Советский ученый предложивший коацерватную теорию происхождения жизни


Белково-коацерватная теория Опарина

Согласно этой теории процесс, приведший к возникновению жизни на Земле, может быть

разделён на три этапа:

-Возникновение органических веществ

-Возникновение белков

-Возникновение белковых тел

Астрономические исследования показывают, что как звёзды, так и планетные системы возникли

из газопылевого вещества. Наряду с металлами и их окислами в нём содержались водород,

аммиак, вода и простейший углеводород — метан.

Условия для начала процесса формирования белковых структур установились с момента

появления первичного океана. В водной среде производные углеводородов могли подвергаться

сложным химическим изменениям и превращениям. В результате такого усложнения молекул

могли образоваться более сложные органические вещества, а именно углеводы.

Наука доказала, что в результате применения ультрафиолетовых лучей можно искусственно

синтезировать не только аминокислоты, но и другие биохимические вещества. Большой

победой современной биохимии является первый полный синтез молекулы белков:

синтезирован гормон инсулин, управляющий углеводным обменом.

Согласно теории Опарина, дальнейшим шагом по пути к возникновению белковых тел могло

явиться образование коацерватных капель. При определённых условиях водная оболочка

органических молекул приобретала чёткие границы и отделяла молекулу от окружающего

раствора. Молекулы, окружённые водной оболочкой, объединялись, образуя

многомолекулярные комплексы — коацерваты.

Коацерватные капли также могли возникать при простом смешивании разнообразных

полимеров. При этом происходила самосборка полимерных молекул в многомолекулярные

образования — видимые под оптическим микроскопом капли.

Капли были способны поглощать извне вещества по типу открытых систем. При включении в

коацерватные капли различных катализаторов (в том числе и ферментов) в них происходили

различные реакции, в частности полимеризация поступающих из внешней среды мономеров.

За счёт этого капли могли увеличиваться в объёме и весе, а затем дробиться на дочерние

образования. Таким образом, коацерваты могли расти, размножаться, осуществлять обмен

веществ. Далее коацерватные капли подвергались естественному отбору, что обеспечило их эволюцию.

Теория была обоснована, кроме одной проблемы, на которую долго закрывали глаза почти все

специалисты в области происхождения жизни. Если спонтанно, путем 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. Однако, было показано,

что первые коацерваты могли образоваться самопроизвольно из липидов, синтезированных

абиогенным путем, и они могли вступить в симбиоз с "живыми растворами" – колониями

самовоспроизводящихся молекул РНК, среди которых были и рибозимы, катализирующие

синтез липидов, а такое сообщество уже можно назвать организмом.

В зависимости от того, что считается первичным, различают два методологических подхода к вопросу возникновения жизни:

Генобиоз— методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на убеждении в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода.

Голобиоз— методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на идее первичности структур, наделённых способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма.

Вопр

Предыдущая11121314151617181920212223242526Следующая

Дата добавления: 2016-06-13; просмотров: 1056;

ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:

Происхождение и ранние стадии развития жизни

Современная теория происхождения жизни — это теория появления структур, которые, развиваясь и усложняясь, приобретали определение функциональна свойства. По-видимому, эти свойства могли возникнуть уже на ранних этапах эволюции, так как некоторые полимеры обладали рядом характеристик, присущих феномену жизни. Однако, несмотря на oгромные успехи теории происхождения жизни на 3емле, существует множество проблем, которые ждут своего решения.

После знаменитой работы А. И. Опарина, увидевшей свет в 1924 г., а затем работ Дж. Холдейна (Haldane, 1969), Дж. Бернала (Bernal, 1969) и многих других проблема происхождения жизни стала предметом сначала теоретического, а затем и экспериментального научного анализа. В течение длительного времени эту проблему относили главным образом к проблемам химии и биохимии, которые рассматривались применительно к условиям определенного этапа геологического развития Земли. Затем к этим представлениям были присоединены некоторые другие взгляды, в том числе взгляда Физиологов.

Интерпретация происхождения жизни на Земле в значительной степени зависит от понимания ее сущности. Мы не будем пытаться уточнять понятие жизни и отошлем читателя к обширной и противоречивой литературе. Заметим лишь, что в отличие от многих натуралистов, и в частности А. Сент-Дьердьи (Szent-Gyorgyi, 1947), которые считают, что в основе жизни лежат лишь немногие фундаментальные принципы организации и эволюции живых систем, мы придерживаемся другой точки зрения. Мы полагаем, что число таких принципов очень велико и многие из них еще предстоит открыть (Уголев, 1985, 1987а, 1989). Другими словами, жизнь не может получить объяснение в свете небольшого числа сколь угодно важных законов, так как фундаментальной особенностью жизни как процесса является многосущность, из чего вытекает и невозможность одного способа ее описания. Нам, однако, достаточно понимания того, что жизнь — это многосущностный процесс с чрезвычайно сложной организацией во времени и пространстве.

