«Биохимическая эволюция Опарина» - 2) Формирование в первичных водоемах Земли из накопившихся органических соединений биополимеров, липидов, углеводородов. Суть гипотезы сводилась к следующему… Зарождение жизни на Земле - длительный эволюционный процесс становления живой материи в недрах неживой. 1) Синтез исходных органических соединений из неорганических веществ в условиях первичной атмосферы первобытной Земли. Теория Опарина. 1894-1980.
«Гипотеза Опарина» - Биография. Гипотеза самопроизвольного зарождения жизни. Гипотеза биохимической эволюции. Гипотеза возникновения жизни на Земле А.И.Опарина. Сгустки, называемые коацерватными каплями. Биография А.И.Опарина. Английский биолог. Александр Иванович Опарин. Концепция. Живая клетка. Теория возникновения жизни на Земле. Установка Стэнли Миллера. Формирование атмосферы Земли. Этапы возникновения жизни на Земле.
«Теории биогенеза и абиогенеза» - Отсутствие живых организмов. Теория самопроизвольного зарождения. Расцвет классического учения о самозарождении. Теория спонтанного зарождения. Черви. Этапы возникновения жизни на Земле. Аминокислоты. Теория биохимической эволюции. Сторонники теории панспермии. Креационизм. Теории биогенеза и абиогенеза о происхождении живого вещества. Демокрит. Английский биохимик и генетик Джон Холдейн. Охарактеризуйте биохимическую стадию химической эволюции.
«Химическая эволюция» - Гипотеза панспермии. Внеземное происхождение микроорганизмов. Гипотеза самозарождения. Геохронология. Известно около 8 млн. химических соединений. Геологическая история Земли неотделима от её биологической эволюции. Химическая эволюция и биогенез. Геохронологическая шкала. Протозвезда - Солнце. Солнце нагревало внутреннюю часть. Радиоактивность. Российский химик А.П. Руденко. С ростом порядкового номера распространенность элементов убывает.
«Теория биохимической эволюции» - Жизнь была создана сверхъестественным существом. Образование мембранной структуры. Гипотеза биохимической эволюции. Гипотеза, рассматривающая жизнь как результат длительной эволюции. Третий этап характеризовался выделением. Концентрация веществ в коацерватных каплях. Молекулы многих веществ. Простые молекулы. Первые примитивные живые организмы. Длинные нитеобразные молекулы. «Первичный бульон». Одним из основных признаков живого является способность к репликации.
«Гипотеза биохимической эволюции» - Процесс, приведший к возникновению жизни на Земле. Происхождения жизни на Земле. Первичный бульон. Миллер, Стэнли Ллойд. Теория Опарина - Холдейна. Эксперимент Миллера - Юри. Разные аспекты. Условия для зарождения жизни. Гипотеза А. И. Опарина. Коацерватные капли.
Стэнли Миллером и Гарольдом Юри . Аппарат, спроектированный для проведения эксперимента, включал смесь газов, соответствующую тогдашним представлениям о составе атмосферы ранней Земли, и пропускавшиеся через неё электрические разряды.Эксперимент Миллера - Юри считается одним из важнейших опытов в исследовании происхождения жизни на Земле. Первичный анализ показал наличие в конечной смеси 5 аминокислот . Однако более точный повторный анализ, опубликованный в 2008 году , показал, что эксперимент привёл к образованию 22 аминокислот.
