Биохимическая эволюция [Абиогенез, Теория Опарина, Возникновение жизни, Зарождение, Происхождение, Появление]
Теория абиогенной молекулярной эволюции жизни из неорганических веществ была создана русским учёным А. И. Опариным (1924) и английским учёным Дж. Холдейном (1929). По мнению естествоведов, Земля появилась примерно 4,5—7 млрд лет назад. Вначале Земля представляла собой пылевидное облако, температура которого колебалась в пределах 4000—8000°С. Постепенно в процессе охлаждения тяжёлые элементы начали располагаться в центре нашей планеты, а более лёгкие — по периферии.
Предполагается, что самые простые живые организмы на Земле появились 3,5 млрд лет назад. Жизнь есть результат сначала химической, а затем биологической эволюции.
Рис. 56. Возникновение жизни на Земле: 1 — первичная атмосфера; 2 — образование органических веществ; 3 — образование коацерватов; 4 — простое брожени.
Условия возникновения жизни
По утверждению Дарвина, жизнь может зародиться только в условиях её отсутствия. Вновь образовавшиеся органические вещества немедленно уничтожаются гетеротрофными микроорганизмами. Именно поэтому в настоящее время невозможно самозарождение жизни.
Вторым необходимым условием зарождения жизни на Земле является отсутствие кислорода в первичной атмосфере, так как наличие кислорода привело бы к расщеплению вновь образующихся органических веществ.
Этапы возникновения жизни
Основными этапами биохимической эволюции жизни считаются следующие.
Химическая эволюция
Первые органические вещества
Коацерваты
По мнению А. И. Опарина, белковые молекулы образовывали коллоидные соединения, которые превращались в коацерватные капли (коацерваты — от лат. coacervus — накопленный, собранный — это коллоидные гидрофильные комплексы белков). Коацерваты могли присоединять к себе различные вещества из воды и постепенно стали приобретать различные свойства, в них происходили химические реакции, из них выделялись ненужные вещества. Однако коацерваты ещё не могут быть названы живыми существами.
Первичные клетки (протобионты)
На последующих этапах химической эволюции коацерваты начали расти, в них начало происходить нечто, подобное обмену веществ у живых существ. Предполагается, что коацерваты были окружены мембраной и приобрели способность делиться (рис. 58). Такие коацерваты называются протобионтами или первичными клетками.
Протобионты также ещё не являются законченной формой жизни. Предполагается, что у них постепенно абиогенным путём появлялись соединения, подобные ферментам (коферменты, собственно ферменты), АТФ.
Возникновение клетки (матричный синтез)
В превращении протобионтов в настоящие клетки большую роль сыграло возникновение матричного синтеза в результате взаимного приспособления и слияния функций белков и нуклеиновых кислот.
Матричный синтез — это биологический синтез белковых молекул на основе информации, содержащейся в нуклеиновых кислотах.
С возникновением процесса матричного синтеза химическая эволюция уступила место биологической. Развитие жизни продолжалось теперь путём биологической эволюции.
Экспериментальные доказательства теории
Соединения, подобные коацерватам, были синтезированы опытным путём и досконально изучены А. И. Опариным и его учениками. Материал с сайта http://wikiwhat.ru
Генетическая гипотеза (РНК мир)
Однако было неизвестно, что в ходе биохимической эволюции жизни возникло прежде: белки или нуклеиновые кислоты. Согласно теории А. И. Опарина, первыми появились молекулы белка. Сторонники генетической гипотезы, наоборот, считали, что сначала возникли нуклеиновые кислоты. Такое предположение было выдвинуто в 1929 г. Г. Миллером. Лабораторные исследования доказали возможность репликации нуклеиновых кислот и без воздействия ферментов. По мнению учёных, первичные рибосомы состояли только из РНК, и свойство синтезировать белок у них могло появиться впоследствии. Позже были получены новые данные, подтверждающие это предположение. Репликация рибонуклеиновой кислоты без участия ферментов, обратная транскрипция, т. е. возможность синтеза ДНК на основе РНК — все это является доказательством генетической гипотезы.
Основные этапы биохимической эволюции: теория и постулаты
Биохимическая эволюция — что это за теория
Как гласит теория биохимической эволюции, жизнь на планете Земля зарождалась тремя этапами. Первый — абиогенный синтез органики, второй — появление биополимеров, третий — появление структур с мембранами и возможности воспроизведения себе подобных структур.