В отношении происхождения первых клеток были высказаны две основные гипотезы. Одна из них, впервые выдвинутая еще А. И. Опаринж, основное значение придает образованию ферментов и формированию клеточных границ. При этом постулируется, что генетическая система возникла позднее и первооснову жизни составляли белки. Сходной точки зрения придерживается С. Фокс (Fox, 1980). Вторая гипотеза утверждает, что потенциальной формой жизни была нуклеиновая кислота, названная «голый ген», на основе которого стали возможны построение и эволюция белков (см., например, Lehninger, 1974; Florkin, 1975; Dubos, 1978).

Питание является одним из первично процессов. Мы полагаем, что оно имеется у тех систем, которые носят название протоклеток и микросфер (Уголев, 1989). Согласно гипотезе А. И. Опарина, первые предклетки появились в тот момент, когда вокруг одной или нескольких макромолекул каталитически активно белков возникла граница, или мембрана. Термин «протоклетка» принят для обозначения промежуточного звена в процессе возникновения жизни. Это звено, по-видимому, находилось между эволюционирующими химическими соединениями и биологическими формами, обладающими генетическим аппаратом и подвергающимися естественному отбору. Существенно, что протоклетки обладали уже некоторыми биологическими признаками.

Древнейшие органические микроструктуры имеют возраст около 4 млрд. лет. Вполне вероятно, что они и были протоклетками. Как отмечал К. Фолсом (Folsome, 1982), протоклетки образовались в первобытно водоемах из полимерного материала одновременно с органическими соединениями. А. И. Опарин в качестве модели протоклеток предложил коацерватные капли, состоящие из смеси коллоидных частиц. Этими частицами могли быть неспецифические макромолекулы, связывающие молекулы вода, и при определенных значениях рН среда, концентрации солей и температуры соединяющиеся друг с другом с образованием коацерватных структур. Последние по своим размерам напоминали клетки. Некоторые коацерватные капли могли поглощать какое-либо низкомолекулярное вещество (глюкозу или аминокислоты), а также примитивный катализатор. Тогда внутри капли могли аккумулироваться как субстрат, так и катализатор. Из этого следует, что такие капли могли обладать примитивным метаболизмом, состоящим из одной реакции.

В соответствии с гипотезой А. И. Опарина, капли, наделение метаболизмом, должны были взаимодействовать с водим окружением и поглощать все новые соединения, включающиеся в структуру капель, что давало возможность их роста. Под действием ряда физических факторов капли могли распадаться на более мелкие. Некоторые из них могли сохранять в себе молекулы катализатора, что способствовало росту и образованию нового поколения капель. Идеи А. И. Опарина получили экспериментальное подтверждение.

С. Фокс и многие другие (см. обзоры: Fox, Dose, 1975; Fox, 1980; Эволюция, 1981) описали структуры, получение в модельных экспериментах, которые были назван протеиноидами. Протеинаиды представляют собой белковоподобные полимерные молекулы, преимущественно со случайной последовательностью аминокислот, образующиеся при отщеплении одной молекулы воды в расчете на каждую пептидную связь. Протеинаиды в растворе имеют форму сфер диаметром около 10 мкм и напоминают клетки, ограничение толстой мембраной. Протеинаиды с большой молекулярной массой, иногда превосходящей 10 000, содержат до 18 различных аминокислотных остатков и обладают рядом свойств, характерных для белков. Более того, у некоторых протеиноидов обнаружена способность повышать скорость определенных химических реакций, а у других — хотя и слабая, но отчетливая гормональная активность. Эти факты свидетельствуют, что полипептидные цепи с определенной аминокислотной последовательностью могут возникать самопроизвольно при сравнительно простых условиях.

Протеинаиды обладают также функциями узнавания и дискриминации, которые проявляются в избирательном взаимодействии или отсутствии такового. Наконец, несомненный интерес представляют сообщения о связи различных ферментативных активностей с присутствием в протеинаидах молекул различно типов. Так, протеиноида, содержащие гистидин, характеризуются эстеразной активностью, а протеиноида, содержащие гем, — пероксидазной. Вместе с тем, как справедливо отмечает С. Фокс (Fox, 1980), между протеиноиднши системами и настоящей жизнью лежит пропасть, так как они не могут осуществлять саморепродукцию. Эта трудность интерпретации не преодолена до сих пор.