Энциклопедичный YouTube
1 / 2
5 Фактов о Земле, Которые Наука не Может Выяснить
Jack Szostak (Harvard/HHMI) Part 1: The Origin of Cellular Life on Earth
Субтитры
Здравствуйте друзья. Планета Земля была и остается нашим домом за всю историю существования человечества. До сих пор существуют фундаментальные вещи, которые мы не можем понять об нашей планете. Сейчас вы увидите 5 фактов о земле, которые наука не может объяснить. 5. Как работает планета? Учение тектонических плит является принятой теорией, при которой земная кора и верхняя мантия скользит по основной части мантии. Эта оболочка формирует защитный слой, который оберегает все живое от раскаленной магмы, толщиной около 3000 км ниже земной коры. Однако все, что касается более низких слоев, до сих пор находится в стадии дискуссии. Сейсмические исследования полагают, что внешнее ядро земли является жидким, а внутреннее - твердым. Однако до сих пор неизвестен химический состав мантии нашей планеты. Также, до конца не понятен принцип, из-за которого движутся тектонические плиты и почему у Земли присутствует магнитное поле. Да, есть достаточно достоверные идеи, которые дают ответы на эти вопросы. Однако они базируются только на данных, полученных со спутников, а также на результатах математического моделирования. Помимо этого, на данный момент невозможно, в буквальном смысле, докопаться на нужную глубину, чтобы взять образцы и увидеть все глазами. Самой глубокой в мире скважиной является Кольская сверхглубокая скважина, работы над которой велись в 70-80х годах в Советском Союзе. Ее глубина составила 12262 метра, чего явно недостаточно для достижения мантии. Любопытен тот факт, что многое из того, что человек уже знает об сейсмической активности, стало возможным благодаря разработке ядерного оружия. Во время холодной войны происходило серьезное финансирование сейсмологических исследований для обнаружения взрывов атомных бомб. Поэтому, как бы странно это не звучало, не будь холодной войны, человечество возможно до сих пор бы и не знало, что обитает на тонкой коре, ниже которой есть раскаленная мантия, а также внешнее и внутреннее ядро планеты. 4. Осадочные породы Благодаря анализу осадочных слоев и вулканической породы можно отследить изменения в магнитном поле Земли за ее длительную историю существования. Во время таких исследований был обнаружен ряд странных аномалий, одна из которых начинает происходить прямо сейчас. Несколько раз магнитное поле меняло свое направление, а потом возвращалось назад. По мнению некоторых ученых, во время инверсии полюсов Земли, магнитное поле ослабевало настолько, что космическое и солнечное излучение усиливалось и могло наносить серьезный вред живым организмам. Также, в этом году Европейским космическим агентством были обнародованы любопытные данные исследований. В них показано, что магнитные полюсы нашей планеты ослабевают гораздо быстрее, чем предполагалось ранее. Это может привести к смене магнитных полей в недалеком будущем. Последний раз это происходило во время каменного века и мы достоверно не знаем, было ли это вызвано событиями, происходящими в ядре Земли или же движением тектонических плит. 3. Где и как зародилась жизнь? Самая распространенная и принятая теория заключается в том, что около 250 тысяч лет назад анатомически современные люди произошли из Африки, а затем распространились по всему миру. А что же было до этого? Где произошел первый расцвет более ранних форм жизни на нашей планете? Теория так называемого "первичного бульона", которую в начале 20 века выдвинул советский биолог Александр Опарин, говорит, что в ходе постепенной химической эволюции, молекулы, содержащие углерод, начали превращаться в "первичный бульон". Образованию органических молекул в этом "бульоне" помогали электрические разряды и высокая температура. В 1953 году был проведен эксперимент Миллера-Юри, который показал, что электрические разряды могут производить аминокислоты и сахар из атмосферы, подобной ранней атмосферы нашей планеты. В альтернативных вариантах, жизнь могла зародиться в глине, в океанском льде, на дне океанов вокруг гидротермальных источников. Также существует теория, что жизнь на земле могла быть принесена метеоритом или астероидом из другой планеты. Несмотря на многочисленные гипотезы, окончательно до сих пор так никто и не может сказать, как и где зародилась наша жизнь. 2. Когда наступит всемирная катастрофа? За последний век человечество серьезно продвинулось в прогнозировании активности землетрясений и вулканических извержений. Однако, еще существует много вещей, которые мы не знаем об этих разрушительных природных катастрофах. Возможно, если более четко понимать поведение мантии вокруг ядра Земли, можно иметь бОльшее представление об возникновении землетрясений. Понятно, что сам принцип образования землетрясений в целом известен. Однако, отсутствует четкое понимание фундаментальных процессов, предшествующих землетрясению. Также, достоверно неизвестно, что приводит накоплению магмы в определенных местах, после чего начинают происходить извержения вулканов. Зная все эти вещи, человечество могло бы достаточно точно прогнозировать время и место возникновения таких природных катаклизмов, благодаря чему удалось бы избегать таких устрашающих разрушений и жертв. 1. Насколько сильно может разогреться Земля? Мы стоим на пороге серьезных климатических изменений, и это подтверждают более 90% ученых по исследованию климата. Практически все они согласны с тем, что причиной ускорения изменений климата является человеческая деятельность. Часто те, кто опровергают глобальные изменения климата, являются сторонниками большого бизнеса и транснациональных корпораций. Да, по последним докладам НАСА, вокруг Антарктиды начал понемногу накапливаться морской лед. Однако, на самой поверхности суши Антарктиды из-за глобального потепления, лед продолжает таять и уменьшаться. Этот факт противники глобального потепления молчаливо игнорируют. Мы знаем, что интенсификация аграрной промышленности, вырубка лесов и сжигание органического топлива, являются тремя основными причинами потепления нашей атмосферы. Однако, насколько сильно она может разогреться в будущем, человечество не может предсказать. Различные математические модели предполагают увеличение температуры от 1,5 до 10 градусов по Цельсию в течении последующих 100 лет. Это всего лишь предположение, реальных значений узнать практически невозможно. Спасибо за просмотр, друзья. Подписывайтесь на канал Вуз и до скорых встреч в новых видео.
