Сторонники биохимической эволюции. Теория биохимической эволюции, ее плюсы и минусы

Вода, постоянно испаряясь с поверхности Земли, конденсировалась в верхних слоях атмосферы и вновь выпадала в виде дождей на раскалённую земную поверхность. Постепенное снижение температуры привело к тому, что на Землю обрушились ливни, сопровождающиеся непрерывными грозами. На земной поверхности начали образовываться водоёмы. В горячей воде растворялись атмосферные газы и те вещества, которые вымывались из земной коры. В атмосфере из её компонентов под действием частых и сильных электрических грозовых разрядов, мощного ультрафиолетового излучения, активной вулканической деятельности, которая сопровождалась выбросами радиоактивных соединений, образовывались простейшие органические вещества (формальдегид, глицерин, некоторые аминокислоты, мочевина, молочная кислота и др.). Так как в атмосфере свободного кислорода ещё не было, эти соединения, попадая в воды первичного океана, не окислялись и могли накапливаться, усложняясь в строении и образуя концентрированный «первичный бульон». Это продолжалось в течение десятков

миллионов лет (рис. 49).
В 1953 г. американский учёный Стэнли Миллер осуществил эксперимент, в котором смоделировал условия, существовавшие на Земле 4 млрд лет назад (рис. 50). В качестве источника энергии вместо грозовых разрядов и ультрафиолетового излучения учёный использовал электрический разряд высокого напряжения (60 тыс. вольт). Пропускание разряда в течение нескольких дней соответствовало по количеству энергии периоду в 50 млн лет на древней Земле. После окончания эксперимента в сконструированной установке были обнаружены органические соединения: мочевина, молочная кислота и некоторые простые аминокислоты.

Рис. 50. Эксперимент С. Миллера, имитирующий условия первичной атмосферы Земли

«Проблема происхождения и сущности жизни» - Вирус обладает очень сложной внутренней структурой. Микроскопические наблюдения. В организме человека, весящего 70 кг, содержится 45,5 кг кислорода. Свойство хиральности. Messenger RNA. Живое отличается от неживого клеточными строением. Теоретический подход. Естественноисторический подход. Критика идей спонтанного зарождения жизни. Биополимеры. Синтез комплементарной цепи ДНК. Креационизм. Концепция самопроизвольного (спонтанного) зарождения жизни.

«Теории появления жизни» - Теория биохимической эволюции Опарина. Ван Гельмонт. Гипотеза стационарного состояния. Теории происхождения жизни. Гипотеза биопоэза. Свойства белка. Гипотеза панспермии. Что такое жизнь. Французский микробиолог Луи Пастер. Гипотеза самопроизвольного зарождения жизни на Земле. Коацерват. Биогенный способ. Происхождение жизни на Земле. Гипотеза биохимической эволюции. Абиогенный способ. Креационизм.

«Теории происхождения жизни на Земле» - Живое возникает из неживого. Плюрализм. Видеофрагмент. Определите правильность суждений. Подумайте. Все живое из живого. Основные свойства живых организмов. Опыт С.Фокса. Гипотезы происхождения жизни. Гипотеза стационарного состояния. Химическая гипотеза. Определение жизни М.Волькенштейна. Опыт Луи Пастера. Спаллацани. Определение жизни Ф.Энгельса. Образование коацерватов. Гипотеза панспермии. Гипотеза креационизма.

«Древнейшие организмы на Земле» - В каком периоде мы с вами живем. Теория божественного происхождения. Класс Двустворчатые Моллюски. Современные представители. Строение тела трилобитов. Кораллы. Тип Брахиоподы. Теория самозарождения. Черты сходства. Теории возникновения жизни на земле. Гребенчатый замок. Ян Баптист Ван Гельмонт. Понятие о геохронологической таблице. Создал собственную теорию. Перечень временных подразделений. Представители класса двустворчатых моллюсков.

