Теория биохимической эволюции
До середины XX в. многие ученые полагали, что органические соединения могут возникать только в живом организме. Именно поэтому их назвали органическими соединениями в противоположность веществам неживой природы - минералам, которые получили название неорганических соединений. Считалось, что органические вещества возникают только биогенно, а природа неорганических веществ совершенно иная, поэтому возникновение даже простейших организмов из неорганических веществ совершенно невозможно. Однако после того как из обычных химических элементов было синтезировано первое органическое соединение, представление о двух разных сущностях органических и неорганических веществ оказалось несостоятельным. В результате этого открытия возникли органическая химия и биохимия, изучающие химические процессы в живых организмах.

Кроме того, данное научное открытие позволило создать концепцию биохимической эволюции, согласно которой жизнь на Земле возникла в результате физических и химических процессов . В основу этой гипотезы были положены данные о сходстве веществ, входящих в состав растений и животных, о возможности в лабораторных условиях синтезировать органические вещества, составляющие белок.

Академик А.И. Опарин опубликовал в 1924 г. свой труд «Происхождение жизни», где была изложена принципиально новая гипотеза происхождения жизни. Суть гипотезы сводилась к следующему: зарождение жизни на Земле - длительный эволюционный процесс становления живой материи в недрах неживой. И произошло это путем химической эволюции, в результате которой простейшие органические вещества образовались из неорганических под влиянием сильнодействующих физико-химических факторов , и тем самым химическая эволюция постепенно поднялась на качественно новый уровень и перешла в биохимическую эволюцию.

Рассматривая проблему возникновения жизни путем биохимической эволюции, Опарин выделяет три этапа перехода от неживой материи к живой:

Синтез исходных органических соединений из неорганических веществ в условиях первичной атмосферы первобытной Земли;

Формирование в первичных водоемах Земли из накопившихся органических соединений биополимеров, липидов, углеводородов;

Самоорганизация сложных органических соединений, возникновение на их основе и эволюционное совершенствование процесса обмена веществ и воспроизводства органических структур, завершающееся образованием простейшей клетки.

Несмотря на всю экспериментальную обоснованность и теоретическую убедительность, концепция Опарина имеет как сильные, так и слабые стороны.

Сильной стороной концепции является достаточно точное соответствие ее химической эволюции, согласно которой зарождение жизни есть закономерный результат добиологической эволюции материи. Убедительным аргументом в пользу этой концепции выступает также возможность экспериментальной проверки ее основных положений. Это касается лабораторного воспроизведения не только предполагаемых физико-химических условий первичной Земли, но и коацерватов, имитирующих доклеточного предка и его функциональное особенности.

Слабая сторона концепции - это невозможность объяснить сам момент скачка от сложных органических соединений к живым организмам - ведь ни в одном из поставленных экспериментов получить жизнь так и не удалось. Кроме того, Опарин допускает возможность самовоспроизведения коацерватов при отсутствии молекулярных систем с функциями генетического кода. Иными словами, без реконструкции эволюции механизма наследственности объяснить процесс скачка от неживого к живому невозможно. Поэтому сегодня считается, что решить эту сложнейшую проблему биологии без привлечения концепции открытых каталитических систем, молекулярной биологии, а также кибернетики не получится

Сущность этой теории состоит в том, что биологической эволюции - т.е. появлению, развитию и усложнению различных форм живых организмов, предшествовала химическая эволюция - длительный период в истории Земли, связанный с появлением, усложнением и совершенствованием взаимодействия между элементарными единицами, «кирпичиками», из которых состоит все живое - органическими молекулами.

По мнению большинства ученых (в первую очередь астрономов и геологов), Земля сформировалась как небесное тело около 5 млрд лет назад путем конденсации частиц вращавшегося вокруг Солнца газопылевого облака.
В этот период Земля представляла собой раскаленный шар, температура поверхности которого достигала 4000-8000°С.
Постепенно, за счет излучения тепловой энергии в космическое пространство, Земля начинает остывать. Около 4 млрд лет назад Земля остывает настолько, что на ее поверхности формируется твердая кора; одновременно из ее недр вырываются легкие, газообразные вещества, поднимающиеся вверх и формирующие первичную атмосферу. По составу первичная атмосфера существенно отличалась от современной. Свободный кислород в атмосфере древней Земли отсутствовал, а в ее состав входили водород (Н 2), метан (СН 4), аммиак (NH 3), пары воды (Н 2 О), азот (N 2), окись и двуокись углерода (СО и С0 2).
Отсутствие в атмосфере первичной Земли свободного кислорода является важной предпосылкой возникновения жизни, поскольку кислород легко окисляет и тем самым разрушает органические соединения. Поэтому при наличии в атмосфере свободного кислорода накопление на древней Земле значительного количества органических веществ было бы невозможно.
Когда температура первичной атмосферы достигает 100°С, в ней начинается синтез простых органических молекул, таких, как аминокислоты, нуклеотиды, жирные кислоты , пр остые сахара, многоатомные спирты, органические кислоты и др. Энергию для синтеза поставляют грозовые разряды, вулканическая деятельность, жесткое космическое излучение и, наконец, ультрафиолетовое излучение Солнца, от которого Земля еще не защищена озоновым экраном, причем именно ультрафиолетовое излучение ученые считают основным источником энергии для абиогенного (т.е. проходящего без участия живых организмов) синтеза органических веществ.