Описание эксперимента
Собранный аппарат представлял собой две колбы , соединённые стеклянными трубками в цикл. Заполнявший систему газ представлял собой смесь из метана (CH 4), аммиака (NH 3), водорода (H 2) и монооксида углерода (CO). Одна колба была наполовину заполнена водой, которая при нагревании испарялась и водные пары попадали в верхнюю колбу, куда с помощью электродов подавались электрические разряды, имитирующие разряды молний на ранней Земле. По охлаждаемой трубке конденсировавшийся пар возвращался в нижнюю колбу, обеспечивая постоянную циркуляцию.
После одной недели непрерывного цикла Миллер и Юри обнаружили, что 10-15 % углерода перешло в органическую форму. Около 2 % углерода оказались в виде аминокислот, причём глицин оказался наиболее распространённой из них. Были также обнаружены сахара , липиды и предшественники нуклеиновых кислот . Эксперимент повторялся несколько раз в 1953-1954 годах. Миллер использовал два варианта аппарата, один из которых, т. н. «вулканический», имел определённое сужение в трубке, что приводило к ускоренному потоку водных паров через разрядную колбу, что, по его мнению, лучше имитировало вулканическую активность. Интересно, что повторный анализ проб Миллера, проведённый через 50 лет профессором и его бывшим сотрудником Джеффри Бейдом (англ. Jeffrey L. Bada ) с использованием современных методов исследования, обнаружил в пробах из «вулканического» аппарата 22 аминокислоты, то есть гораздо больше, чем считалось ранее.
Миллер и Юри основывались в своих экспериментах на представлениях 1950-х годов о возможном составе земной атмосферы. После их экспериментов многие исследователи проводили подобные опыты в различных модификациях. Было показано, что даже небольшие изменения условий процесса и состава газовой смеси (например, добавления азота или кислорода) могли привести к очень существенным изменениям как образующихся органических молекул, так и эффективности самого процесса их синтеза. В настоящее время вопрос о возможном составе первичной земной атмосферы остаётся открытым. Однако, считается, что высокая вулканическая активность того времени способствовала выбросу также таких компонентов как диоксид углерода (CO 2), азот, сероводород (H 2 S), двуокись серы (SO 2).
Химия эксперимента
После первых реакций в смеси могли получиться синильная кислота (HCN), формальдегид (CH 2 O), и другие активные соединения (ацетилен , цианоацетилен, и т.п.):
CO 2 → CO + [O] (атомарный кислород) CH 4 + 2[O] → CH 2 O + H 2 O CO + NH 3 → HCN + H 2 O CH 4 + NH 3 → HCN + 3H 2 (en:BMA process)
Формальдегид, аммиак и синильная кислота реагируют по процессу Штрекера в аминокислоты и прочие биомолекулы:
CH 2 O + HCN + NH 3 → NH 2 -CH 2 -CN + H 2 O NH 2 -CH 2 -CN + 2H 2 O → NH 3 + NH 2 -CH 2 -COOH (глицин)
Далее, вода и формальдегид могут реагировать, по реакции Бутлерова , давая на выходе сахара , например рибозу .
Эксперимент показал, что аминокислоты, составляющие белок, могут быть получены из простых химических веществ, с подводом дополнительной энергии.
Критика выводов эксперимента
Выводы о возможности химической эволюции, сделанные на основании данного эксперимента, подвергаются критике.
Как становится понятным, одним из основных аргументов критиков является отсутствие единой хиральности у синтезированных аминокислот. Действительно, полученные аминокислоты представляли собой практически равную смесь стереоизомеров , в то время как для аминокислот биологического происхождения, в том числе входящих в состав белков, весьма характерно преобладание одного из стереоизомеров. По этой причине дальнейший синтез сложных органических веществ, лежащих в основе жизни, непосредственно из полученной смеси затруднён.