«Гипотезы возникновения жизни на Земле» - Вода является основой жизни. Гипотеза панспермии. Космическое зарождение жизни. Франческо Реди. Живое может зародиться из неживого. Сущность абиогенеза. Самопроизвольное зарождение жизни. Гипотеза креационизма находится вне поля научных изысканий. Гипотезы самозарождения жизни. Существует несколько гипотез происхождения жизни на Земле. Луи Пастер. 2 взаимоисключающие точки зрения. Опыты Луи Пастера.

«Как возникла жизнь на Земле» - Опыт С. Миллера. Теория стационарного состояния. Самопроизвольное зарождение жизни. Микроорганизмы. Л.Пастер. Теория биохимической эволюции. Панспермия. Витализм. Возникновение жизни на Земле. Креационизм. Концепция биогенеза. Теория А.И. Опарина. Ф.Реди. Атмосфера Земли. Естественное происхождение жизни. Теории происхождения жизни. Изменение атмосферы Земли. Жизнь на Земле. Л.Спалланцани. Ван Гельмонт.

Эволюция жизни на Земле

Проблема происхождения жизни на Земле принадлежат к числу величайших проблем естествознания. Эта проблема привлекала к себе внимание человека с незапамятных времен. Однако в разные эпохи и на разных ступенях развития человеческой культуры эта проблема решалась по-разному. Теории, касающиеся возникновения Земли, да и всей вселенной разнообразны и далеко недостоверны. Вот основные из них:

1. Креационизм. Согласно этой идее жизнь была создана творцом (от лат. слова create – создавать).

2. Гипотеза стационарного состояния. Жизнь, как и сама Вселенная, существовала не всегда и будет существовать вечно, поскольку не имеет начала и конца.

3. Гипотеза самопроизвольного зарождения, согласно которой жизнь возникает самопроизвольно из неживой материи.

4. Теория панспермии – идея о том, что жизнь была занесена на Землю извне, из космоса. Надо сказать, что эта теория является популярной и до сих пор среди ученых.

Все эти теории по большей части умозрительны и не имеют прямых доказательств. В настоящее время нет единого мнения по вопросу о происхождении жизни среди ученых. Наиболее широкое признание в современной науке получила гипотеза, сформулированная советским ученым акад. А. И. Опариным и английским ученым Дж. Холдейном.

Теория биохимической эволюции

(биохимическая теория происхождения жизни)

В 1923 году советский ученый Опарин высказал мнение, что атмосфера Земли была не такой, как сейчас. Исходя из теоретических соображений, он предположил, что жизнь возникла постепенно из неорганических веществ путем длительной молекулярной эволюции.

1. Считают, что Земля и другие планеты солнечной системы образовались из газово-пылевого облака около 4,5 млрд лет назад. На первых этапах своего существования Земля имела очень высокую температуру. По мере остывания планеты тяжелые элементы перемещались к центру, а более легкие оставались на поверхности. Например, атомы железа концентрировались в центре (по мнению ученых, в настоящее время ядро земли состоит из расплавленного, разогретого до нескольких тысяч градусов С о железа, по размерам в 2 раза меньше Луны). Менее тяжелые атомы кремния и алюминия образуют земную кору. Самые легкие оставались во внешних слоях облака и формировали первичную атмосферу Земли. Она состояла из свободного Н 2 и его соединений: воды, метана, аммиака и НСN и поэтому носила восстановительный характер (соединения водорода легко вступают в химические реакции, отдавая водород и при этом сами окисляются).

Компоненты атмосферы подвергались воздействию различных источников энергии:

· Жесткому, близкому к рентгеновскому коротковолновому излучению Солнца

· Грозовым разрядам

· Высокой температуры в области грозовых разрядов и вулканической деятельности (т.е. горячей лавы, горячих источников, гейзеров)

· Ударным волнам от метеоритов, попадающих в земную атмосферу.