При температуре первичной атмосферы ниже 100°С формируется первичный океан, начинается синтез простых органических молекул, а затем и сложных биополимеров. Прообразами живых организмов являются коацерватные капли, появившиеся в первичном океане и сформировавшими органический бульон. Коацерватные капли обладают некоторым подобием обмена веществ:

• могут избирательно впитывать из раствора некоторые вещества и выделять в окружающую среду продукты их распада и расти;
• по достижении определенного размера начинают «размножаться», отпочковывая маленькие капельки, которые, в свою очередь, могут расти и «почковаться»;
• в процессе перемешивания под действием волн и ветра могут покрываться оболочкой из липидов: одинарной, напоминающей мицеллы мыла (при однократном отрыве капли от поверхности воды, покрытой липидным слоем), либо двойной, напоминающей клеточную мембрану (при повторном падении капли, покрытой однослойной липидной мембраной, на липидную пленку, покрывающую поверхность водоема).

Процессы возникновения коацерватных капель, их роста и «почкования», а также «одевания» их мембраной из двойного липидного слоя легко моделируются в лабораторных условиях.

Таким образом процессы абиогенного синтеза органических молекул были воспроизв едены в модельных экспериментах.

В 1828 г. выдающийся немецкий химик Ф. Вёлер синтезировал органическое вещество - мочевину из неорганического - циановокислого аммония.

В 1953г. молодой американский исследователь, студент-дипломник Чикагского университета Стенли Миллер воспроизвел в стеклянной колбе с впаянными в нес электродами первичную атмосферу Земли, которая, по мнению ученых того времени, состояла из водорода метана СН 4 , аммиака NH 3 , и паров воды Н 2 0. Через эту газовую смесь С. Миллер в течение недели пропускал электрические разряды, имитирующие грозовые. По окончании эксперимента в колбе были обнаружены α-аминокислоты (глицин, аланин, аспарагин, глутамин), органические кислоты (янтарная, молочная, уксусная, гликоколовая), у-оксимасляная кислота и мочевина. При повторении опыта С. Миллеру удалось получить отдельные нуклеотиды и короткие полинуклеотидные цепочки из пяти-шести звеньев.

Дж. Оро при умеренном нагревании смеси водорода, углерода, азота, NH 3 , H 2 O получил аденин, а при взаимодействии аммиачного раствора мочевины с соединениями, возникающими из газов под влиянием электрических разрядов, - урацил.

Л. Орджел (1980-е г.) в сходных экспериментах синтезировал нуклеотидные цепи длиной в шесть мономерных единиц.

С. Акабюри получил полимеры простейших белков.

Абиогенный синтез органических молекул может происходить на Земле и в настоящее время (например, в процессе вулканической деятельности). При этом в вулканических выбросах можно обнаружить не только синильную кислоту HCN, являющуюся предшественником аминокислот и нуклеотидов, но и отдельные аминокислоты, нуклеотиды и даже такие сложные по строению органические вещества, как порфирины. Абиогенный синтез органических веществ возможен не только на Земле, но и в космическом пространстве. Простейшие аминокислоты обнаружены в составе метеоритов и комет.

Основные Гипотезы происхождения жизни на земле.

Биохимическая эволюция

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

По мнению многих биологов, в прошлом состояние нашей планеты было мало похоже на нынешнее: вероятно температура на 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, подвижек и сжатий коры, вызванных охлаждением, происходило образование складок и разрывов.

Полагают, что гравитационное поле еще недостаточно плотной планеты не могло удерживать легкие газы: водород, кислород, азот, гелий и аргон, и они уходили из атмосферы. Но простые соединения, содержащие среди прочих эти элементы (вода, аммиак, CO2 и метан). До тех пор, пока температура Земли не упала ниже 100°C, вся вода находилась в парообразном состоянии. Отсутствие кислорода, вероятно, было необходимым условием для возникновения жизни; как показывают лабораторные опыты, органические вещества (основа жизни) гораздо легче образуются в атмосфере бедной кислородом.

В 1923 г. А.И. Опарин, исходя из теоретических соображений, высказал мнение, что органические вещества, возможно углеводороды, могли создаваться в океане из более простых соединений. Энергию для этих процессов поставляла интенсивная солнечная радиация, главным образом ультрафиолетовое излучение, падавшее 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 «первичный бульон», в котором могла возникнуть жизнь.

Понять происхождение человека нельзя, не поняв происхождение жизни. А понять происхождение жизни можно, лишь поняв происхождение Вселенной.

Сначала был большой взрыв. Этот взрыв энергии произошел пятнадцать миллиардов лет назад.

Эволюцию можно представить себе в виде Эйфелевой башни. В основании - энергия, выше - материя, планеты, затем жизнь. И наконец на самой верхушке - человек, самое сложное и позже всех появившееся животное.

Ход эволюции:

15 млрд лет назад: рождение Вселенной;

5 млрд лет назад: рождение Солнечной системы;

4 млрд лет назад: рождение Земли;

3 млрд лет назад: первые следы жизни на Земле;

500 млн лет назад: первые позвоночные;

200 млн лет назад: первые млекопитающие;

70 млн лет назад: первые приматы.

Согласно этой гипотезе, предложенной в 1865г. немецким ученым Г. Рихтером и окончательно сформулированной шведским ученым Аррёниусом в 1895 г., жизнь могла быть занесена на Землю из космоса. Наиболее вероятно попадание живых организмов внеземного происхождения с мётеоритами и космической пылью. Это предположение основывается на данных о высокой устойчивости некоторых организмов и их спор к радиации, глубокому вакууму, низким температурам и другим воздействиям.

В 1969 году в Австралии был найден метеорит "Мэрчисон". Он содержал 70 неповрежденных аминокислот, восемь из которых входят в состав человеческого белка!

Многие ученые могли возразить, что белки, окаменевшие при вхождении в атмосферу, были мертвы. Однако недавно был открыт прион, белок, который выдерживает очень высокие температуры . Прион сильнее вируса и способен гораздо быстрее передавать болезнь. Согласно теории Панспермии человек каким то образом берет начало от вируса внеземного происхождения, поразившего обезьян, которые в результате мутировали.