С. Фокс и его сотрудники (обзоры: Fox, Dose, 1975; Fox, 1980) описали также самоорганизующиеся структуры — микросферы, напоминающие клетки. Эти структуры появлялись, в частности, при медленном охлаждении образовавшихся при повышенной температуре концентрированно растворов протеиноидов.

Авторы полагают, что аминокислоты концентрировались в испаряющихся водоемах под влиянием тепла и потоков лавы или полимеризовались при высыхании под действием солнечно лучей. После дождя протеиноиды, возникшие в результате самосборки, могли образовывать микросферы, в первом приближении напоминающие примитивные клетки. Последние представляли собой популяцию протоклеток, подвергавшихся отбору в соответствии с их каталитическими активностями, необходимыми для первичного обмена веществ. С. Фокс (Fox, 1980) в своем известном обзоре привел подробный перечень свойств протеиноидных макромолекул и микросфер.

Микросферы — довольно однородные сферические капли диаметром около 2 мкм. При определенно значениях рН внешняя граница микросфер могла приобретать структуру, напоминающую мембрану, хотя липиды в микросферах отсутствуют. Микросферы могли распадаться, делиться или почковаться. Почки могли отделяться от основной микросферы и давать начало новому поколению микросфер. При слиянии микросфер, содержащих различие каталитические активности, возникали микросферы, обладающие исходными активностями. Эти наблюдения важны для понимания механизмов возникновения систем с многими функциями и имеют значение для понимания развития «сложной» жизни из элементов. Таким образом, микросферы являются самоорганизующимися системами и представляют собой полезные модели первых примитивно структур, напоминающих клетки. Сам факт, что микросферы и коацерватные капли обладают зачатками метаболизма, позволяет предполагать, что метаболизм мог служить первым этапом формирования жизни.

Существование микросфер обычно характеризуется как «преджизнь», или <прозябание> (Уголев, 1985). Следует обратить внимание на некоторые важные обстоятельства. Во-первых, при определенных условиях преджизнь, развиваясь, превратилась в жизнь. Во — вторых, на протяжении длительного времени (возможно, многих сотен миллионов лет) феномены преджизни и жизни сосуществовали, что важно для понимания как их баланса, так и эволюции жизни в целом.

Многие авторы обратили внимание на то, что микросферам свойственны функции, характерные для живых систем. Поэтому весьма привлекательно характеризовать эти первичные функции как протофункции. Анализ процессов, реализуемых микросферами, показал, что они воспроизводят взаимодействия, которые С. Фокс обозначил как протосекс (протосексульные реакции). К протофункциям микросфер могут быть отнесены также протодвижение, протосвязь, проторепродукция (проторазмножение), компартментализация, защитные свойства и др., охарактеризованные С. Фоксом в 1980 г. Кроме того, микросферы растут (это характеризуется как проторост), стареют и погибают.

Мы ввели понятия прототрофии и протопепсии, имея в виду первичное питание и первичное пищеварение (Уголев, 1985). Мы также выделили два типа прототрофии. К первому из них может быть отнесена диффузия молекул (аминокислот, пептидов, сахаров) или частиц в протоклетки, ко второму — фузия, или слияние, двух протоклеток. Последний механизм во многом похож на первичный процесс размножения. Действительно, в обоих случаях имеет место слияние двух протоклеток с образованием одной большего размера и интеграцией часто неоднородных элементов. Мы допустили, что некоторые протоклетки, богатые гидролитическими ферментами, будут активно лизировать другие протоклетки, являясь своеобразными протохищниками. Этим мы не хотели показать, что такие протохищники могли служить предками современных редуцентов. Важно другое — уже на заре жизни могли формироваться основные свойства и механизмы биосферы с ее трофическими цепями и взаимодействиями, переносом веществ и энергии и т. д. При этом, как упомянуто выше, трофические цепи начинали строиться «с конца», т. е. с дессимиляторной, а не с синтетической части цикла (первая уже создавалась абиогенным путем). На самых ранних этапах возникновения жизни, по-видимому, появилась дифференциация на утилизируемые организмы и организмы, утилизирующие биологические материалы.

Наконец, согласно нашей гипотезе, весьма важно, что способность к аутолизу у протоклеток при некоторых условиях могла трансформироваться в гетеролиз. Этот процесс, вероятно, был по-разному выражен в различных протоклетках. В связи с этим появилась первичная дифференциация на так называемые клетки-протоаккумуляторы, накапливающие органические материалы, и клетки-проторедукторы, которые этот материал первично использовали. При всех обстоятельствах возникали первичные примитивные трофические цепи.