О том, за что можно не любить эксперименты, о пользе семинаров, благородстве научного руководителя и возникновении живого на фоне холодной войны рассказываем в нашей рубрике «История науки».
Стэнли Миллер родился в 1930 году в семье юриста и школьной учительницы. С детства мальчик любил читать, хорошо учился, любил природу, ходил в походы с бойскаутами. Вслед за братом поступил в Калифорнийский университет так же, как он, изучать химию. С легкостью пройдя университетский курс, он перешел в Чикагский университет, предложивший ему место ассистента (после смерти отца он уже не мог позволить себе просто учиться). Там начались долгие и непростые поиски темы для дальнейшей работы, места, куда приложить свои знания и светлый ум.
Считая эксперименты делом «пустым, затратным по времени и не столь уж важным» (а может быть, просто затратным), Миллер обратился к теоретическим проблемам. Одним из профессоров, чья работа привлекла внимание Миллера, стал Эдвард Теллер, изучавший синтез химических элементов в звездах.
Однако тот Стэнли Миллер, о котором сегодня идет речь, «родился» осенью 1951 года, когда он стал посещать семинары профессора Гарольда Юри, уже на тот момент Нобелевского лауреата (за открытие дейтерия). Юри к тому времени увлекся космохимией, эволюцией химических элементов в звездах и планетах, составил предположение о составе ранней атмосферы Земли. Он полагал, что синтез органических веществ возможен в средах, подобных древней земной атмосфере. Эти идеи увлекли Миллера (настолько, что он помнил подробности лекций и десятилетия спустя), и он перешел со своими исследованиями к Юри.
Гарольд Юри
Wikimedia Commons
Тем самым Миллер занялся проблемой, которой притягивала множество ученых. О том, может ли живое возникнуть из неживого, спорили Уильям Гарвей, Франческо Реди, Луи Пастер, Ладзаро Спалланцани, Якоб Берцелиус, Фридрих Велер (и это даже не все, о ком мы уже писали в «Истории науки»).
Споры не утихли и в XX веке. Здесь большой вклад внес наш соотечественник, Александр Опарин. В 20-х годах он опубликовал статью «О возникновении жизни», в которой изложил свою теорию зарождения живого из «первичного бульона». Опарин предположил, что возникновение органических веществ возможно в зонах повышенной концентрации высокомолекулярных соединений. Когда такие зоны обзаводились оболочкой, частично отделяющей их от окружающей среды, они превращались в коацерватные капли - ключевое понятие теории Опарина - Холдейна (примерно в это же время схожие идеи развивал британский биолог Джон Холдейн). Внутри этих капель могут образовываться простые органические вещества, а вслед за ними и сложные соединения: белки, аминокислоты. Поглощая вещества из внешней среды, капли могут расти и делиться.
Однако вернемся к Миллеру. Его энтузиазм и желание устроить какой-нибудь эксперимент и проверить теорию у Юри поначалу сочувствия не нашли: не стоит аспиранту лезть в неизведанное, лучше, если он займется чем-нибудь попроще. В итоге профессор уступил, но дал Миллеру год. Не будет результатов, тему придется сменить.
Миллер принялся за работу: взял данные Юри о составе ранней атмосферы и предположил, что синтез необходимых для возникновения жизни соединений можно стимулировать электрическим разрядом (считается, что молнии были нередки на Земле и в древности). Установка состояла из двух колб, соединенных стеклянными трубками. В нижней колбе была жидкость, в верхней - смесь газов: метана, аммиака и водорода - и пара. К верхней колбе также были подсоединены электроды, создающие электрический разряд. В разных местах эту систему подогревали и охлаждали, и вещество непрерывно циркулировало.
Эксперимент Миллера - Юри
Wikimedia Commons
Через неделю остановили эксперимент и вынули колбу с охлажденной жидкостью. Миллер обнаружил, что 10-15% углерода перешло в органическую форму. С помощью бумажной хроматографии он заметил следы глицина (они появились уже на второй день эксперимента), альфа- и бета-аминопропионовой кислоты, аспаргиновой и альфа-аминомасляной кислот.