Естествоведы утверждают: появление планеты Земля произошло 4,5-7 млрд лет назад. Это было облако пылевых частиц, которые имели очень высокую температуру. Местами она достигала 4-8 тыс. градусов по Цельсию. Когда начались процессы ее постепенного охлаждения, стало происходить перераспределение слоев, составляющих облако элементов. Результатом такого внутреннего движения стало расположение элементов с большой массой ближе к центру Земли, а с более легкой — кнаружи.
Жизнь в данной теории рассматривается как результат на первом этапе химической, а в последующем — биологической эволюции.
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
Земля постепенно снизила свою температуру, в ней образовалась кора, а вокруг сформировалась атмосфера. Когда ее температура опустилась до 100°C, запустился синтез органических соединений с простыми формулами (жирные кислоты, нуклеотиды, многоатомные спирты, аминокислоты, простые сахара и др.). Источником энергии при этом выступали грозовые разряды, излучения космических тел, ультрафиолетовые лучи из солнечного света. В то же время атмосфера еще не была «защитным экраном» — слоем, препятствующим интенсивному облучению земной поверхности ультрафиолетовыми лучами Солнца.
Такая абиогенная теория (утверждающая происхождение жизни из неорганики) была выдвинута ученым из России А.И. Опариным и англичанином Дж.Холдейном. Произошло это в 1924 и 1929 годах соответственно. Авторы выдвинули свои гипотезы, опираясь на утверждения Дарвина, что необходимым условием зарождения жизни является ее отсутствие. Кроме того, подтверждалось второе необходимое, по мнению Дарвина, требование — связанное состояние кислорода.
Плюсы и минусы биохимической теории
Теория Опарина-Холдейна имеет важное свойство: она последовательна и логична. В ней отсутствуют непонятные пропуски. Кроме последовательности, к числу ее плюсов следует отнести:
В то же время есть и минусы:
Этапы биохимической эволюции Опарина-Холдейна
Ступень развития планеты, которым правила биохимия, состоял из следующих важных этапов:
Теория А.И. Опарина содержала следующее заключение. Матричный синтез ведет к воспроизведению себе подобных клеток. На основе него появлялись молекулы белка и образовывали коллоидные структуры. Те, в свою очередь, превращались в коацерватные капли, присоединяющие к себе различные соединения, например, составляющие воды. В дальнейшем вновь образованные вещества приобретали характерные свойства, вступали в различные химические реакции, в результате которых часть вновь образованных веществ выделялись наружу. Однако это еще не были живые организмы.
Капли-коацерваты росли, увеличиваясь в размерах. В них происходил обмен веществ, и со временем они научились делиться. Впоследствии эти капли получили название первичных клеток или протобионтов. Ученые предположили, что они историческое начало веществ, подобных ферментов (коферменты).
Эксперименты по абиогенному синтезу органических веществ
В 1953 году аспирант Нобелевского лауреата Г.Юри Стэнли Миллер занялся экспериментом по абиогенезу. Его идея состояла в следующем: полуподвальное помещение лаборатории было «превращено в древнейшую землю». Под руководством Г.Юри аспирант сконструировал простой прибор, состоящий из колбы сферической формы и многочисленных трубочек. В них циркулировали образующиеся вещества, постепенно охлаждаясь и поступая в колбу.
Таким образом, в колбе присутствовали газы (водяной пар, водород, аммиак, метан), которые образовывали атмосферу Земли на этапе ее формирования. Как считали А.И. Опарин, Г. Юри и С.Миллер, именно так протекали процессы в древнейшие времена под действием солнечного излучения. Чтобы дать реакциям энергию, Миллер использовал колбу, нагреваемую на бунзеновской горелке. В дополнение в энергетической составляющей использовался прибор, состоящий из стеклянной трубки и двух электродов (подобие вспышек молний и электрического разряда).
Цикл был замкнутым, и после каждого из них материал охлаждался, возвращался в колбу, после чего повторялся вновь.
В результате этих экспериментов Миллер и Юри продемонстрировали, что за несколько миллионов лет под действием электрических разрядов из молний в атмосфере Земли могли синтезироваться молекулы органических веществ. Впоследствии, когда они с дождем попали в «первичный бульон», из них могло начаться образование первых живых микроорганизмов и их клеток.