Теория самопроизвольного зарождения жизни

Эта теория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне и Египте в качестве альтернативы креационизму, с которым она сосуществовала.

Аристотель (384 – 322 гг. до н. э.), которого часто провозглашают основателем биологии, придерживался теории спонтанного зарождения жизни. На основе собственных наблюдений он развивал эту теорию дальше, связываю все организмы в непрерывный ряд – «лестницу природы». «Ибо природа совершает переход от безжизненных объектов к животным с такой плавной последовательностью, поместив между ними существа, которые живут, не будучи при этом животными, что между соседними группами, благодаря их тесной близости, едва можно заметить различия» (Аристотель).

Согласно гипотезе Аристотеля о спонтанном зарождении, определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм. Аристотель был прав, считая, что это активное начало содержится в оплодотворенном яйце, но ошибочно полагал, что оно присутствует также в солнечном свете , тине и гниющем мясе.

«Таковы факты – живое может возникать не только путем спаривания животных, но и разложением почвы. Так же обстоит дело и у растений: некоторые развиваются из семян, а другие как бы самозарождаются под действием всей природы, возникая из разлагающейся земли или определенных частей растений» (Аристотель).

С распространением христианства теория спонтанного зарождения жизни оказалась не в чести: ее признали лишь те, кто верил в колдовство и поклонялся нечистой силе , но эта идея все продолжала существовать где-то на заднем плане в течение еще многих веков.

Теория стационарного состояния

Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно, она всегда способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень мало. Виды также существовали всегда.

Оценки возраста земли сильно варьировали – от примерно 6000 лет по расчетам архиепископа Ашера до 5000 10 в 6 степени лет по современным оценкам, основанным на учете скоростей радиоактивного распада. Более совершенные методы датирования дают все более высокие оценки возраста Земли, что позволяет сторонникам теории стационарного состояния считать, что Земля существовала вечно. Согласно этой теории, виды также никогда не возникали, они существовали всегда и у каждого вида есть лишь две альтернативы – либо изменение численности, либо вымирание.

Сторонники этой теории не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводят в качестве примера представителя кистеперых рыб – латимерию. Сторонники теории стационарного состояния утверждают, что только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми остатками, можно делать вывод о вымирании, да и в этом случае весьма вероятно, что он окажется неверным. Используя палеонтологические данные для подтверждения теории стационарного состояния, ее немногочисленные сторонники интерпретируют появление ископаемых остатков в экологическом аспекте (увеличение численности, миграции в места благоприятные для сохранения остатков и т. п.). Большая часть доводов в пользу этой теории связана с такими неясными аспектами эволюции, как значение разрывов в палеонтологической летописи, и она наиболее подробно разработана именно в этом направлении.

Креационизм

Креационизм (лат. сгеа - создание). Согласно этой концепции, жизнь и все населяющие Землю виды живых существ являются результатом творческого акта высшего существа в какое-то определенное время . Основные положения креационизма изложены в Библии, в Книге Бытия. Процесс божественного сотворения мира мыслится как имевший место лишь единожды и поэтому недоступный для наблюдения. Этого достаточно, чтобы вынести всю концепцию божественного сотворения за рамки научного исследования . Наука занимается только теми явлениями, которые поддаются наблюдению, а поэтому она никогда не будет в состоянии ни доказать, ни отвергнуть эту концепцию.

Теория водного происхождения человека

Она гласит: человек произошел прямо из воды. Т.е. мы когда то были чем-то вроде морских приматов, или гуманоидными рыбами.

«Водную теорию» происхождения человека выдвинул Алистер Харди (1960), а развивала Элейн Морган. После чего идею транслировали многие популяризаторы, например, Ян Линдблад и легендарный подводник Жак Майоль. По мнению Харди и Морган, одним из наших предков была большая обезьяна миоцена из семейства проконсулов, которая, прежде чем стать земной, много миллионов лет обитала в воде.

В пользу происхождения «водной обезьяны» приводятся такие особенности человека:

1. Способность задерживать дыхание, апноэ (в том числе во время вокализации) делает человека ныряльщиком.

2. Работа ловкими кистями и использование орудий сходно с поведением енота-полоскуна и калана.

3. Переходя вброд водоемы, приматы встают на задние конечности . Полуводный образ жизни способствовал развитию прямохождения.

4. Утрата волосяного покрова и развитие подкожного жира (у человека в норме он толще, чем у других приматов) - характерны для водных млекопитающих.

5. Большая грудь помогала удерживать в воде корпус и согревать сердце.

6. Волосы на голове помогали удерживаться младенцу.

7. Удлиненная стопа помогала плавать.

8. Между пальцами рук есть кожная складка.

9. Сморщив нос, человек может закрыть ноздри (обезьяны – нет)

10. Ухо человека меньше набирает воду

И еще например если новорожденного поместить в воду сразу после того как он покинет материнское лоно, он будет себя отлично чувствовать. Он уже умеет плавать. Ведь чтобы новорожденный перешел от стадии рыбы к стадии млекопитающего дышащего воздухом его нужно похлопать по спине.

50 млн лет назад дельфины вышли из воды и стали сухопутными животными. А потом по неизвестным причинам решили вернуться в воду. Нам остается лишь последовать их примеру.

Трансформизм

Выдвинута в 1815 году Жаном Батистом Ламарком

Изменения внешней среды влекут за собой изменение клеток.

Разлом вынудил(!!) первых доисторических людей жить в безлесной саванне. Они не могли более взбираться на деревья, спасаясь от хищников. Люди вынуждены были встать на задние лапы , чтобы издалека видеть врага в высокой траве . Постоянно опасаясь нападения, люди выпрямились и превратились из "животных, в основном живущих на деревьях и иногда принимающихвертикальное положение" в "прямоходящих животных иногда взирающихся на деревья".