Наиболее ранний этап возникновения жизни на Земле в современных теориях, как и в теории А. И. Опарина, заключался в формировании основных типов мономеров, составляющих основу биологических структур, т. е. аминокислот, моносахаридов, оснований нуклеиновых кислот, порфиринов и т.

Проверочная работа "Происхождение жизни"

д. Вслед за этим должно происходить образование полимеров, характерах для живых систем (протеиноидов и некоторых других). Предбиологическая эволюция приводила к формированию примитивных клеток. С этого момента начинается биологическая эволюция, связанная с естественным отбором. Вероятно, образование первичных клеток явилось критическим моментом в эволюции жизни и тем рубежом, который разделял химическую эволюцию и биологическую. Именно клетка обладает рядом свойств, которые характеризуют истинную жизнь, и, по-видимому, именно на этом этапе сформировались основные универсальные функциональные блоки.

Заслуживает внимания аналитико-исторический обзор Б. М. Кедрава и К. Б. Серебровской (1980), в котором хорошо документировано мнение большинства исследователей. Авторы отмечают, что современная теория происхождения жизни — это теория возникновения структур, приобретающих при усложнении и раз витии определение функциональные свойства. По-видимому, эти свойства могут проявляться уже на ранних этапах эволюции, так как некоторые полимеры, особенно протеиноиды, обладают рядом характеристик, присущих жизни. Протеиноиды, организованные в микросферы, обладают уже многими свойствами клеток, в том числе протатрофией и ее первичными механизмами (протопепсией). Вероятно, уже на этом этапе (а может быть, еще ранее) началась организация живого в протобиосферу, что существенно для понимания закономерностей дальнейшей эволюции.

1.Живое отличается от неживого:

а) составом неорганических соединений;             б) наличием катализаторов;
в) взаимодействием молекул друг с другом;        г) обменными процессами.

2. Первыми живыми организмами на нашей планете были:

а) анаэробные гетеротрофы;        б) аэробные гетеротрофы;   в) автотрофы;     г) организмы-симбионты.

3. Сущность теории абиогенеза состоит в:

а) происхождении живого из неживого;   б) происхождении живого от живого;
в) сотворении мира Богом;                      г) занесении жизни из Космоса.

4. Кристалл не является живой системой, т.к.:

а) он не способен к росту;                             б) он не способен к размножению;
в) ему не свойственна раздражимость;      г) не все свойства живого ему присущи.

5. Опыты Луи Пастера доказали возможность:

а) самозарождения жизни;                             б) появления живого только из живого;

в) занесения «семян жизни» из Космоса;      г) биохимической эволюции.

6. Из перечисленных условий наиболее важным для возникновения жизни является:

а) радиоактивность;  б) наличие жидкой воды;    в) наличие газообразного кислорода;   г) масса планеты.

7. Сущность теории биогенеза состоит в:

а) происхождении живого из неживого;    б) происхождении живого от живого;
в) сотворении мира Богом;                      г) занесении жизни из Космоса.

8. В период возникновения жизни в атмосфере Земли должен был отсутствовать кислород, т.к.:

а) он является активным окислителем;                    б) обладает высокой теплоемкостью;
в) увеличивает свой объем при замерзании;         г) все вышеперечисленное в комплексе.

Часть В   Закончите предложения.

  1. Доядерные организмы, не имеющие ограниченного оболочкой ядра и органоидов, способных к самовоспроизведению, – … .

  1. Фазовообособленная система, взаимодействующая с внешней средой по типу открытой системы, – … .

3. Советский ученый, предложивший коацерватную теорию происхождения жизни, – … .

Часть С 1.

Заполните   в   таблице    «Сравнительная   характеристика   экспериментов Ф. Реди и Л. Пастера» графы, обозначенные цифрами 1, 2, 3.

«ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИВЫХ СУЩЕСТВ»

В средние века люди охотно верили в то, что гуси произошли от пихтовых деревьев, а ягнята рождаются из плодов дынного дерева. Начало этим представлениям, получившим название «Теория самозарождения», положил древнегреческий философ Аристотель. В XVII в. Ф.

3. Биохимическая эволюция теории академика Опарина

Реди высказал предположение о том, что живое рождается только от живого и никакого самозарождения нет. Он положил в четыре банки змею, рыбу, угря и кусок говядины и закрыл их марлей, чтобы сохранить доступ воздуха. Четыре другие аналогичные банки он заполнил такими же кусками мяса, но оставил их открытыми. В эксперименте Реди менял только одно условие — открыта или закрыта банка. В закрытую банку мухи попасть не могли. Через некоторое время в мясе, лежавшем в открытых (контрольных) сосудах появились черви. В закрытых банках никаких червей обнаружено не было.

