичного абиогенного синтеза, своим путём, на базе уже существовавшего мира РНК. В литературе предложено несколько гипотез происхождения современного механизма биосинтеза белка в мире РНК, но, пожалуй, ни одна из них не может рассматриваться как детально продуманная и безупречная с точки зрения физико-химических возможностей. Одна из наиболее приемлемых гипотез принадлежит академику А. С. Спирину. Она включает два принципиальных момента.
Во-первых, предполагается, что олигорибонуклеотиды, образующиеся абиогенным путём, активно рекомбинировали, приводя к образованию удлинённых цепей РНК и давая начало их многообразию. Именно этим путём среди полинуклеотидов и могли появиться как каталитически активные виды РНК – рибозимы, так и другие виды РНК со специализированными функциями (см. рис. 2.10). Более того, неферментная рекомбинация олигонуклеотидов, комплементарно связывающихся с полинуклеотидной матрицей, могла обеспечить сшивание фрагментов, комплементарных этой матрице, в единую цепь. Именно таким способом, а не катализируемой полимеризацией мононуклеотидов, могло осуществляться первичное копирование (размножение) РНК. Разумеется, если появлялись рибозимы, обладавшие полимеразной активностью, то эффективность (точность, скорость и продуктивность) копирования на комплементарной матрице значительно возрастала.
Второй принципиальный момент состоит в том, что первичный аппарат биосинтеза белка возник на базе нескольких видов специализированных РНК. Этот первичный аппарат включал каталитически активную прорибосомную РНК; набор про-тРНК, специфически связывающих аминокислоты или короткие пептиды; другую прорибосомную РНК, способную взаимодействовать одновременно с каталитической прорибосомной РНК, про-мРНК и про-тРНК (см. рис. 2.10). Такая система уже могла синтезировать полипептидные цепи. Среди прочих каталитически активных белков – первичных ферментов (энзимов) появились и белки, катализирующие полимеризацию нуклеотидов – репликазы, или полимеразы.
Таким образом, РНК представляется наиболее самодостаточным веществом живой материи. Она принципиально способна выполнять все или почти все функции, которые свойственны белкам, включая формообразование и биохимический катализ, и в то же время может быть полноценным генетическим веществом с его репликативной и кодирующей функциями. Осознание этих фактов и привело биологов, химиков и геологов к гипотезе о древнем мире РНК, который эволюционно предшествовал нашей нынешней ДНК-РНК-белковой жизни. В мире РНК не было ни белков, ни ДНК, а лишь ансамбли различных молекул РНК, выполняющих разные вышеперечисленные функции. Это были, скорее всего, бесклеточные системы. Более десяти лет назад у нас в стране была экспериментально показана способность молекул РНК формировать молекулярные колонии на гелях или других твёрдых средах. Смешанные колонии РНК на твёрдых или полутвёрдых поверхностях могли быть первыми эволюционирующими бесклеточными комплексами, где одни молекулы выполняли генетические функции, а другие формировали необходимые для успешного существования структуры (например, адсорбировавшие нужные вещества из окружающей среды) или были рибозимами, ответственными за синтез РНК. Такая бесклеточная система создавала условия для очень быстрой эволюции: колонии РНК не были отгорожены от внешней среды и могли легко обмениваться своими молекулами. Лёгкое распространение молекул РНК через среду, в том числе атмосферную, также было продемонстрировано в прямых экспериментах.
Именно такие условия были необходимы для возникновения Универсального Предшественника живых существ на Земле: высокий уровень мутаций (ошибок репликации) из-за примитивности и несовершенства механизмов репликации генетического материала, свободный обмен генетическим материалом между предшественниками клеток – протоклетками – и «общественный» характер существования этих предшественников, когда любые продукты одних становились достоянием всех.
По мнению А. С. Спирина, эта коммунальная форма существования мира РНК – своего рода Солярис – должна была очень быстро эволюционировать. Во всяком случае, весь путь эволюции до индивидуальных организмов с клеточной структурой, ДНК и современным аппаратом белкового синтеза был пройден, по-видимому, менее чем за 500 млн лет. Совершенствование колоний РНК за счёт естественного отбора должно было происходить в направлении как улучшения каталитических механизмов, так и увеличения точности репликации и наследования. Колонии РНК, «научившиеся» делать белковые катализаторы, приобретали громадное преимущество перед другими в скорости и качестве катализируемых реакций и потому быстро вытесняли «неумелых» как за счёт конкуренции, так и за счёт передачи им этой способности. На базе РНК появлялся и совершенствовался аппарат белкового синтеза, а ввиду пандемического характера мира РНК вырабатывался универсальный генетический код.
Однако кодируемый синтез белков требовал повышенной точности репликации генетического материала и упорядочивания продукции разных белков. Это привело к необходимости дифференциации части РНК (генетической РНК) и её модификации в ДНК, обладающей способностью к более точному копированию, а также существенно большей химической стабильностью, чем РНК. Наконец, эффективность и устойчивость таких систем могла быть значительно повышена за счёт их обособления от окружающей среды, и они окружаются мембранами белково-липидной природы. Такой мир распадается на индивидуальные, но высокоэффективные ячейки – клетки, особи, организмы, и начинается их собственная эволюция. Из коммунального Универсального Предшественника выходят две основные ветви микроорганизмов – бактерии (эубактерии) и археи (архебактерии), формируются их клеточные сообщества на основе взаимодействия их метаболизма. Позже их симбиотические отношения приводят к появлению эукариотических организмов.
Опорные точки
Органические вещества по отношению к воде подразделяются на две крупные группы: гидрофобные и гидрофильные молекулы.
В водных растворах гидрофильные молекулы диссоциируют, образуя заряженные частицы.
Крупные органические молекулы, обладающие зарядом, либо связываются с субстратом, либо взаимодействуют друг с другом, в результате чего формируются коацерваты.
Рибонуклеиновые кислоты обладают способностью к специфическому катализу, самовоспроизведению и другим формам матричного синтеза.
Вопросы и задания для повторения
1. Что такое коацервация, коацерват?
2. На каких модельных системах можно продемонстрировать образование коацерватных капель в растворе?
3. Какие возможности для преодоления низких концентраций органических веществ существовали в водах первичного океана?
4. Что собой представляет мир РНК и каково его значение для начальных этапов эволюции жизни на Земле?
5. В чём заключаются преимущества для взаимодействия органических молекул в зонах высоких концентраций веществ?
Вопросы и задания для обсуждения
1. Предположите, могут ли в современных земных условиях образовываться небиологическим путём органические молекулы; коацерваты. Обоснуйте свою точку зрения.
2. Как, по вашему мнению, происходило становление системы синтеза белков у протобионтов?
3. Каковы перспективы эволюции коацерватов, полученных экспериментальным путём, в окружающей среде?