В результате этих воздействий химически простые компоненты атмосферы вступали во взаимодействие, изменяясь и усложняясь. Возникли молекулы сахаров, аминокислот, азотистые основания, органические кислоты (уксусная, муравьиная, молочная) и другие простые органические соединения.

Отсутствие в атмосфере кислорода и восстановительная среда являлись необходимым условием возникновения органических молекул небиологическим путем. Кислород взаимодействует с органическими веществами и разрушает их или лишает тех свойств, которые были бы полезны для предбиологических систем. Поэтому, если бы органические молекулы на первобытной Земле соприкасались с кислородом, то они существовали бы недолго и не успевали бы образовывать более сложные структуры.

В 1953 году Стенли Миллер в ряде экспериментов моделировал условия, предположительно существовавшие на первобытной Земле. В герметичной колбе были созданы условия атмосферы (пары воды, аммиака, метана, синильной кислоты, углекислый газ). Бесцветное содержимое колбы подвергалось действию высоких температур, электрических разрядов и в результате приобретало красный оттенок, за счет образования жирных кислот, мочевины, сахаров и аминокислот.

Другие ученые проводили подобные эксперименты, используя разные источники энергии. Во всех экспериментах при отсутствии кислорода удавалось получить широкий набор различных органических продуктов. Особое внимание у исследователей вызывала возможность образования аминокислот – ведь это строительный материал белковых молекул. В дальнейшем оказалось, что абиогенным путем могут быть синтезированы многие простые соединения, входящих в состав биологических полимеров – белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов.

Возможность абиогенного синтеза органических соединений доказывается тем, что они обнаружены и в космическом пространстве. В космосе найдены цианистый водород, формальдегид, муравьиная кислота, метиловый и этиловые спирты и другие простые органические соединения. В некоторых метеоритах заключены жирные кислоты, сахара, аминокислоты. Эти соединения образуются и в настоящее время, когда газообразные продукты извержения вулканов и лава вступают в реакцию в водой.

Все это свидетельствует о том, что органические соединения могли возникать чисто химическим путем в условиях, существовавших на Земле около 4 млрд лет назад. Необходимыми условиями этого являются:

· Восстановительный характер атмосферы (отсутствие О 2)

· Высокая температура

· Источники энергии (УФ излучение Солнца, грозовые разряды и пр.)

2. Следующим этапом было образование полимеров из мономеров.

По мере охлаждения Земли, водяной пар, содержащийся в атмосфере, конденсировался, на поверхность Земли обрушивались дожди, образуя большие водные пространства. Реакция полимеризации первичных звеньев в водном растворе не идет, так как при соединении друг с другом двух аминокислот или двух нуклеотидов отщепляется молекула воды. Реакция в воде пойдет в обратную сторону. Скорость расщепления (гидролиза) биополимеров будет больше, чем скорость их синтеза. Ясно, что биополимеры не могли возникнуть сами в первичном океане.

Возможно, первичный синтез биополимеров шел при замораживании первичного океана или же при нагревании сухого его остатка.

Американский исследователь Сидней Фокс, нагревая до 130С сухую смесь аминокислот, показал, что в этом случае реакция полимеризации идет (выделяющаяся вода испаряется) и получаются искусственные протеиноиды, похожие на белки, имеющие до 200 и более аминокислот в цепи. Растворенные в воде, они обладали свойствами белков, представляли питательную среду для бактерий и даже катализировали (ускоряли) некоторые химические реакции, как настоящие ферменты.

Возможно, они возникали в предбиологическую эпоху на раскаленных склонах вулканов, а затем дожди смывали их в первичный океан. Есть и такая точка зрения, что синтез биополимеров шел непосредственно в первичной атмосфере и образующиеся соединения выпадали в первичный океан в виде частиц пыли.

Так возникли прообразы современных белков и нуклеиновых кислот. Среди случайно образующихся полипептидов могли быть такие, которые обладали каталитической активностью и могли ускорять процессы синтеза полинуклеотидов.