В XIX в. серьезный удар по теории самозарождения нанес Л. Пастер, предположивший, что жизнь в питательные среды заносится вместе с воздухом в виде спор. Ученый сконструировал колбу с горлышком, похожим на лебединую шею, заполнил ее мясным бульоном и прокипятил на спиртовке. После кипячения колба была оставлена на столе, и вся комнатная пыль и микробы, находящиеся в воздухе, легко проникая через отверстие горлышка внутрь, оседали на изгибе, не попадая в бульон. Содержимое колбы долго оставалось неизменным. Однако если сломать горлышко (ученый использовал контрольные колбы), то бульон быстро мутнел. Таким образом, Пастер доказал, что жизнь не зарождается в бульоне, а приносится извне вместе с воздухом, содержащим споры грибов и бактерии. Следовательно, ученые, ставя свои опыты, опровергли один из важнейших аргументов сторонников теории самозарождения, которые считали, что воздух является тем «активным началом», которое обеспечивает возникновение живого из неживого.

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Ф. РЕДИ И Л. ПАСТЕРА

Параметры сравнения

Эксперимент Ф. Реди

Эксперимент Л. Пастера

1……………

Мясо (змея, рыба, угорь и кусок говядины)

Мясной бульон

Оборудование

8 банок, марля

2…………………

Контроль

3………………

Колбы    с    отломанным горлом

С 2. СООТНЕСИТЕ:

Начало предложения

Термин

1. Первые наземные растения-

2.Первые белковые комплексы-

3.Организмы сами синтезирующие органические вещества из неорганических-

4.Организмы, не нуждающиеся в кислороде-

5.Организмы, имеющие ядро в клетках-

6.Взгляд, утверждающий, что жизнь возникла из живого-

7.Безъядерные организмы-

8. Взгляд, утверждающий, что жизнь возникла из неживого-

9.Предшественники клеток-

10.Организмы, потребляющие органические вещества-

11.Организмы, потребляющие кислород-

12.Взгляд, утверждающий космическоепроисхождение жизни-

1) биогенез

2) абиогенез

3) коацерваты

4) пробионты

5) гетеротрофы

6) автотрофы

7) прокариоты

8) эукариоты

9) анаэрбы

10) аэробы

11) панспермия

12) риниофиты

Белково-коацерватная теория Опарина

Согласно этой теории процесс, приведший к возникновению жизни на Земле, может быть

разделён на три этапа:

-Возникновение органических веществ

-Возникновение белков

-Возникновение белковых тел

Астрономические исследования показывают, что как звёзды, так и планетные системы возникли

из газопылевого вещества. Наряду с металлами и их окислами в нём содержались водород,

аммиак, вода и простейший углеводород — метан.

Условия для начала процесса формирования белковых структур установились с момента

появления первичного океана. В водной среде производные углеводородов могли подвергаться

сложным химическим изменениям и превращениям. В результате такого усложнения молекул

могли образоваться более сложные органические вещества, а именно углеводы.

Наука доказала, что в результате применения ультрафиолетовых лучей можно искусственно

синтезировать не только аминокислоты, но и другие биохимические вещества. Большой

победой современной биохимии является первый полный синтез молекулы белков:

синтезирован гормон инсулин, управляющий углеводным обменом.

Согласно теории Опарина, дальнейшим шагом по пути к возникновению белковых тел могло

явиться образование коацерватных капель. При определённых условиях водная оболочка

органических молекул приобретала чёткие границы и отделяла молекулу от окружающего

раствора. Молекулы, окружённые водной оболочкой, объединялись, образуя

многомолекулярные комплексы — коацерваты.

Коацерватные капли также могли возникать при простом смешивании разнообразных

полимеров. При этом происходила самосборка полимерных молекул в многомолекулярные

образования — видимые под оптическим микроскопом капли.

Капли были способны поглощать извне вещества по типу открытых систем. При включении в

коацерватные капли различных катализаторов (в том числе и ферментов) в них происходили

различные реакции, в частности полимеризация поступающих из внешней среды мономеров.

За счёт этого капли могли увеличиваться в объёме и весе, а затем дробиться на дочерние

образования. Таким образом, коацерваты могли расти, размножаться, осуществлять обмен

веществ. Далее коацерватные капли подвергались естественному отбору, что обеспечило их эволюцию.