С.Фокс успешно синтезировал белковообразные вещества — протеиноиды. Он нагревал смесь аминокислот, в результате чего получал полимеры нуклеотидов.
Синтезом веществ, аналогичных коацерватам, занимался сам А.И. Опарин и его ученики.
Опровержение биохимической эволюции
Одно из современных опровержений сводится к сомнению в присутствии аммиака в древней атмосфере вокруг Земли. Кроме того, для многих ученых так и остался неуточненным вопрос: в ходе таких процессов появились раньше белки или нуклеиновые кислоты? Опарин считал, что первыми были белки. Сторонники гипотезы генетических механизмов утверждали, что это были нуклеиновые кислоты. Тем более согласно результатам лабораторных исследований Г. Миллера в 1929 году репликация этих веществ могла происходить без участия ферментов. Группа такой оппозиции утверждала, что рибосомы, состоящие из одной РНК, могли впоследствии «научиться» синтезировать белок.
Жизнеспособность такого пути эволюции впоследствии была подтверждена экспериментально. В пользу генетической теории свидетельствовал тот факт, что РНК без участия ферментов могла реплицироваться, претерпевать обратную транскрипцию и синтезировать ДНК.
Одновременно с этим высказывается предположение, что первая клетка образовалась в результате определенных химических процессов глубоко в океане. Следовательно, сегодня единого мнения ученых не существует.
Происхождение жизни на Земле рассматривается отдельными авторами в результате не только абиогенеза, но и биогенеза. Он состоит в том, что жизнь на Земле, как и сама Земля, никогда не возникали. Они существуют вечно. Другими словами, живое произошло от живого. Одни живые существа сменяют другие, вымирают либо, напротив, размножаются, но постоянно присутствуют на земле. Цепочка жизни бесконечна, потому в поисках появления первой клетки нет смысла.
Существует и креационистическая теория, утверждающая, что многообразие форм живого мира обусловил Бог. Такой взгляд полностью отрицает эволюционные течения и был распространен среди ученых XIX века.
Биология. 9 класс
Где зародилась жизнь согласно гипотезе биохимической эволюции?
На границе суши и океана
На суше и в океане
Установите соответствие между взглядами и вкладом в развитие гипотез о происхождении
жизни и ученым.
Ввел термин «коацерватные капли»
Опроверг гипотезу самозарождения жизни
Пробионтами являлись белковые коацерваты
Гипотеза абиогенного происхождения жизни выдвинута
в 1929 году
Пробионтами являлись макромолекулярные системы
К каждой иллюстрации подберите подходящую подпись.
Впишите пропущенное имя.
Распределите характеристики на группы «Креационизм» и «Гипотеза панспермии».
Креационизм
Гипотеза панспермии
Основные положения теории Опарина-Холдейна
Происхождение жизни на Земле согласно теории Опарина-Холдейна
До сих пор нет однозначного ответа на вопрос о возникновении жизни на нашей планете. Одним из первых ученых, отважившимся ответить на него, был советский биолог А.И. Опарин. Апогей его деятельности пришелся на 50-70 годы ХХ века, однако еще в 1924 г. вышла в свет его книга «Происхождение жизни», в которой ученый изложил главные идеи своей гипотезы.
Опарин считал, что живые организмы на планете зародилась вследствие долговременного эволюционного процесса формирования живой материи из неживой. Простые органические соединения сформировались из неорганических под воздействием факторов окружающей среды и сложных биохимических процессов. Близкие предположения высказал в 1929 г. британский биолог Дж. Холдейн.
Таким образом, в основе теории лежит концепция абиогенеза.
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
Абиогенез — естественный процесс возникновения жизни из неорганической среды.
Теория Опарина-Холдейна завоевала большую популярность и в рамках школьного курса биологии является основополагающей в контексте объяснения появления жизни на Земле. Но в свете последних научных открытий она вызывает много вопросов и выглядит несколько устарелой.
Основные положения, в чем суть, достоинства и недостатки
Согласно теории Опарина, биологической эволюции на Земле предшествовала эволюция химическая, предопределившая возникновение сложных соединений. Образование жизни происходило в определенной последовательности:
Жизнь, согласно теории, смогла образоваться только в условиях давней атмосферы, имеющей значительные отличия от современной, и отсутствия живых существ. Схема развития и зарождения жизни согласно теории Опарина:
На изначальном этапе своего существования Земля являлась горячим шаром. Она постепенно остывает, и около 4 млрд лет назад на ее поверхности образовалась твердая кора.