Биохимическая эволюция

Среди астрономов, геологов и биологов принято — считать, что возраст Земли составляет примерно 4,5-5 млрд. лет.

По мнению многих биологов, в далеком прошлом состояние нашей планеты было мало похоже на нынешнее: по всей вероятности, температура ее поверхности была очень высокой (4000-8000°С), и по мере того, как Земля остывала, углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались и образовали земную кору; поверхность планеты была, вероятно, голой и неровной, так как на ней в результате вулканической активности, непрерывных подвижек коры и сжатия, вызванного охлаждением, происходило образование складок и разрывов.

Полагают, что в те времена атмосфера была совершенно не такая, как теперь. Легкие газы — водород, гелий, азот, кислород и аргон — уходили из атмосферы, так как гравитационное поле нашей еще недостаточно плотной планеты не могло их удержать. Однако простые соединения, содержащие (среди прочих) эти элементы, должны были удерживаться; к ним относятся вода, аммиак, двуокись углерода и метан. До тех пор пока температура Земли не упала ниже 100°С, вся вода, вероятно, находилась в парообразном состоянии.

Атмосфера была, по-видимому, “восстановительной”, о чем свидетельствует наличие в самых древних горных породах Земли металлов в восстановленной форме, таких как двухвалентное железо. Более молодые горные породы содержат металлы в окисленной форме, например трехвалентное железо. Отсутствие в атмосфере кислорода было, вероятно, необходимым условием для возникновения жизни; лабораторные опыты показывают, что, как это ни парадоксально, органические вещества (основа живых организмов) гораздо легче создаются в восстановительной среде, чем в атмосфере, богатой кислородом.В 1923 г. А. И. Опарин высказал мнение, что атмосфера первичной Земли была не такой, как сейчас, а примерно соответствовала сделанному выше описанию. Исходя из теоретических соображений, он полагал, что органические вещества, возможно углеводороды, могли создаваться в океане из более простых соединений; энергию для этих реакций синтеза, вероятно, доставляла интенсивная солнечная радиация (главным образом ультрафиолетовая), падавшая на Землю до того, как образовался слой озона, который стал задерживать большую ее часть. По мнению Опарина, разнообразие

находившихся в океанах простых соединений, площадь поверхности Земли, доступность энергии и масштабы времени позволяют предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества и образовался тот “первичный бульон”, в котором могла возникнуть жизнь. Эта идея была не нова: в 1871 г. сходную мысль высказал Дарвин:

“Часто говорят, что все необходимые для создания живого организма условия, которые могли когда-то существовать, имеются и в настоящее время. Но если (ох, какое это большое “если”) представить себе, что в каком-то небольшом теплом пруду, содержащем всевозможные аммонийные и фосфорные соли, при наличии света, тепла, электричества и т.п. образовался бы химическим путем белок, готовый претерпеть еще более сложные превращения, то в наши дни такой материал непрерывно пожирался бы или поглощался, чего не могло случиться до того, как появились живые существа”.

В 1953 г. Стэнли Миллер в ряде экспериментов моделировал условия, предположительно существовавшие на первобытной Земле. В созданной им установке (рис. 24.1), снабженной источником энергии, ему удалось синтезировать многие вещества, имеющие важное биологическое значение, в том числе ряд аминокислот, аденин и простые сахара, такие как рибоза. После этого Орджел в Институте Солка в сходном эксперименте синтезировал нуклеотидные цепи длиной в шесть мономерных единиц (простые нуклеиновые кислоты).

Позднее возникло предположение, что в первичной атмосфере, в относительно высокой концентрации содержалась двуокись углерода. Недавние эксперименты, приведенные с использованием установки Миллера, н которую, однако, поместили смесь СО 2 и Н 2 О и только следовые количества других газов, дали такие же результаты, какие получил Миллер. Теория Опарина завоевала широкое признание, но она, оставляет нерешенными проблемы, связанные с переходом от сложных органических веществ к простым живым организмам. Именно в этом аспекте теория биохимической эволюции предлагает общую схему, приемлемую для большинства современных биологов. Однако они не пришли к единому мнению о деталях этого процесса.