Миллер показал Юри эти скромно звучащие, но так много значащие результаты (они доказывали возможность появления органики в условиях ранней Земли), и ученые, хотя и не без проблем, опубликовали их в журнале Science. В авторах значился лишь Миллер, иначе, опасался Юри, все внимание достанется ему, нобелиату, а не настоящему автору открытия.
После публикации Миллер и Юри продолжили эксперименты, проверяя и дополняя результаты. Они установили еще девять аминокислот, возникающих при тех же условиях, плюс появление еще нескольких было под вопросом. Кроме того, они нашли и гидроксикислоты. Эти опыты стали повторять другие лаборатории, пробуя различные условия.
Опарин, которому на тот момент было почти 60 лет, не сразу поверил результатам опытов. Однако через несколько лет пригласил Миллера в Советский Союз. В условиях холодной войны для Миллера это было непростым решением. За советом он обратился к Юри, и тот, судя по его письму, больше опасался реакции со стороны сторонников Маккарти (сенатора, преследовавшего «коммунистов»), чем советских властей. Миллер приглашение принял, и все прошло благополучно.
В 1983 году он получил медаль имени А.И. Опарина, вручаемую Международным научным обществом по изучению возникновения жизни, а позднее стал его президентом (как когда-то и сам Опарин). В выбранной однажды области, синтеза органических соединений, Миллер работал всю оставшуюся жизнь. Уже после его смерти эксперимент повторили, выяснив, что таким образом можно получить не пять, а целых 22 аминокислоты.
Эксперимент Миллера - Юри - известный классический эксперимент, в котором симулировались гипотетические условия раннего периода развития Земли для проверки возможности химической эволюции. Был проведён в 1953 году Стэнли Миллером и Гарольдом Юри. Аппарат, спроектированный для проведения эксперимента, включал смесь газов, соответствующую тогдашним представлениям о составе атмосферы ранней Земли, и пропускавшиеся через неё электрические разряды.
Эксперимент Миллера - Юри считается одним из важнейших опытов в исследовании происхождения жизни на Земле. Первичный анализ показал наличие в конечной смеси 5 аминокислот. Однако более точный повторный анализ, опубликованный в 2008 году, показал, что эксперимент привёл к образованию 22 аминокислот.
Описание эксперимента
Собранный аппарат представлял собой две колбы, соединённые стеклянными трубками в цикл. Заполнявший систему газ представлял собой смесь из метана (CH 4), аммиака (NH 3), водорода (H 2) и монооксида углерода (CO). Одна колба была наполовину заполнена водой, которая при нагревании испарялась и водные пары попадали в верхнюю колбу, куда с помощью электродов подавались электрические разряды, имитирующие разряды молний на ранней Земле. По охлаждаемой трубке конденсировавшийся пар возвращался в нижнюю колбу, обеспечивая постоянную циркуляцию.
После одной недели непрерывного цикла Миллер и Юри обнаружили, что 10-15 % углерода перешло в органическую форму. Около 2 % углерода оказались в виде аминокислот, причём глицин оказался наиболее распространённой из них. Были также обнаружены сахара, липиды и предшественники нуклеиновых кислот. Эксперимент повторялся несколько раз в 1953-1954 годах. Миллер использовал два варианта аппарата, один из которых, т. н. «вулканический», имел определённое сужение в трубке, что приводило к ускоренному потоку водных паров через разрядную колбу, что, по его мнению, лучше имитировало вулканическую активность. Интересно, что повторный анализ проб Миллера, проведённый через 50 лет профессором и его бывшим сотрудником Джеффри Бейдом (англ. Jeffrey L. Bada) с использованием современных методов исследования, обнаружил в пробах из «вулканического» аппарата 22 аминокислоты, то есть гораздо больше, чем считалось ранее.
Миллер и Юри основывались в своих экспериментах на представлениях 1950-х годов о возможном составе земной атмосферы. После их экспериментов многие исследователи проводили подобные опыты в различных модификациях. Было показано, что даже небольшие изменения условий процесса и состава газовой смеси (например, добавления азота или кислорода) могли привести к очень существенным изменениям как образующихся органических молекул, так и эффективности самого процесса их синтеза. В настоящее время вопрос о возможном составе первичной земной атмосферы остаётся открытым. Однако, считается, что высокая вулканическая активность того времени способствовала выбросу также таких компонентов как диоксид углерода (CO 2), азот, сероводород (H 2 S), двуокись серы (SO 2).
Критика выводов эксперимента
Выводы о возможности химической эволюции, сделанные на основании данного эксперимента, подвергаются критике.