Использование нижних конечностей освободило верхние лапы, теперь в руках можно было держать палку и использовать ее как оружие.

Прямохождение открыло эру и других изменений, в частности в костяке.Таз сделался корзиной для внутренностей. Раньше соединение позвоночного столба и черепа было горизонтальным. Теперь оно стало вертикальным, и объем черепа увеличился, так как спинной мозг больше не мешал ему.

За 2 млн лет объем мозга вырастает с 450 до 1000 кубических сантиметров, затем от 1000 до современных 1450.

У нас почти не осталось шерсти. Шерсть была нужна чтобы младенцы могли вцепиться в живот матери. Это стало ненужным, когда матери смогли взять детей на руки. И шерсть осталась на макушке черепа для защиты от солнца. Над глазами (брови) защита от дождя.

Отличие от дарвинизма в том что, дарвинисты считают, что люди - это животные, у которых случайно оказался ген, позволивший им встать на задние лапы. А ламаркисты считают, что любое животное если это необходимо, может трансформировать свои гены.

Идеи Ламарка дают каждому надежду на лучшее. А Дарвин, если ты представитель не самого удачного вида, не оставляет тебе шанса.

Развиваясь в течение 9 мес, зародыш человека проживают всю историю своего вида.

12-тидневный эмбрион напоминал крошечного удлиненного червяка с большими глазами . Похож на зародыш рыбы.

Когда человеческому эмбриону тридцать один день, он похож на ящерицу, в 9 недель - на детеныша землеройки, в 18 недель ничем не отличается от зародыша обезьяны.

Дарвинизм

Материалистическая теория эволюции (исторического развития) органического мира Земли, основанная на воззрениях Ч. Дарвина.

Два основных двигателя эволюции. Первое- случай , второе - отбор видов. Природа ставила одновременно тысячи эксперементов. А естественный отбор затем устраняет наименее приспособленных.

Картина истории предков человека.

70 млн лет назад: появление первых приматов. Они были насекомоядными и очень походили на землероек.

40 млн лет назад; появление первых лемуров.У этих животных уже были характерные для человека черты: отстоящий большой палец , поские ногти, плоское лицо. Расположенный под углом к ладони большой палец позволяет хватать предметы и пользоваться ими как инструментами. Плоские ногти вместо когтей дают возможность сжимать кулак. У лемуров у первых появилась кисть руки.Благодаря плоским лицам лемуры начали видеть объемно. Животные, у которых глаза расположены по бокам морды, не могут определять расстояние и различать рельеф. Улемуров морда перестала быть вытянутой, и глаза окаались на одной плоскости. Лемуры обрели возможность видеть мир в трех измерениях.

20 млн лет назад лемуров обогнали обезьяны, их гораздо более ловкие мутировавшие кузены.

Примерно между 4,4 и 2,8 млн лет тому назад, появляется ветвь обезьян-австралопитеков, из которых позднее вышли люди. Человек стал отличаться от гориллы или шимпанзе благодаря изменениям климата. Обезьяны населяли Восточную Африку, где произошло землятресение, спровоцировавшее разлом почвы, так называемый рифт. Разлом вызвал образование трех особых климатических зон: зону густых лесов, гористую зону, зону саванн с редкой растительностью. В густых лесах выжили только предки шимпанзе, в горах предки горилл, а в зоне саванн с редкой растительностью - австралопитеки, то есть наши предки.

Основным различием между австралопитеком и доисторической гориллой или шимпанзе было исчезновение хвоста, необходимого для того, чтобы удерживать равновесие при прыжках с ветки на ветку. Дотронетесь до вашего копчика. Этот бесполезный маленький обрубок хвоста внизу спины - последний признак древесной обезьяны, которой человек был до появления разлома.

Отсутствие хвоста - не единственное различие между человеком и обезьяной. Постепенно распрямился торс, увеличился объем черепа, лицо сделалось плоским, и у человека повилось стереоскопическое зрение. Не забудем и опущение гортани. Раньше приматы издавали лишь орчание, опущение же гортани значительно расширело диапазон звуков.Исчезла шерсть, период детства удлиннился, то есть удлинилось время для обучения детей.Возникли более сложные социальные отношения.

И вот он, ХОМО САПИЕНС, то есть мы. Одна из совершенных форм творения природы.

Урок биологии в 9 классе по теме «Начальные этапы развития жизни»

Нефедова Е. В .,учитель

биологии МОУ

«Гимназия № 58» г. Саратов

Цель урока: изучить причины и следствия развития жизни на Земле.

Задачи:

образовательная: рассмотреть основные этапы биологической эволюции, выяснить ее причины, и значение;

развивающая: продолжить формирование умений анализировать, выявлять причинно – следственные связи, формировать выводы.

Методы: беседа, сообщения учащихся.

Оборудование: компьютер, интерактивная доска, таблицы, карточки.

План урока

Организационный момент.

Опрос домашнего задания (карточки, вопросы, тесты).

Изучение нового материала:

Закрепление.

Подведение итогов. Выставление оценок. Домашнее задание.

Ход урока

Организационный момент.

Опрос домашнего задания «Современные представления о возникновении жизни» можно начать с вопросов:

Какие химические элементы и их соединения были в первичной атмосфере Земли?

Укажите условия, необходимые для абиогенного образования органических соединений.

Какие соединения были распространены в водах первичного океана?

Что такое коацерваты?

В чем сущность химической эволюции на ранних этапах существования Земли?

Какое событие положило начало биологической эволюции?

Когда на Земле появились первые клеточные организмы?