Вещества из недр планеты, прорвавшиеся наружу, со временем сформировали атмосферу. Она состояла из:
Образовывается первичный океан, где начинают синтезироваться простые органические молекулы: аминокислоты, нуклеотиды, сахара, жирные и органические кислоты, спирты. Они накапливаются и формируют «первичный бульон». Энергетическими факторами синтеза стали:
Далее из простых органических соединений образовались белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. В дальнейшем процессе главную роль Опарин отводил белкам. Они формировали коллоидные гидрофильные комплексы, которые объединялись в коацерваты — многомолекулярные органические сгустки, отделенные от остальной водной массы.
Из внешнего мира в них попадали органические соединения, которые провоцировали синтез более сложных веществ. Коацерваты и окружающую среду разграничивали молекулы липидов, которые стали основой для формирования простой клеточной мембраны.
Впоследствии коацерваты стали увеличиваться в размерах, взаимодействовать между собой, с окружающей средой. После слияния коацерватов и нуклеиновых кислот появились протобионты — примитивные жизненные формы, которые могли самовоспроизводиться. Они были анаэробами и гетеротрофами, передавали наследственную информацию очередным поколениям, а также подвергались естественному отбору. С этого времени берет начало органическая эволюция.
Схожие идеи относительно происхождения жизни выдвигал и Дж. Холдейн. Однако он считал, что формировались не коацерваты, а макромолекулярные вещества, имеющие способность к воспроизводству. По его мнению, изначальными веществами были нуклеиновые кислоты, а не белки.
Плюсы теории Опарина-Холдейна:
Минусы теории:
Развитие и доказательства
Теория Опарина-Холдейна вызвала оживленные дискуссии в ученом мире, претерпела много критики. В свете новых данных, полученных современной наукой, она претерпела значительные преобразования. К примеру, в 1979 г. британский биолог Р. Докинз в книге «Эгоистический ген» выразил догадку об образовании в «первичном бульоне» не коацерватов, а способных к самовоспроизведению молекул, которые наполнили океан. Ныне ученые дополнили и видоизменили теорию следующими утверждениями.
Новые модифицированные гипотезы:
Воссоздание процессов эволюции в лаборатории
В 1953 г. американские исследователи С. Миллер и Г. Юри решили экспериментально показать процесс появления органики из химических веществ. В соединенных колбах были смоделированы предположительные условия возникновения жизни на планете.
Колбы были заполнены смесью газов, подобной по составу с древней атмосферой, которая поддавалась воздействию (нагреванию, электрическим разрядам). На протяжении недели в колбе были замечены аминокислоты и другие органические соединения.
Другие ученые неоднократно осуществляли подобные эксперименты и получали аминокислоты, но в лабораторных условиях никогда не были синтезированы нуклеиновые кислоты, липиды, протеины и полисахариды.
Однако Миллер и Юри проводили свой опыт в середине ХХ века и основывались на тогдашних представлениях о возможном составе древней атмосферы Земли. Современные ученые посредством экспериментов и компьютерного моделирования изменили эти представления.
Главными компонентами атмосферы были углекислый газ и азот, причем огромная концентрация первого создавала значительный парниковый эффект, сильно прогревавший океан. При воссоздании условий такой атмосферы в аппарате Миллера органические соединения не образуются.
Выводы:
ТЕОРИЯ БИОХИМИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ
Теория биохимической эволюции представила зарождение жизни на Земле как процесс последовательного усложнения химических веществ: от неорганических соединений ‒ к органическим, от органических ‒ к биологическим. Ее автором явился советский ученый академик Александр Иванович Опарин (1894 – 1980). В 1924 году он опубликовал книгу «Происхождение жизни», в которой изложил новую гипотезу происхождения жизни на Земле. Книга, выпущенная в стране, где господствовали материализм и атеизм, могла описывать происхождение жизни только как процесс, происходивший под влиянием исключительно естественных причин, т.е. без участия Божественных Сил. Хотя и не следует сомневаться в искренности замечательного ученого. По мнению Опарина, происходило постепенное усложнение химических веществ – химическая эволюция. Она привела к появлению таких сложных веществ, которые явились носителями жизни. Иными словами, химическая эволюция постепенно перешла в биологическую. Такой процесс называется в науке абиогенным, т.е. происходящим без участия живых организмов. Опарин предположил, что принцип Реди справедлив лишь для современной эпохи существования Земли. Таким образом, согласно его гипотезе, зарождение жизни на Земле ‒ процесс эволюции живой материи из неживой.
