Полезное:
Как сделать разговор полезным и приятным
Как сделать объемную звезду своими руками
Как сделать то, что делать не хочется?
Как сделать погремушку
Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами
Как сделать идею коммерческой
Как сделать хорошую растяжку ног?
Как сделать наш разум здоровым?
Как сделать, чтобы люди обманывали меньше
Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили?
Как сделать лучше себе и другим людям
Как сделать свидание интересным?
Категории:
АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника
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.
Опарин считал, что в древние времена природные условия Земли существенно отличались от современных. Первичная атмосфера не содержала свободного кислорода. В современной атмосфере он содержится в количестве 21% по объему. В такой атмосфере могли содержаться аммиак (NH3), двуокись углерода (CO2), метан (CH4) и водяной пар. Этой первичной атмосферы уже нет. На ее месте образовалась вторичная атмосфера ‒ продукт развития жизни на Земле.
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.
Можно предположить, что в раннюю эпоху существования жизни происходила борьба между первичными и вторичными организмами. Первичные организмы – анаэробы, вторичные – аэробы. Видимо, главным оружием аэробов был свободный кислород, который выделялся как продукт их жизнедеятельности и был смертелен для анаэробов. Он и решил исход этой борьбы. Ныне повсеместно господствуют формы жизни, которые при обмене веществ используют кислород. Однако некоторые виды анаэробных организмов живут и поныне. Это, прежде всего, сине-зеленые водоросли.
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.
Другим источником органических соединений на Земле являются вулканы и гидротермальные жерла срединно-океанических хребтов. При извержении вулканов вместе с магмой выбрасывается огромное количество газов: сероводород, метан, аммиак, окислы азота и углерода.
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.
В 1953 году американский ученый Стэнли Миллер (1930 – 2007) провел эксперимент, который был призван моделировать процессы, происходящие в первичной атмосфере Земли. Главную часть установки составляла колба с электродами. В ней находились вода и газы, которые, предположительно, входили в состав древней земной атмосферы ‒ водород, метан, аммиак и др. Существенно, что не было свободного кислорода. Колба нагревалась, а между электродами протекали электрические разряды. Через несколько дней в ней образовались аминокислоты, азотистые основания и другие сложные биологические вещества.
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?
Date: 2015-07-24; view: 10917; Нарушение авторских прав