Опарин полагал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежала белкам. Благодаря амфотерности белковых молекул они способны к образованию коллоидных гидрофильных комплексов -притягивают к себе молекулы воды, создающие вокруг них оболочку. Эти комплексы могут обособляться от всей массы воды, в которой они суспендированы (водной фазы), и образовывать своего рода эмульсию. Слияние таких комплексов друг с другом приводит к отделению коллоидов от водной среды — процесс, называемый коацервацией (от лат. coacervus — сгусток или куча). Богатые коллоидами коацерваты, возможно, были способны обмениваться с окружающей средой веществами и избирательно накапливать различные соединения, в особенности кристаллоиды. Коллоидный состав данного коацервата, очевидно, зависел от состава среды. Разнообразие состава “бульона” в разных местах вело к различиям в химическом составе коацерватов и поставляло таким образом сырье для “биохимического естественного отбора”.

Предполагается, что в самих коацерватах входящие в их состав вещества вступали в дальнейшие химические реакции; при этом происходило поглощение коацерватами ионов металлов и образование ферментов. На границе между коацерватами и внешней средой выстраивались молекулы липидов (сложные углеводороды), что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивавшей концерватам стабильность. В результате включения в коацерват пред существующей молекулы, способной к. самовоспроизведению, и внутренней перестройки покрытого липидной оболочкой коацервата могла возникнуть примитивная клетка. Увеличение размеров коацерватов и их фрагментация, возможно, вели к образованию идентичных коацерватов, которые могли поглощать больше компонентов среды, так что этот процесс мог продолжаться. Такая предположительная последовательность событий должна была привести к возникновению примитивного самовоспроизводящегося гетеротрофного организма, питавшегося органическими веществами первичного бульона.

Хотя эту гипотезу происхождения жизни признают очень многие ученые, астроном Фред Хойл недавно высказал мнение, что мысль о возникновении живого в результате описанных выше случайных взаимодействий молекул “столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над мусорной свалкой, может привести к сборке Боинга-747” 1 .

1 Самое трудное для этой теории — объяснить появление способности живых систем к самовоспроизведению. Гипотезы по этому вопросу пока мало убедительны.

Долгое время ученые со всех уголков мира вели ожесточенные дискуссии и споры по поводу того, как же все-таки возникла жизнь на земле. Кто-то говорил о креационизме, кто-то о панспермии, кто-то придерживался теории самозарождения или гипотезы стационарного состояния, однако лишь в 1924 году советский биохимик А.И. Опалов предложил знаменитую биохимическую теорию. Теория «Возникновения жизни. 1936» устроила большую часть ученых и сейчас она является официально признанной.

Формулировка теории биохимической эволюции

По данным теории биохимической эволюции, формирование жизни на Земле протекало в 3 этапа , и развитию усложненных форм живых организмов предшествовал очень долгий исторический процесс по взаимодействию и построению из органических молекул сложных соединений и образование уже из них различных форм жизни.

Три этапа формирования жизни на Земле:

1. Первым этапом был абиогенный синтез органических веществ . Это значит, что органические вещества образовались под воздействием внешней среды, наиболее важным фактором, при этом является ультрафиолетовое излучение, и из различных неорганических соединений.
2. Вторым этапом было формирование биополимеров их органических соединений.
3. И, последнее, формирование мембранных структур и самовоспроизведение.