Биогенез ‒ процесс возникновения и эволюции живых систем.
Отсутствие кислорода в первичной атмосфере привело к важнейшему следствию. Она не содержала озонового слоя. В современной атмосфере он находится на высоте около 20 км над поверхностью Земли и поглощает 99% ультрафиолетового излучения Солнца, которое губительно действует на живые ткани. Поэтому первые организмы должны были защищаться от него под слоем воды.
Первый этап возникновения жизни ‒ образование органических веществ из неорганических.
Разделение мира на живой и неживой принадлежит Аристотелю. На раннем этапе развития химии, храня верность аристотелевской традиции, химики разделили все вещества на неорганические и органические ‒ принадлежащие царству минералов и царству растений и животных. С точки зрения химического состава, к органическим веществам относятся, за редчайшим исключением, соединения углерода.
Второй этап возникновения жизни – появление из отдельных органических молекул белков и нуклеиновых кислот.
Соединения углерода образовали «первичный бульон», из которого формировались биополимеры ‒ аминокислоты и нуклеотиды, составляющие основу белков и нуклеиновых кислот. Но в ходе реакций, которые вели к образованию биополимеров, должны были соединяться вещества сравнительно высокой концентрации. Органические вещества могли образовывать на поверхности океана тонкую пленку, и под действием волн и ветра она толстыми слоями собиралась у берега. Причем, этим процессам способствовали высокая температура атмосферы, грозовые разряды, мощное ультрафиолетовое излучение. Важно и то, что сложные органические соединения являются более устойчивыми к разрушающему действию ультрафиолетового излучения, чем простые соединения.
Согласно гипотезе Опарина, предками современных клеток были органические образования, способные на обмен веществ с окружающей средой. Процесс накопления в среде органических молекул в небольшие комплексы называется коацервацией, а сами такие комплексы ‒ коацерватами[54]. Они состояли из сотен тысяч и миллионов мономеров. Такие комплексы легко получить искусственно, смешивая растворы разных белков. Они способны поглощать из окружающей среды разные вещества и увеличиваться в размере. В коацерватах могут происходить процессы распада и выделения продуктов распада. Однако они еще не являлись живыми системами, поскольку не были способны к самовоспроизведению и саморегуляции синтеза органических веществ. Но предпосылки возникновения живого в них уже были.
Живые существа в виде клеток не могли возникнуть до того, как появились клеточные мембраны и катализаторы ‒ вещества, ускоряющие биохимические реакции. Вокруг коацерватов, богатых органическими соединениями, стали возникать слои липидов – жироподобных веществ, которые отделяли коацерваты от окружающей водной среды. В процессе биохимической эволюции эти слои липидов трансформировались в наружную клеточную мембрану. В «первичном бульоне» накапливались также различные катализаторы.
Согласно теории биохимической эволюции, коацерваты представляли собой предбиологические системы.
Третий этап возникновения жизни – начало действия естественного отбора.
Коацерваты могли поглощать из окружающей среды другие вещества. Если вещество было вредным, коацерват распадался. Если вещество усваивалось, коацерват увеличивался в размерах, изменял структуру. Иными словами, происходил отбор наиболее устойчивых коацерватов. Он шел многие миллионы лет. Сохранилась лишь малая часть коацерватов. Однако сохранившиеся обладали способностью к первичному обмену веществ. Достигнув определенных размеров, материнская капля могла распадаться на дочерние, которые сохраняли материнскую структуру. Поэтому можно говорить, что коацерваты постепенно приобретали свойство самовоспроизведения. В сущности, коацерваты, в конце концов, превратились в простейшие живые организмы.