В это же время некоторые ученики работают по карточкам.

Закончить опрос домашнего задания можно тестами:

Тесты для повторения темы: «Возникновение жизни на Земле»

1. Кто из названных ученых окончательно опроверг теорию самозарождения организмов?

а) Дарвин

б) Пастер

в) Ламарк

2. Суть теории самозарождения заключается в том, что она поддерживает идею:

а) возникновение живых организмов из неживых тел

б) возникновение живого от живого

в) создания живого высшими силами

3. Согласно биохимической теории жизнь:

а) существовала всегда

б) занесена на нашу планету из вне

в) возникла в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам

4. В смеси Миллера содержались аммиак и метан. Почему эти вещества были необходимы для опыта?

а) он хотел доказать, что эти вещества содержались в составе первичной атмосферы Земли.

б) он хотел доказать невозможность зарождения жизни в первичной атмосфере Земли.

в) он хотел доказать возможность синтеза органических соединений в условиях первичной атмосферы Земли.

5. Какая реакция лежит в основе образования аммиака?

а) реакция углекислого газа с азотом

б) реакция воды с азотом

в) реакция водорода с азотом

6. Суть гипотезы А.И. Опарина заключается:

а) в признании абиогенного синтеза органических соединений.

б) в отрицании абиогенного синтеза органических соединений.

в) в утверждении, что жизнь была привнесена из вне.

а) они могли поглощать одни вещества из внешней среды и выделять в нее другие.

б) они были отграничены от водной среды подобием мембраны.

в) по всем указанным причинам.

8. Одним из важнейших этапов возникновения жизни можно считать:

а) появление аминокислот

б) появление углеводов

в) появление нуклеиновых кислот

9. Какое свойство органических молекул позволило им стать «основой жизни»?

а) способность к разнообразным химическим реакциям

б) способность к самоорганизации и воспроизведению

в) сложность их строения

10. Согласно космической теории жизнь:

а) возникала неоднократно из неживого вещества

б) занесена на нашу планету из вне

в) была создана сверхъестественным существом в определенное время.

Правильные ответы: 1 – б, 2 – а, 3 – в, 4 – в, 5 – в, 6 – а, 7 – в, 8 – в, 9 – б,

Изучение нового материала «Начальные этапы развития жизни на Земле

Прокариоты – первые одноклеточные организмы (презентация).

Появление эукариот (сообщение учащегося).

Появление многоклеточных организмов (сообщение учащегося).

После объяснения материала ребята выполняют работу в тетради на печатной основе (А.Ю. Цибулевский Биология- 9. Рабочая тетрадь к учебнику).

Закрепление:

1.Тесты для закрепления темы «Начальные этапы развития жизни»

Выберите правильные варианты ответов:

1. Первые живые организмы (пробионты), появившиеся на Земле, по способу дыхания и способу питания были;

а) анаэробными гетеротрофами;

б) анаэробными фототрофами;

в) аэробными гетеротрофами.

2. Организмы, появившиеся на Земле при истощении запаса абиогенных органических веществ, по способу дыхания и способу питания были;

а) анаэробными гетеротрофами;

б) анаэробными фототрофами;

в) аэробными гетеротрофами.

3. Накопление в атмосфере первичной Земли кислорода и появление озонового экрана привело к:

а) началу абиогенного синтеза органических веществ и прекращению ультрафиолетового излучения;

б) началу абиогенного синтеза органических веществ и усилению ультрафиолетового излучения;

в) прекращение абиогенного синтеза органических веществ и защите первых организмов от ультрафиолетового излучения.

4. Началом биологической эволюции на Земле принято считать момент возникновения первых:

а) органических веществ, синтезированных абиогенным путем;

б) коацерватных капель, микросфер и других агрегатов из органических веществ;

в) одноклеточных прокариотических организмов – пробионтов;

5. С момента начала биологической эволюции на Земле скорость эволюционного процесса:

а) не изменялась;

б) постоянно возрастала;

в) постоянно убывала;

6. Крупнейшим ароморфозом, оказавшим существенное воздействие на ранние этапы эволюции жизни на Земле, стало:

а) появление новых клеток – прокариот;

б) появление первых клеток – эукариот;

в) возникновение фотосинтеза у анаэробных прокариот;

7. Первые многоклеточные эукариотические организмы на Земле произошли в ходе эволюции от:

а) одноклеточных прокариот;

б) одноклеточных эукариот;

в) многоклеточных прокариот.

Правильные ответы: 1 –а, 2 – б, 3 – в, 4 – в, 5 – б, 6 – в, 7 –б.

2. Работа с учебником (закончите предложение):

У первых одноклеточных организмов – прокариотов – наследственный материал не был окружен мембраной, а находился...(прямо в цитоплазме).

Они были гетеротрофами, т.е. использовали в качестве источника энергии (пищи)… (готовые органические соединения, находящиеся в растворенном виде в водах первичного океана).

Поскольку в атмосфере Земли свободного кислорода не было, они имели анаэробный (бескислородный) тип обмена, эффективность которого… (невелика).

Появление большого количества гетеротрофов приводило к истощению вод первичного океана: в нем оставалось все меньше… (готовых органических веществ).

Первыми фотосинтезирующими организмами, выделяющими в атмосферу О 2 , были…(синезеленые водоросли).

Со временем в результате взаимополезного сосуществования (симбиоза) различных прокариот возникли… (эукариоты, у которых появилось настоящее ядро, окруженное оболочкой).

Появление двойного набора генов сделало возможным…(обмен полными копиями генов между разными организмами, принадлежащими к одному виду, - возник половой процесс).

На рубеже архейской и протерозойской эр половой процесс привел к… (значительному увеличению разнообразия живых организмов благодаря созданию новых многочисленных комбинаций генов).