Теория была обоснована, кроме одной проблемы, на которую долго закрывали глаза почти все

специалисты в области происхождения жизни.

Chemistry48.Ru

Если спонтанно, путем 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. Однако, было показано,

что первые коацерваты могли образоваться самопроизвольно из липидов, синтезированных

абиогенным путем, и они могли вступить в симбиоз с "живыми растворами" – колониями

самовоспроизводящихся молекул РНК, среди которых были и рибозимы, катализирующие

синтез липидов, а такое сообщество уже можно назвать организмом.

В зависимости от того, что считается первичным, различают два методологических подхода к вопросу возникновения жизни:

Генобиоз— методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на убеждении в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода.

Голобиоз— методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на идее первичности структур, наделённых способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма.

Вопр

Предыдущая11121314151617181920212223242526Следующая

Дата добавления: 2016-06-13; просмотров: 1055;

ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:

Это название образовано от элементов прото — первый и бионт — жизненная форма. Протобионты это специализированные «капельки», скопления молекул с особыми внутренними химическими свойствами, отличающимися от свойств окружения.

Коацерватная и генетическая гипотеза происхождения жизни

Возможно, это были предшественниками прокариотов. Между образованием отдельных органических молекул, таких, как аминокислоты, имеющих биологический потенциал, и их сборкой в сложную единую систему клетки, являющуюся основой жизни, пролегла глубокая пропасть. Для преодоления ее необходимо было выполнить два следующих условия:

1. Концентрация молекул и их упорядочивание.

2. Развитие метода саморепликации (воспроизводства) — основной характеристики, отличающей живое от неживого.

Для объяснения концентрации и упорядочивания молекул, растворенных в «первичном бульоне» древней Земли, было предложено несколько гипотез. Наиболее вероятные основаны на концепции полимеров: большие молекулы образовались путем соединения маленьких молекул. Они часто появляются на поверхности воды в экспериментах, подобных тем, что предпринимал Миллер, и их число со временем увеличивается экспоненциально; причем первые молекулы служат центром сборки последующих. Они могут удерживаться рядом друг с другом электростатическими (положительными и отрицательными) силами и образовывать коацерватные капли. Такие капли состоят из внутреннего скопления коллоидных молекул, окруженных оболочкой молекул воды. В результате образуется четкая разграничительная линия между коллоидным белковым раствором и водой, в которой они взвешены. Коацерватные капли могли привести к образованию первых протобионтов или «прото клеток». Однако им еще далеко до настоящих клеток, какими мы их знаем.

Стоит заметить, что у протобионтов отсутствует существенное свойство живых организмов — передача генетической информации и, следовательно, они не могут самовоспроизводиться.

См. также статью «Происхождение жизни», «Прокариоты».

Следующая глава >

Современные гипотезы возникновения живого базируются на том, что жизнь — это особая форма существования материи, которая характеризуется такими фундаментальными отличительными признаками, как обмен веществ с окружающей внешней средой и самовоспроизведение.

Белково-коацерватная теория происхождения жизни

Начало современной теории происхождения жизни положил российский ученый-биохимик Александр Иванович Опарин. В 1924 году он опубликовал труд «Происхождение жизни», в котором впервые сформулировал естественнонаучную гипотезу зарождения жизни на Земле — белково-коацерватную гипотезу происхождения живых организмов. В ее основе лежала идея о том, что жизнь возникла в результате длительной эволюции органических соединений, совершившейся на нашей планете.

Согласно гипотезе Опарина, жизнь на Земле зародилась в результате целого ряда химических превращений, происходивших в течение очень длительного периода времени (миллиардов лет) в особых условиях существования тогда еще молодой, формирующейся планеты. Этот период сопровождался мощным ультрафиолетовым излучением, сильными электрическими разрядами в атмосфере, выделением тепла в результате вулканической деятельности. Он предположил, что 4-4,5 млрд лет назад из аммиака, метана, углекислого газа, водорода и паров воды, составляющих в то время земную атмосферу, произошло абиогенное образование органических веществ, среди которых важнейшее место занимали аминокислоты и белковоподобные полимеры — полипептиды.

По современным представлениям, в первичном океане в ранний период существования Земли было накоплено много различных органических соединений. На этом основании воды первичного океана по предложению английского ученого Дж. Холдейна называют «питательным бульоном» или «первичным бульоном».