Внутри коацерватов свойства молекул разделялись. Белки регулировали ход химических реакций, которые приводили к появлению новых органических веществ. Нуклеотидные цепи стали удваиваться. Эволюция этих свойств привела к появлению наследственного генетического кода, несущего информацию о строении белковых молекул. Так появились примитивные прокариотические клетки, не имеющие клеточного ядра.
Прокариотические клетки – клетки, не имеющие клеточного ядра, генетический материал которых находится в цитоплазме.
Таким образом, эволюция коацерватов привела к появлению первичных клеток. Это произошло более 4 млрд. лет назад.
Прокариоты ‒ организмы, состоящие из прокариотических клеток, ‒ живут и сегодня. Это бактерии и сине-зеленые водоросли.
Прокариоты существовали в атмосфере, не имеющей кислорода. Поэтому их метаболизм ‒ обмен веществ ‒ был анаэробным.
Анаэробный метаболизм – обмен веществ и энергии, протекающий в отсутствие атмосферного кислорода.
Продолжительность существования первичной бескислородной атмосферы в геологических масштабах была невелика. Первичные клетки быстро размножались и довольно скоро исчерпали запасы питательных органических веществ. Поэтому им оставалось либо погибнуть от голода, либо перейти к иному способу питания. И они нашли его. У некоторых клеток появилась способность к фотосинтезу. Иными словами, для синтеза органических веществ из неорганических они научились использовать солнечную энергию.
Фотосинтез – процесс преобразования солнечной энергии в энергию химических связей органических веществ.
Первоначально фотосинтез происходил без образования молекулярного кислорода. Около 4 млрд. лет назад организмы стали выделять кислород, иными словами, появился аэробный метаболизм.
Аэробный метаболизм – дыхание, при котором расщепление органических веществ происходит при участии кислорода.
В подобных процессах выделяется приблизительно в десять раз больше энергии, чем в реакциях без участия кислорода. Атмосфера стала обогащаться свободным кислородом. Около 400 млн. лет назад, когда количество свободного кислорода в атмосфере достигло 10% по объему, появился озоновый слой. Он обладает свойством поглощать ультрафиолетовое излучение Солнца, губительное для живых организмов. В настоящее время озоновый слой пропускает лишь ничтожную его часть и, тем самым, оберегает все живое на Земле.
Благодаря кислородному способу питания организмы нового типа быстро расселялись по нашей планете. Жизнь стала осваивать глубины океана. С появлением озонового слоя она вышла из моря и стала завоевывать сушу.
С распространением аэробов возросла интенсивность реакций фотосинтеза и, следовательно, накопление кислорода в атмосфере. Понадобилось около 100 млн. лет, чтобы количество кислорода в атмосфере достигло современного значения ‒ 21% по объему. С тех пор состав атмосферы практически не изменился до настоящего времени.
Постепенно клетки усложнялись. Около 2 млрд. лет назад появились эукариотические клетки.
Эукариотические клетки – клетки, имеющие ядро и многие внутриклеточные структуры.
Эукариоты ‒ организмы, состоящие из эукариотических клеток, ‒ появились около 2,6 млрд. лет назад.
Наши знания о первых организмах невелики, поскольку они исчезли и не оставили после себя никаких следов.
Приблизительно 1,3 млрд. лет назад стали появляться колонии одноклеточных организмов. В некоторых из них разные клетки выполняли различные функции. Одни клетки поглощали добычу, другие обеспечивали размножение. При этом каждая клетка была отдельным живым организмом. Постепенно некоторые колонии одноклеточных стали превращаться в целостные многоклеточные организмы.
У гипотезы Опарина есть немало сторонников, которые успешно ее развивают. Важнейшей является проблема, каковы источники органических соединений на Земле. Одним из них являются метеориты и космическая пыль. В 1969 году вблизи деревни Мëрчисон в Австралии упал метеорит весом 108 кг. Он относится к углистым хондритам. Как следует из названия, такие метеориты содержат много сложных органических соединений. В нем были найдены следы более 50 аминокислот, причем, восемь из них входят в состав современных белков. Также были обнаружены аденин, урацил и гуанин ‒ азотистые основания нуклеиновых кислот. Из 50 аминокислот значительное большинство не входит в состав живых организмов, а некоторые соединения встречаются в виде двух оптических изомеров – левого и правого. Вспомним, что важнейшим свойством живых организмов является асимметрия сложных молекул, иными словами, существование лишь одного из двух изомеров. Таким образом, обнаружение в Мëрчисонском метеорите симметричных изомеров, а также аминокислот, не входящих в состав живых организмов, доказывает, что все обнаруженные соединения не являются загрязнениями, попавшими на метеорит в земных условиях.