Как становится понятным, одним из основных аргументов критиков является отсутствие единой хиральности у синтезированных аминокислот. Действительно, полученные аминокислоты представляли собой практически равную смесь стереоизомеров, в то время как для аминокислот биологического происхождения, в том числе входящих в состав белков, весьма характерно преобладание одного из стереоизомеров. По этой причине дальнейший синтез сложных органических веществ, лежащих в основе жизни, непосредственно из полученной смеси затруднён. По мнению критиков, хотя синтез важнейших органических веществ был явно продемонстрирован, далекоидущий вывод о возможности химической эволюции, сделанный непосредственно из этого опыта, не вполне обоснован.
Много позже, в 2001 году, Алан Сагательян показал, что самореплицирующиеся пептидные системы в состоянии эффективно усиливать молекулы определённого вращения в рацемической смеси, показав таким образом, что преобладание одного из стереоизомеров могло возникнуть естественным образом. Кроме того, показано, что существует возможность спонтанного возникновения хиральности в обычных химических реакциях, известны также пути синтеза ряда стереоизомеров, в том числе, углеводородов и аминокислот, в присутствии оптически активных катализаторов. Впрочем, непосредственно в данном эксперименте ничего подобного в явном виде не произошло.
Проблему хиральности пытаются решить иными способами, в частности, через теорию занесения органики метеоритами.
Биохимик Роберт Шапиро указал, что аминокислоты, синтезированные Миллером и Юри, значительно менее сложные молекулы, чем нуклеотиды. Самая простая из тех 20 аминокислот, что входят в состав природных белков, имеет всего два углеродных атома, а 17 аминокислот из того же набора - шесть и более. Аминокислоты и другие молекулы, синтезированные Миллером и Юри, содержали не более трех атомов углерода. А нуклеотиды в процессе подобных экспериментов вообще никогда не образовывались.
Первые эксперименты, моделирующие первичную атмосферу Земли, были поставлены в 1953 г. американским ученым Стэнли Миллером (род. в 1930 г.). Его установка представляла собой колбу, внутри которой создавались электрические разряды. В колбе находилась вода и различные газы, предположительно входящие в состав первичной атмосферы (водород, метан, аммиак и др.). Свободный кислород в системе отсутствовал. При нагревании в установке происходила постоянная циркуляция водяного пара и газов. После нескольких дней эксперимента в колбе образовывались простейшие органические соединения: аминокислоты (строительный материал для белков), азотистые основания (компоненты нуклеиновых кислот) и некоторые другие вещества. Их концентрация возрастала по мере убывания исходных компонентов.
Вслед за опытами Миллера последовали другие эксперименты. Варьировался состав исходной смеси, источники энергии, длительность опытов, вводились различные катализаторы. Было показано, что подобные реакции происходят даже при обычном нагревании, при этом среда может быть как водной, так и безводной.
Биогенез
Разнообразие экспериментов позволяет предположить, что неорганический синтез органических соединений мог быть достаточно распространенным явлением в прошлом нашей планеты. При этом в качестве исходной среды для подобных процессов рассматривались различные природные системы. Так, академик А. И. Опарин считал, что такие реакции происходили в морях и океанах и сопровождались увеличением концентрации образующихся органических веществ, при этом водная среда становилась «первичным бульоном», способным к дальнейшей эволюции.
Однако образование органических молекул и их полимеризация являются только началом в длинной цепочке эволюции, которая привела к появлению первых живых клеток, поскольку отдельно взятый белок еще не обладает специфическими свойствами, присущими организму в целом. Поэтому на смену химической эволюции должна была прийти биологическая.
Процесс возникновения и эволюции живых систем называется биогенезом.
Рассмотренный выше неорганический синтез органических соединений является начальной стадией биогенеза.
Последующие этапы эволюции
Согласно гипотезе А. И. Опарина, предками настоящих клеток были протоклеточные структуры, способные к простейшему обмену с окружающей средой. Они образовывались по мере накопления в исходной среде органических молекул. Этот процесс называется коацервацией, т.е. объединением в небольшие комплексы, называемые коацерватами (от латинского coacervus – сгусток). Механизм коацервации связан с поляризованностью молекул многих органических веществ. Взаимодействие нескольких таких молекул приводит к сближению их полярных концов и образованию «коацерватной капли».