Основным постулатом Опарина является возникновение предшественников жизни — пробионтов (от греч. pro — «перед», «раньше» и bios — «жизнь») — в результате спонтанного объединения белковоподобных органических соединений, плавающих в более разбавленном водном растворе, в так называемые коацерватные капли (или коацерваты). Процесс образования таких капелек — коацервация (от лат. coacervatio — «собирание в кучу», «накопление») способствовал высокой концентрации полимеров и их обособлению от внешней среды. Позже ряд опытов, проведенных в лабораторных условиях, подтвердил возможность возникновения коацерватных капель.

Коацерваты фактически служили местом встречи и взаимодействия простых белков, предшественников нуклеиновых кислот, углеводов и липидов, независимо возникших до этого в условиях молодой планеты и содержавшихся в «первичном бульоне».

А.И. Опарин полагал, что среди множества коацерватных капель должен был идти естественный отбор наиболее устойчивых в существовавших условиях. Способность коацерватов к адсорбции постепенно преобразовалась в устойчивый обмен веществ гетеротрофного типа (за счет поглощения органических веществ из первичного бульона). В процессе дальнейшего естественного отбора среди коацерватов оставались лишь те, которые при растекании на дочерние коацерваты сохраняли свои свойства, то есть были способны к самовоспроизведению. С приобретением этих свойств коацерватная капля уже могла считаться простейшим живым организмом — протобионтом (от греч. protos — «первый» и bios — «жизнь»). Этот процесс естественного отбора шел миллионы лет.

Другие гипотезы происхождения жизни

Гипотеза происхождения живого, впервые выдвинутая А.И. Опариным, долгое время считалась основной и завоевала широкое признание во всем мире. Однако она оставляла нерешенным вопрос перехода от сложных органических веществ к простым живым организмам. По мнению Опарина, главную роль играют белки, именно они дали начало обмену веществ, обеспечив обособление коацерватных капель друг от друга и от окружающей среды. Он утверждал, что именно белковые тельца (коацерваты) явились первыми живыми организмами — предорганизмами. Но эта гипотеза не давала объяснения способности к самовоспроизведению.

Для решения этого вопроса английский биохимик и генетик Дж. Холдейн в 1929 году выдвигает генетическую гипотезу происхождения живого, согласно которой первоосновой появления жизни послужило возникновение дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). По гипотезе Дж. Холдейна, в основе создания пробионтов были не белки, а нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК), поскольку они служат матрицей для синтеза белков. В доказательство этого утверждения Холдейн опирался на высказанную еще в 1927 году американским генетиком Г.Д. Меллером идею о том, что молекулы ДНК способны содержать «биологическую информацию» и могут образовывать мутации, а следовательно, накапливать полезные изменения. Благодаря молекулам ДНК протобионты (протоклетки) и получили способность к самовоспроизведению. Решение вопроса о происхождении жизни Холдейн связывал также с изучением путей синтеза ферментов и воспроизводства генов. При этом он отмечал важную роль ультрафиолетового излучения в образовании органических молекул.

Вслед за Опариным и Холдейном подобные идеи в 50-70-е годы XX века высказывали многие ученые. Так, видный английский физик и кристаллограф Джон Бернал (1947), в отличие от Опарина, считал, что скопление органических молекул в те времена происходило не путем коацервации, а с помощью адсорбции первых полимерных молекул а поверхностях асимметричных кристаллов кварца в водной среде. Подобную точку зрения излагал и наш известный ботаник и микробиолог Николай Григорьевич Холодный. По его мнению, первоначально образовывались не белки, а углеводороды, и это произошло не в Мировом океане, а на мелководьях после появления суши.

В 1957 году американский ученый Сидней Фокс предположил, что на первобытной Земле при испарении воды из луж, оставшихся после отлива, между аминокислотами возникали пептидные связи и образовались белковоподобные соединения — олигопептиды. Из этих белковоподобных соединений могли образовываться шарообразные агрегаты с заключенными в них органическими соединениями — микросферы, покрытые сверху белками. Эти образования С. Фокс называл протеиноидами (то есть белковоподобными) и считал, что они, подобно ферментам, могли катализировать определенные химические реакции внутри микросфер.

Дальнейшие исследования самого Опарина и исследования многих ученых подтвердили и развили его идею о возникновении живой материи на Земле в результате длительной эволюции химических соединений. В то же время по мере изучения химии высокомолекулярных соединений и механизмов передачи наследственной информации стало очевидно, что сами белки не обладают способностью самовоспроизведения и закрепления своей приобретенной структуры. Следовательно, целый ряд положений коацерватной теории нуждался в дополнительных объяснениях. Многие из них дала генетическая гипотеза Дж. Холдейна.

Обе гипотезы привлекали внимание многих ученых, так как смогли, дополняя друг друга, решить проблему и образования протоклеток (протобионтов), и самовоспроизведения, передачи приобретенных свойств.