Третий источник органических соединений на Земле ‒ атмосфера.
В настоящее время специалисты считают, что в процессе возникновения жизни на Земле все эти источники могли совместно поставлять органические вещества.
Под действием солнечных и космических лучей, которые проникали сквозь разреженную атмосферу, происходила ее ионизация – нейтральные атомы превращались в заряженные, и атмосфера становилась холодной плазмой. Таким образом, древняя атмосфера Земли была богата электричеством, в ней вспыхивали частые разряды.
У теории биохимической эволюции имеются некоторые эмпирические подтверждения. Одно из них – останки организмов, найденные в древнейших горных породах. Из них самые древние ‒ известняки, обнаруженные в Западной Австралии. Это останки нитчатых и округлых микроорганизмов, их насчитывается около десятка различных видов. Их образовали сине-зеленые водоросли и бактерии. Их возраст специалисты оценили в 3,2 ‒ 3,5 млрд. лет. В Северной Америке были обнаружены останки водорослей, возраст которых составляет около 1,1 млрд. лет.
Другим обоснованием теории биохимической эволюции явились эксперименты, которые поставили в 50 – 60-е годы XX века химики из США, СССР и Германии.
Жизнь могла появиться только тогда, когда начал действовать механизм наследственности. Поэтому в настоящее время центральная проблема в теории биохимической эволюции – как появился этот механизм. Началом жизни на Земле нельзя считать даже появление древней ДНК вместо коацерватной капли, поскольку ДНК способна действовать только в присутствии белков-ферментов.
Проблему можно пояснить следующим рассуждением: для работы молекул ДНК и РНК необходимы ферменты, т.е. белки, а для синтеза белков ‒ нуклеиновые кислоты. Известная ситуация: змея кусает себя за хвост. Были предположения, что нуклеиновые кислоты и белки-ферменты появились одновременно, объединились в единую систему, и после этого началась их коэволюция ‒ одновременная и взаимосвязанная эволюция. Но это предположение не получило признания ученых. Объясняется это тем, что белковые и нуклеиновые молекулы по структуре и функциям глубоко различны. Поэтому они не могли появиться одновременно, в результате одного скачка в процессе химической эволюции.
В XX веке ученые спорили о том, что было первичным ‒ белки-ферменты или нуклеиновые кислоты, а также о том, как и когда произошло их объединение в единую систему, которую и можно считать живым организмом. В зависимости от решения вопроса, белки или нуклеиновые кислоты являлись первичными образованиями, методологические подходы к биохимической эволюции можно разделить на две группы ‒ голобиоза и генобиоза.
Голобиоз ‒ методологический подход, который утверждает первичность структур, способных к обмену веществ при участии белков-ферментов.
Теория Опарина относится к этой группе. Появление нуклеиновых кислот она считает итогом эволюции.
Генобиоз ‒ методологический подход, который утверждает первичность структур со свойствами первичного генетического кода.
Он проявился, в частности, в теории американского генетика Джона Холдейна (1892 ‒ 1964), предложенной в 1929 году. Согласно Холдейну, первичным явился макромолекулярный комплекс, подобный гену и способный к самовоспроизведению. Он был назван «голым геном».
Вплоть до 80-х годов XX века гипотезы голобиоза и генобиоза резко противостояли друг другу. В конце концов, ученые предпочли концепцию генобиоза. Но оставались нерешенными принципиальной важности проблемы. Какая из молекул появилась первой ‒ ДНК или РНК? Если белки-ферменты появились позже молекулы нуклеиновой кислоты, то как без них эта молекула могла действовать?
В 80-х годах XX века у молекулы РНК были обнаружены уникальные свойства. Оказалось, что она способна передавать генетическую информацию так же, как и молекула ДНК. Было открыто, что не существует организмов, не обладающих РНК, однако есть множество вирусов, не содержащих ДНК. Выяснилось, что возможен перенос информации от РНК к ДНК. И, самое главное, была обнаружена способность молекулы РНК к саморепродукции без участия белков-ферментов. Это открытие позволило решить проблему первичности. Первичными являлись нуклеиновые кислоты, а именно ‒ РНК. Замкнутый круг был разорван.
