- Теория биохимической эволюции
- Абиогенное возникновение жизни
- Образование биологических полимеров и коацерватов
- Формирование мембранных структур
- Появление первых организмов
- знать имена создателей биохимической эволюции
- знать этапы биохимической эволюции
- уметь анализировать информацию
- уметь оперировать фактами и знаниями для понимания единой картины мира
Какие вы знаете полимерные молекулы?
Теория биохимической эволюции
Рис. 1. Компьютерная графика, мир 4 млрд лет назад
Принято считать, что возраст Земли составляет примерно 4,5–5 млрд лет. По мнению геологов, астрономов и биологов, состояние нашей планеты в прошлом сильно отличалось от прежнего. Температура поверхности составляла 4000–8000 ⁰С, по мере остывания формировалась земная кора. Атмосфера состояла из газообразной воды, аммиака, диоксида углерода и метана.
Рис. 2. А. Н. Опарин
Когда температура упала ниже 100 ⁰С, вода перешла в жидкое состояние и стала покрывать участки земной коры.
Там, предположительно, зародилась жизнь из абиогенного вещества. Случилось это единожды в истории планеты и, как считают учёные, не может повториться. А всё благодаря агрессивным внешним условиям и солнечной радиации, которая несла огромное количество энергии на Землю и не задерживалась озоновым слоем (его ещё не существовало). Мы рассмотрим основные этапы возникновения жизни в предполагаемых условиях.
Рис. 3. Джон Холдейн
Независимо друг от друга теорию биохимической эволюции разрабатывали российский химик А. Н. Опарин (1894–1980) и английский биолог Джон Холдейн (1892–1964).
Эта теория была принята научным миром, на её основе
в 1947 г. английский исследователь Джон Десмонд Бернал (1901–1971) сформулировал современную теорию возникновения жизни на земле, названную теорией биопоэза.
Рис. 4. Джон Десмонд Бернал
3 основные стадии биопоэза:
- Абиогенное возникновение органических мономеров.
- Образование биологических полимеров.
- Формирование мембранных структур и первичных организмов (пробионтов).
Абиогенное возникновение жизни
В 1953 г. Стенли Миллер в ряде экспериментов смоделировал условия, предположительно существовавшие на первобытной Земле. В созданной им установке (рис. 5) был подведён источник энергии, который имитировал солнечную радиацию и разряды молний первобытной атмосферы.
Рис. 5. Установка Стенли Миллера
В газовой камере была воссоздана атмосфера тех времён. Учёному удалось синтезировать ряд аминокислот, аденин и простые сахара, мочевину.
Считается, что похожим способом в первобытной атмосфере образовались первые органические вещества и, попадая в воду, накапливались и усложнялись в строении, образуя «первичный бульон». Такие процессы продолжались десятки миллионов лет.
Таким образом, экспериментально была доказана возможность появления органических молекул из неживой среды в условиях, которые существовали 4 млрд лет назад на нашей планете.
Образование биологических молекул и коацерватов
По-видимому, образовавшиеся органические мономеры накапливались в водной среде, их концентрация росла. Происходило слияние таких молекул друг с другом.
Рис. 6. Схема образования коацерватной капли
Оказалось, что такие комплексы соединений способны обособляться от воды. Такое явление носит название коацервация — слияние комплексов друг с другом, что приводит к отделению коллоидов от водной среды. Опарин полагал, что решающая роль в появлении крупных полимеров принадлежала белкам. Благодаря амфотерности белковых молекул они способны к образованию коллоидных гидрофильных комплексов, которые притягивают к себе молекулы воды, создающие вокруг них оболочку.
Современные биохимики считают важным моментом образование РНК из нуклеиновых кислот.
Коацерваты способны обмениваться со средой химическими веществами. Нуклеиновые кислоты взаимодействовали с белками, образуя устойчивые комплексы, которые были способы воспроизводить себя.
Коацерват — структура, обособленная от остальной массы воды.
Рис. 7. Формирование мембранных структур
Формирование мембранных структур
Для превращения коацерватных капель в живые организмы не хватало биологических мембран, которые отграничивали бы живую систему. На этапе формирования полимерных молекул образовывались липиды из жирных кислот, вступающих в реакцию со спиртами. Их было настолько много, что они покрывали поверхности водоёмов липидной плёнкой.
С нижней поверхности к липидной плёнке прикреплялись пептиды. При порывах ветра, при волнении водоёма поверхностная плёнка изгибалась, от неё отрывались пузырьки. Падая в водоём снова, только что образовавшийся пузырёк проходил через слой липидов, и, соответственно, ещё раз покрывался липидным слоем. Такая плёнка называется биологической мембраной, которая обособляет живую систему, упорядочивает её структуру.
Так появились первые живые организмы — пробионты.
Ещё не было клеточных механизмов для синтезирования энергии, поэтому пробионты были гетеротрофами.
Пробионты — примитивные гетеротрофные организмы.
Появление первых организмов
Первые живые организмы были одноклеточными, напоминали ныне существующих прокариот. Необходимую для жизни энергию получали, разлагая органические вещества первичного бульона, то есть были гетеротрофами. Так продолжалось достаточно длительное время, пока запасы органики не истощились. Теперь между гетеротрофами возникла жёсткая конкуренция, которая привела к образованию автотрофов. Последние научились преобразовывать солнечную радиацию в доступную энергию химических связей. Так появился фотосинтез. Затем появились цианобактерии, которые выделяли кислород как побочный продукт фотосинтеза. Кислород накапливался в воде, привёл к образованию озонового слоя и изменил состав атмосферы. Теперь организмы приспосабливались к жизни в новой среде. Так появились аэробы.
Параллельно усложнялись внутренние структуры организмов: появилось ядро, рибосомы и др. Первичные гетеротрофы вступали в симбиотические отношения с аэробами, которые принимали на себя роль энергетических станций внутри одноклеточных гетеротрофов. Считается, что так появились митохондрии и хлоропласты (рис. 8).
Рис. 8. Модель симбиогенеза
Обобщение
Рис. 9. Схема биохимической эволюции
Давайте ещё раз выстроим хронологию событий:
- Путём абиогенеза в экстремальных условиях возникли первые органические мономеры.
- Из мономеров образовались полимеры и коацерваты.
- Благодаря наличию мембраны появились пробионты.
- Появились и стали развиваться первые организмы.
Контрольные вопросы
- Почему в настоящее время невозможно возникновение жизни путём абиогенеза?
- В какой период возникли аэробные организмы?
- Какие имена учёных связаны с теорией биохимической эволюции?
- Расскажите, как возникли пробионты.
- Как шло усложнение примитивных гетеротрофов согласно биохимической теории?
- На планете нет таких условий среды. В природе в настоящее время существует огромное количество гетеротрофов, которые используют любое скопление органики в пищу. Коацерваты, которые ещё не имели оболочек, сразу бы начали разлагаться под действием кислорода.
- На этапе появления первых организмов.
- А. Н. Опарин, Джон Холдейн, Джон Десмонд Бернал, Стенли Миллер.
- Коацерват, находясь у поверхности водоёма, благодаря колебаниям покрылся мембранной.
- Путём симбиогенеза.