Около 2,6 млрд. лет тому назад появились… (многоклеточные организмы).

3. Вопросы:

1. Как питались первые живые организмы?

2.Что такое фотосинтез? Какую роль в развитии жизни на Земле сыграло его появление?

3. Какие организмы впервые стали выделять в атмосферу свободный кислород?

4. Какое значение для эволюции имело появление полового процесса?

Подведение итогов. Выставление оценок. Домашнее задание.

Строение первых живых организмов хотя и было гораздо совершеннее, чем у коацерватных капелек, но все же оно было несравненно проще нынешних живых существ. Естественный отбор, начавшийся в коацерватных капельках, продолжался и с появлением жизни. В течение долгого времени строение живых существ все более улучшалось, приспособлялось к условиям существования.

Вначале пищей для живых существ были только органические вещества, возникшие из первичных углеводородов. Но с течением времени количество таких веществ уменьшилось. В этих условиях первичные живые организмы выработали в себе способность строить органические вещества из элементов неорганической природы - из углекислоты и воды. В процессе последовательного развития у них появилась способность поглощать энергию солнечного луча, разлагать за счет этой энергии углекислоту и строить в своем теле из ее углерода и воды органические вещества. Так возникли простейшие растения - сине-зеленые водоросли. Остатки сине-зеленых водорослей обнаруживаются в древнейших отложениях земной коры.

Другие живые существа сохранили прежний способ питания, но пищей им стали служить первичные растения. Так возникли в своем первоначальном виде животные.

На заре жизни и растения, и животные были мельчайшими одноклеточными существами, подобными живущим в наше время бактериям, сине-зеленым водорослям, амебам. Большим событием в истории последовательного развития живой природы стало возникновение многоклеточных организмов, т. е. живых существ, состоящих из многих клеток, объединенных в один организм. Постепенно, но значительно быстрее, чем раньше, живые организмы становились все сложнее и разнообразнее.

С образованием сложных ультра молекулярных систем (пробионтов) включающих нуклеиновые кислоты, белки ферменты и механизм генетического кода, появляется жизнь на Земле. Пробионты нуждались в различных химических соединениях - нуклеотидах, аминокислотах и др. Из-за низкой степени генетической информации, пробионты обладали достаточно ограниченными возможностями. Дело в том, что они использовали для своего роста готовые органические соединения, синтезированные в ходе химической эволюции, и если бы жизнь на своем раннем этапе существовала только в форме одного вида организмов, то первичный бульон был бы достаточно быстро исчерпан.

Однако благодаря тенденции к приобретению большого разнообразия свойств, и в первую очередь, к возникновению способности синтезировать органические вещества из неорганических соединений с использованием солнечного света, этого не произошло.

В начале следующего этапа образуются биологические мембраны-органеллы, ответственные за форму, структуру и активность клетки. Биологические мембраны построены из агрегатов белков и липидов, способных отграничить органическое вещество от среды и служить защитной молекулярной оболочкой. Предполагается, что образование мембран могло начаться еще в процессе формирования коацерватов. Но для перехода от коацерватов к живой материи были необходимы не только мембраны, но и катализаторы химических процессов - ферменты или энзимы. Отбор коацерватов усиливал накопление белково-подобных полимеров, ответственных за ускорение химических реакций. Результаты отбора фиксировались в строении нуклеиновых кислот. Система успешно работающих последовательностей нуклеотидов в ДНК усовершенствовалась именно путем отбора. Возникновение самоорганизации зависело как от исходных химических предпосылок, так и от конкретных условий земной среды. Самоорганизация возникла как реакция на определенные условия. При самоорганизации отсеивалось множество различных неудачных вариантов, до тех пор, пока основные черты строения нуклеиновых кислот и белков не достигли оптимального соотношения с точки зрения естественного отбора.

Благодаря предбиологическому отбору самих систем, а не только отдельных молекул, системы приобрели способность совершенствовать свою организацию. Это был уже следующий уровень биохимической эволюции, который обеспечивал возрастание их информационных возможностей. На последнем этапе эволюции обособленных органических систем сформировался генетический код. После образования генетического кода эволюция развивается вариациями. Чем дальше она продвигается во времени, тем многочисленнее и сложнее вариации.

Однажды возникнув, жизнь стала развиваться быстрыми темпами показывая ускорение эволюции во времени. Так, развитие от первичных пробионтов до аэробных форм потребовало около 3 млрд лет, тогда как с момента возникновения наземных растений и животных прошло около 500 млн лет; птицы и млекопитающие развились от первых наземных позвоночных за 100 млн лет, приматы выделились за 12-15 млн лет, для становления человека потребовалось около 3 млн лет.

Заключение .

Истинная основа жизни образовалась в результате появления клетки, в которой биологические мембраны объединили отдельные органеллы в единое целое.

Первые клетки были примитивны и не имели ядра. Но такие клетки существуют и в настоящее время. Удивительно, ведь они появились более 3 млрд. лет назад.

Первые клетки были прообразом всех живых организмов: растений, животных, бактерий. Позже, в процессе эволюции, под воздействием дарвиновских законов естественного отбора клетки совершенствовались и появились специализированные клетки высших многоклеточных, растений и животных - метафитов и метазоа.

В качестве объединяющей зависимости между химической эволюцией переходящей затем в биохимическую и биологическую эволюцию можно привести следующую:

простые молекулы

сложные макромолекулы и ультра молекулярные системы (пробионты)

одноклеточные организмы.

Итак, живой мир сотворен. На это потребовалось более 3 миллиардов лет, и это было самым трудным. Не поддается перечислению огромное количество вариантов развития исходных углеродных соединений. Однако самым важным был результат – возникновение жизни на Земле.