Плюсы биохимической теории

• Одним из главных достоинств теории Опарина-Холдейна является ее последовательность , в ней нет моментов, когда произошло «что-то» и возникла жизнь:
  • Как всем известно, атмосфера первоначально состояла из легких газов, таких как гелий и водород, а со временем остывания земной коры, состав атмосферы поменялся. Газы стали более тяжелыми: водяной пар, аммиак, метан и углекислый газ. Когда земная кора остыла ниже 100 ºС, водяной пар сконденсировался и образовал мировой океан. По теории Опарина, именно в этот момент, в земных океанах, еще полных простых химических соединений, под влиянием вулканического тепла, ультрафиолета и многих других факторов окружающей среды начался процесс образования более сложных органических соединений, а затем биополимеров и прочих компонентов живых организмов.
  • В 1929 году теорию Опарина дополнил английский ученый Холдейн, который предположил, что первенство, то есть главную роль, в образовании жизни принадлежит не белкам, а нуклеиновым кислотам, входящим в состав ДНК всех живых организмов.
  • На самом деле, главную роль в образовании жизни сыграли не белки или нуклеиновые кислоты по отдельности, а их взаимодействие, благодаря чему у живых организмов проявились такие свойства, как самовоспроизведение, сохранение и передача наследственной информации.
• Эта теория является общепринятой в научном мире и принимается большинством ученых по всему миру:
  • Огромным преимуществом теории биохимической эволюции является ее распространенность и принятость в научных кругах. Это, конечно, неспроста.
  • В лабораторных условиях были проведены исследования, которые доказали, что теория Опарина-Холдейна является, если не правдой, то наиболее приближенной к правде.
• Огромным достоинством данной теории является ее проверяемость . В лабораторных условия теория была доказана и рассмотрена от первого до последнего этапа.
  • Стенли Миллер-студен Чикагского университета в 1953 году провел определенные исследования, воспроизведя в стеклянной колбе атмосферу первичной Земли и в течение недели, пропускал электрические разряды. К концу эксперимента в колбе были обнаружены а-аминокислоты, органические кислоты, у-оксимасляная кислота и мочевина. При последующем повторении эксперимента были получены отдельные нуклеотиды и короткие полинуклеотидные цепочки из 5-6 звеньев.
• В последнее время, благодаря быстро развивающейся науке стало возможным проведение многих исследований, которые позволили бы окончательно доказать или опровергнуть данную теорию.

Теория является почти полностью доказанной, она имеет много сторонников, но что же все-таки смущает некоторых ученых?

Минусы теории Опарина-Холдейна

Кроме весомых плюсов теория имеет достаточно сомнительные недостатки, которые не делают теорию официальной, но считают общепринятой:

• Например, одним из минусов теории биохимической эволюции является отсутствие объяснения возникновения механизма коацерватов полноценной, сформированной клетки.
• Отсутствие объяснения появления способности к самовоспроизведению тоже смущает ученых и оставляет вопрос открытым.
• Помимо этого, есть еще более важный аргумент ставящий теорию под сомнение: момент образования белковых структур имеет очень грубую неточность- как аминокислоты без участия ферментов смогли образовать эти самые белковые структуры? Как образовались первые ферменты? На каком этапе это произошло и что стало толчком к этому?

Все неточности не позволяют раз и навсегда ответить на вопрос возникновения жизни и признать данную теорию единственной верной.

Подведем итоги и дадим прогнозы

Теория биохимической эволюции впервые была сформирована не совсем в таком виде, какой мы знаем ее сейчас, она развивалась, дополнялась, проводились исследования молодых умов и теория двигалась вперед, позже даже приобрела двойную фамилию «Теория биохимической эволюции Опарина-Холдейна» . Это дает нам надежду, что со временем теория будет развита дальше, возможно, получит тройную фамилию и ответит на все вопросы, которые сейчас тревожат современных ученых.

Насколько известно, даже сейчас, в научных кругах, ищутся ответы на все неточности и проводятся все новые и новые исследования по обнаружению и получению ферментов, которые при взаимодействии с аминокислотами образовали бы те самые, первые белковые структуры.

Оглядываясь на бесконечно набирающий темп роста научного развития, можно с уверенностью сказать, что в течении 50 ближайших лет будут даны ответы на самые сложные вопросы образования вселенной, жизни, каждой клетки и каждого живого существа.