На основе обобщения коацерватной и генетической гипотез и обогащения их накопленными естествознанием фактами была сформулирована единая гипотеза, рассматривающая происхождение жизни как результат длительной эволюции углеродных соединений.

Доказательство гипотез происхождения жизни

Становление концепций происхождения жизни в результате абиогенного процесса требовало доказательств, поиску которых были посвящены многие экспериментальные работы ученых всего мира. Первыми доказали возможность возникновения сложных органических веществ из неорганических соединений американские биохимики Стенли Миллер и Гарольд Юри. В 1953 году они в специально созданном приборе наблюдали, как из смеси воды, аммиака и метана под действием ультрафиолетового излучения, электрической искры и нагревания появлялись органические соединения — аминокислоты, которые, соединяясь между собой, образовывали белки. Экспериментаторам удалось получить таким же путем молекулы углеводов (различные сахара и среди них — рибозу), азотистые основания (например, аденин) и небольшие цепи простых нуклеиновых кислот, сходных с РНК.

В 1965 году американский биохимик Сирил Поннаперума с сотрудниками смогли синтезировать аминокислоты и пурины (строительные блоки белков и нуклеиновых кислот) и осуществили синтез нуклеотидов и молекул АТФ, АДФ, АМФ. Биохимик Дж. Оро при умеренном нагревании смеси цианистого водорода, аммиака и воды получил аденин. Он же синтезировал урацил, рибозу, дезоксирибозу.

В 1982 году произошло сенсационное открытие, сделанное американским молекулярным биологом Томасом Чеком. Он обнаружил каталитическую (ферментативную) способность молекул РНК. Ученым экспериментально была доказана способность рибонуклеотидов в определенных условиях среды спонтанно образовывать небольшие нити молекул РНК и синтезировать свои РНК-копии без участия ферментов или других белков. Есть предположение, что возможные контакты с какими-то кристаллами минеральных веществ способствовали упорядочению появившихся молекул органических соединений. Подобное открытие взаимодействия нуклеиновых кислот с аминокислотами приводит к выводу, что на определенных этапах химической эволюции мог существовать матричный синтез не только нуклеиновых кислот, но и молекул белков. Возможно, что подобные реакции, совершаясь в протобионтах, обеспечивали появление различных полимеров, способных хранить и передавать информацию о своей структуре и о структуре собственных белков. Подобное открытие подтверждает генетическую гипотезу происхождения жизни.
Аналогичные эксперименты проводили многие ученые: А.

Теория происхождения жизни

Уилсон, К. Харада, М. Кальвин, Н. Пири, российские исследователи А.И. Опарин и его сотрудники Т.Е. Павловская, А.Г. Пасынский и др.

Их опыты свидетельствовали о том, что в условиях первобытной Земли из простых компонентов первичной земной атмосферы могли образовываться различные полимерные органические соединения, ставшие основой современной жизни. С потоками горячих ливневых дождей из атмосферы они попадали в водоемы Мирового океана, где накапливались и постепенно, со временем создали особую водную среду, насыщенную многочисленными и разнообразными органическими веществами. Все это могло служить основанием для возникновения элементарных живых форм.

А.И. Опарин полагал, что главную роль в этом процессе играли белковые коацерваты, что именно они обеспечивали обособление пробионтов друг от друга и от окружающей среды. Дж. Холдейн и другие ученые считали, что первыми биополимерами на Земле могли быть не белки, а молекулы РНК и ДНК, способные к самовоспроизведению путем репликации.

Какая из этих двух гипотез возникновения первых живых организмов — белковая (коацерватная) Опарина или нуклеиновая (генетическая) Холдейна — верна, пока еще не решено. Обе гипотезы завоевали широкое призвание, но обе и оставляют нерешенным вопрос: как произошел переход от сложных органических веществ, находящихся в коацерватах, к элементарным живым организмам — протобионтам.

Трудным для обеих гипотез является объяснение способности возникших структур стать живой клеткой. Пока еще не удалось экспериментальным путем доказать сам переход от неживой коацерватной капли или микросферы к живой клетке, поэтому все «теории» происхождения жизни пока называются гипотезами, т. е. научными допущениями, истинность которых еще не доказана с абсолютной достоверностью (то есть экспериментально), хотя и является вполне возможной.

Однако и та и другая гипотезы в целом сходным образом определяют условия, этапы и время возникновения жизни на Земле, и обе рассматривают ее происхождение как результат химической эволюции на нашей планете, обеспечившей возможность возникновения живого вещества и многообразия жизни на Земле.

Оставьте комментарий