Несмотря на важность знаний, относительно условий, причин и процессов появления жизни на Земле в наше время НТП многие не уделяют этому должного внимания. Хотя для всех должно быть очень ясно, что жизнь, окружающая нас, формировалась в течение такого гигантского периода времени, который просто неподвластен нашему сознанию. И только поэтому, тот ущерб, который уже был нанесен всему живому за прошедший век, пока еще не привел к необратимым последствиям. Однако, благодаря НТП человек сам, не осознавая того, создает все более опасные для всего живого изобретения. И, к сожалению, никто не знает, какое из них будет последним….

А ведь мы часть живого мира, на создание которого потребовались миллиарды лет. Думаю, есть о чем задуматься.

Литература.

Ващекин Н.П. «Концепции современного естествознания», М, МГУК, 2000

Потеев М.И. «Концепции современного естествознания», Санкт-Петербург, Питер, 1999

Югай Г. А. «Общая теория жизни», М., Мысль, 1985

С. Кашницкий Синтез судьбы? Превращение неживой материи в живую - совсем...

С. Кашницкий

Синтез судьбы?

Превращение неживой материи в живую - совсем не безнадежный бред средневековых алхимиков. Человек произошел вовсе не от животного. Homo Sapiens не венец природы, как мы привыкли думать, а такое же ее начало, как одноклеточные. Наша планета с древнейших времен была своеобразным Ноевым ковчегом, в котором проживали "прототипы" всех живых существ - "каждой твари". А гриппом нас может заражать космос. А человеческая цивилизация способна заселять планеты далеких звездных миров примерно так же, как некогда из просторов Вселенной на Землю была доставлена жизнь.

Еще? Пожалуйста.

Гомункул - выращенный в "колбе" наш собрат по разуму - не только имеет полное право на существование, но и готов стать полпредом человечества на космической целине.

Казалось бы, продолжая перечень сенсационных утверждений, мы придем к Волге, впадающей отнюдь не в Каспийское море. Однако все сказанное выше следствие строгой научной гипотезы, подтвержденной многочисленными опытами. Производятся они в астрофизическом отделе Физико-технического института имени А.Ф.Иоффе АН СССР под руководством старшего научного сотрудника кандидата физико-математических наук Евгения Алексеевича Каймакова.

Почтальоны жизни.

Эти небольшие небесные тела с огромными сияющими хвостами исстари наводили на людей суеверный страх. Их начали наблюдать в телескопы, научились предсказывать появление многих из них на небосклоне. Но в отличие от планет, больших спутников и астероидов с кометами не связывали развитие жизни. Какая там жизнь - ведь больше чем наполовину они состоят изо льда!

Немалую часть жизни астрофизик Каймаков посвятил космическим странницам, а семь лет назад [от 1981 года] высказал предположение: в кометных хвостах должны быть органические соединения, в первую очередь циан и ацетонитрил. Вскоре американские ученые нашли эти вещества в хвосте кометы Когоутека.

Интерес биофизиков к блуждающим светилам возрос: где цианистые соединения. Там очень вероятно появление аминокислот, элементарных "кирпичиков", из которых строится белок. Цианистый калий на свету - вот уже и аминокислота. В газопылевом облаке кометного хвоста содержатся метан и аммиак. Если пропустить грозовой электрический разряд через смесь этих газов и воды, получатся аминокислоты - такие опыты не раз успешно проделывали Миллер, Поннамперума и другие исследователи начала жизни. Сложные органические соединения в кометах! Значит, могут быть и нуклеотиды - такие же простейшие "кирпичики", только уже для цепочек ДНК. В спектрах излучения комет этих веществ не видно: они не столь летучи. Но, по предположению Каймакова, их количество может составить один процент от общей массы ядра. Не так уж мало: ведь ядро средней по размеру кометы - уже миллиард тонн.

Аминокислоты - значит белки; нуклеотиды - значит ДНК, сахара, жиры совсем не так далеко от того, что понимается под словом "жизнь". Понимается, конечно, биофизиками, а не философами. Если "компоненты жизни" есть в кометах, не могут ли хвостатые путешественницы быть разносчиками жизни?

Заманчиво было бы проверить предположение. Несколько лет назад Евгений Алексеевич приступил к экспериментальным проверкам. Поскольку пока невозможен полет к комете, пришлось сделать ее искусственно.

Заморожен раствор обычной поваренной соли. В вакуумной камере вода сублимирует, то есть испаряется, не переходя в жидкое состояние - как влага мокрого белья, которое сушат на морозе. В чашках с замерзшим раствором остается осадок: мелкозернистая соль "экстра". Микрокристаллики так малы, что рассмотреть их можно только в микроскоп. Заглянем: вот она, гранула, диаметр два микрона. Лед в вакууме испарился, а соль осталась, потому что ее летучесть в сто миллионов раз меньше, чем у воды.

Теперь то же самое с другим водным раствором, только вместо соли аминокислоты. Когда их достаточно много, в остатке снова "экстра", но не из поваренной соли, а из аминокислот. Если же концентрация мала, то сухой остаток изменяет свой вид. Никакой "экстры" больше нет - под микроскопом структура, похожая на мех песца. Вертикальные ворсинки "растут" очень густо: десять миллионов штук на квадратном сантиметре. Диаметр одной - два микрона, длина примерно 2 сантиметра. Взвесив осадок, Каймаков убедился, что остается пятая часть массы раствора. То есть ворсинки состоят не из одной примеси, но еще и льда. Выходит, сублимировала почему-то не вся вода - часть осталась в осадке. Что же произошло?