Однако концепции, которые описывают происхождение жизни на Земле как результат случайных процессов, подвергают критике многие выдающиеся ученые. Английскому астрофизику Фреду Хойлу принадлежит известная шутка о том, что любая подобная концепция «столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над мусорной свалкой, может привести к сборке Боинга-747».
Важнейшие положения темы № 9 «Проблема происхождения жизни
в научной картине мира»
Современная биология, определяя жизнь, перечисляет важнейшие свойства живых организмов, признавая, что только совокупность этих свойств и может отличить живое от неживого. Между живой и неживой природой нет резкой грани. Существуют переходные формы, которые, в зависимости от конкретных условий, считаются или живыми, или неживыми объектами. Например, вирусы.
К основным теориям происхождения жизни относятся: креационизм, теория самопроизвольного зарождения жизни, теория панспермии, теория биохимической эволюции.
Согласно теории самопроизвольного зарождения жизни, в некоторых телах могут находиться «активные зерна», которые дают начало живым существам, если оказываются в благоприятной среде.
Франческо Реди поставил опыт с кусками мяса, который поколебал, но еще не мог опровергнуть теорию самопроизвольного зарождения жизни. Реди доказал, что самозарождение червей из гниющего мяса без мух невозможно. Благодаря этому опыту Франческо Реди сумел сформулировать вывод, который стал основополагающим принципом современной биологии.
Принцип Реди. Живые организмы происходят только от других живых организмов и не способны самозарождаться.
Луи Пастер в решающем опыте опроверг теорию самопроизвольного жизни.
Согласно теории панспермии, жизнь занесена на Землю из Космоса. Однако все варианты концепции панспермии, в конечном счете, не решают проблемы происхождения жизни. Они оставляют открытым вопрос: где и как жизнь возникла в Космосе?
Теория биохимической эволюции, разработанная Александром Ивановичем Опариным, представила зарождение жизни на Земле как процесс последовательного усложнения химических веществ: от неорганических соединений ‒ к органическим, от органических ‒ к биологическим. Стэнли Миллер провел опыт, который призван был экспериментально обосновать теорию биохимической эволюции. Он поставил цель смоделировать в колбе первичную атмосферу Земли. Через несколько дней в колбе образовались аминокислоты, азотистые основания и другие сложные биологические вещества.
В XX веке ученые спорили о том, что было первичным ‒ белки-ферменты или нуклеиновые кислоты. В зависимости от решения вопроса о первичности, методологические подходы к биохимической эволюции разделились на две группы ‒ голобиоза и генобиоза.
Голобиоз ‒ методологический подход, который утверждает первичность структур, способных к обмену веществ при участии белков-ферментов.
Теория Опарина относится к этой группе.
Генобиоз ‒ методологический подход, который утверждает первичность структур со свойствами первичного генетического кода.
У молекулы РНК были обнаружены уникальные свойства. Оказалось, что она способна передавать генетическую информацию. Была обнаружена способность молекулы РНК к саморепродукции без участия белков-ферментов. Это открытие позволило решить проблему первичности. Первичными являлись нуклеиновые кислоты, а именно ‒ РНК.
Вопросы для самоконтроля
1. Как меняются свойства вирусов, когда они попадают в клетку?
2. Сформулируйте суть теории самопроизвольного зарождения жизни.
3. Опишите опыт Франческо Реди.
4. Сформулируйте принцип Реди.
5. Какое великое биологическое открытие сделал Антони ван Левенгук?
6. Опишите опыт Луи Пастера.
7. Опишите один из вариантов гипотезы панспермии.
8. Сформулируйте одно из возражений против теории панспермии.
9. Какое открытие сделал Йёнс Якоб Берцелиус, исследуя метеорит Алаис?
10. Что такое изомерия?
11. Что такое хиральность?
12. В чем заключается суть теории биохимической эволюции?
13. Что такое биогенез?
14. Какие клетки называются прокариотическими?
15. Какие клетки называются эукариотическими?
16. Перечислите источники органических соединений на Земле.
17. Опишите опыт Стэнли Миллера.
18. Что такое голобиоз?
19. Что такое генобиоз?
20. Какие вещества признаны первичными – белки или нуклеиновые кислоты?