Возникающие коацерваты обладали значительно бóльшими возможностями, чем отдельные молекулы, поскольку могли поглощать из окружающей среды другие вещества. Если вещество оказывалось вредным, коацерват распадался, а если оно усваивалось, коацерват увеличивался в размерах и изменял свою структуру. Этому способствовало появление примитивных мембран, роль которых играли липидоподобные соединения. К ним относятся поверхностно-активные вещества, которые в силу полярности своих молекул стремятся образовывать мономолекулярные пленки на поверхности раздела двух сред. Мембраны не только выполняли защитные функции, но и способствовали дальнейшему обособлению коацерватов от окружающей среды и сохранению постоянства своего внутреннего состава.
В ходе химической эволюции коацерваты при увеличении своих размеров приобрели способность распадаться на дочерние капли, сохраняющие особенности и химический состав материнского комплекса. Параллельно шла дифференциация свойств молекул внутри коацерватов: белки оказались способными регулировать ход химических реакций, приводящих к появлению новых органических веществ, а нуклеотидные цепи постепенно приобрели возможность удваиваться по принципу дополнения. Дальнейшая эволюция этих важнейших свойств привела к появлению наследственного генетического кода, несущего информацию о строении белковых молекул. Таким образом, развитие коацерватов привело к появлению первых примитивных прокариотических клеток. Это произошло более 4 млрд. лет назад.
Прокариотические клетки – примитивно устроенные клетки, не имеющие клеточного ядра, генетический материал (ДНК) которых находится прямо в цитоплазме.
Эти клетки типичны для организмов – прокариотов, к которым в настоящее время относятся некоторые бактерии и сине-зеленые водоросли.
Прокариоты были гетеротрофами, т.е. в качестве источника энергии использовали органическое вещество первичного бульона. Они существовали в условиях бескислородной атмосферы, поэтому их метаболизм был анаэробным.
Анаэробный метаболизм – обмен веществ и энергии, протекающий в отсутствие атмосферного кислорода.
Постепенно запасы органических веществ, необходимых для питания, истощались, и у некоторых клеток возникла способность использовать солнечную энергию для синтеза органических веществ из неорганических соединений углерода. Так появились автотрофы – организмы, способные к фотосинтезу.
Фотосинтез – процесс преобразования солнечной энергии в энергию химических связей органических веществ.
Источником углерода, входящего в состав органических молекул, служит углекислый газ. В качестве источника водорода зеленые растения используют воду, при разложении которой в атмосферу выделяется кислород.
Сначала фотосинтез шел без образования молекулярного кислорода. В ходе дальнейшей эволюции организмы стали выделять кислород. Это произошло около 4 млрд. лет назад.
Обогащение атмосферы свободным кислородом привело со временем к образованию озона, поглощающего коротковолновое ультрафиолетовое излучение, опасное для живых организмов. Кроме того, возник аэробный способ метаболизма – дыхание, при котором расщепление органических веществ происходит с участием кислорода. Он характерен для большинства современных растений, животных и микроорганизмов. Энергетический выход таких реакций в несколько раз больше, чем в реакциях брожения (например, расщепление глюкозы при брожении дает энергию 50 кал/моль, а при дыхании – 686 кал/моль).
В дальнейшем происходило усложнение клеточного строения и около 2 млрд. лет назад появились первые эукариотические клетки.
Эукариотические клетки – сложные клетки, имеющие ядро и большое число внутриклеточных структур (митохондрии, хлоропласты и пр.).
Эукариотические клетки характерны для организмов – эукариотов, к которым относится большинство современных форм жизни.
Был предложен механизм возникновения эукариотов на основе симбиоза гетеротрофной анаэробной клетки и клетки, способной к дыханию. Затем, к поверхности клетки присоединилась жгутикоподобная бактерия, что привело к увеличению подвижности организма, предка современных жгутиковых простейших. Это были первые животные клетки.
Следующим эволюционным шагом в развитии организмов стало появление многоклеточных форм жизни примерно 1,3 млрд. лет назад. По мнению известного русского биолога И. И. Мечникова (1845 – 1916), первые многоклеточные произошли от колониальных простейших – жгутиковых. В некоторых таких колониях реализуется примитивное функциональное разделение клеток (клетки, поглощающие добычу и клетки, отвечающие за размножение), но при этом каждая клетка является отдельной особью. В процессе своего развития отдельные виды колоний одноклеточных простейших превратились в примитивные, но целостные организмы.