Стерженек, "запеленатый" аминокислотами, не смог быстро испариться. Вода, сублимируя, выходит по спирали - точно также она вытекает из ванны, образуя воронку. Вот почему ниточка примеси обмотала ледяной сердечник по спирали. Молекулы примеси выстроились "в затылок друг другу". Вот такая сублимационная конструкция! Субликон, как назвал ее ученый.

Белок - это как раз такая же молекулярная цепочка из различных аминокислот, всего их двадцать типов. Субликон и есть подобное построение молекул. Остается лишь соединить их или, как говорит Евгений Алексеевич, "сшить" молекулы. Тогда будет биополимер. Это исследователь сделал, направив на субликон пучок света. Получился биосубликон.

А вот другой очень похожий опыт. Замораживается и сублимирует малоконцентрированный раствор нуклеотидов. Как "сшитые" аминокислоты образуют искусственный белок, так соединенные светом нуклеотиды - цепочку ДНК. Она - паспорт и жизненная программа живого существа.

Третий, самый главный опыт: в воде растворены аминокислоты и нуклеотиды всех типов. Сублимация в вакууме, свет - биосубликон. Прообраз живой клетки: ведь в ее спирали содержаться "полуфабрикаты" и белка и ДНК. Причем периодические участки произвольно чередуются с непериодическими, что и дает бесконечное разнообразие информации.

В биосубликонах уже предусмотрена упорядоченность, свойственная биополимерам различных классов. Достаточно теперь поместить биосубликоны в питательную жидкую среду, считает ученый, и в нем появятся самые настоящие клетки. Они будут реагировать на размножение и делиться. То есть жить.

Английские физики Хойл и Вихрамасингхе обнаружили связь между прохождением Землей кометных хвостов и вспышками пандемий. Казалось бы, вот оно, научное подтверждение мистических прорицаний: неверный свет приносит неисчислимые беды.

Теперь можно жать вполне материальное объяснение зловещим небесным знамениям. Межзвездные скитальцы осыпают Землю биосубликонами, которые, размораживаясь в питательной среде земных водоемов, вызывают к жизни вирусы и фаги.

Не так ли точно кометы "заразили" 3.5 миллиарда лет назад Землю жизнью? Правда, буйство всего живого на нашей планете началось лишь 700-800 миллионов лет назад, то есть через 2.5 миллиарда лет после появления сине-зеленых водорослей. Чем объяснить такой разрыв?

Взяв на вооружение свою гипотезу, Каймаков предлагает свой ответ на вопрос. В ДНК конкретного биосубликона записан уже вероятный конечный результат эволюции, вся программа развития.

Иными словами, по древней земле могли рядом ползти два одинаковых с виду червя. Но один уже отработал свою генетическую программу - стал тем, кем ему суждено быть в ходе строительства биосубликона для той давней клетки, что начала эволюционировать и добралась до червяка. Другой еще только в пути, в его цепочке ДНК записано: "выйти в люди". То есть мы с вами, строго говоря, никогда не были ни рыбой, ни ящерицей [это уж точно - R], ни белкой ни обезьяной - только принимали на время их обличье.

Наша планета, получив "партию биосубликонов" с "кометным транспортом", сразу запаслась фондом всех будущих видов растений и животных. Она стала тем Ноевым ковчегом, где жили "предки" всей грядущей флоры и фауны.

Кстати, некоторые астрофизики уверены, что не все кометы очень уж строго проживают по месту прописки - в Солнечной системе. Честь из них может путешествовать от звезды к звезде. А если это так, мы можем усомниться не только в своем земном, но даже околосолнечном происхождении.

И опять наполняется новым смыслом давно отвергнутая идея древних: человек и животные имеют совершенно различные корни. Или, в терминах новой гипотезы, биосубликоны с разной длиной цепочек и порядком расположения "кирпичиков" - бусинок.

Но если кометы - переносчицы жизни, может, они и сейчас заселяют Землю новыми биосубликонами, из которых со временем разовьются новые формы жизни?

Вряд ли. Биосубликоны - это как бы мясные кубики для бульона. А на них жадно набрасываются уже развившиеся вирусы и фаги, объедая "пришельцев". Вирусов легко понять: устраняют конкурентов - не исключено, что потенциально более высоко организованных, чем мы с вами.

Мы в долгу у космоса. Наступает время людям заселять далекие миры. Хоть сегодня отправляй биосубликоны на соседние планеты - только подыщи условия для оживления.

Но ведь можно задать параметры этих условий, кибернетическая система сама будет искать их на новых местах жительства и лишь потом "разгружать рефрижераторы". Длительности многих человеческих жизней не хватит на полет даже к ближайшей звезде. Зато биосубликоны успешно долетят куда угодно. И разовьются на новой родине в те живые существа, которые лучше всего приживутся в неведомом мире. Переставляя бусинки в цепочке, ученые сумеют варьировать облик и свойства посланцев Земли. И даже наделять их нужными качествами.

Наконец, когда станет известен порядок следования нуклеотидов в ДНК человека, можно попытаться сконструировать биосубликон, оживающий в обычную женскую яйцеклетку. Так реализуется давняя мечта Аристотеля и Парацельса - искусственный человек. Наука, в давние времена осмеяв отцов гомункула, готова стать его матерью. Один из парадоксов познания.

А может, наши слабости и несовершенства тоже заданы нуклеотидами? Поменял местами бусинки - и сделал лучшего, чем я?

Хочется верить. Тем более, что наука позволяет.

Прокомментировать статью мы попросили одного из крупнейших советских астрофизиков - академика АН Таджикской ССР О.В.Добровольского.

Гипотезу о возможном отношении комет к зарождению жизни Е.А.Каймаков высказал, насколько мне известно, первый. О ее жизнеспособности говорит то, что ее сторонником является один из виднейших биохимиков мира Поннамперума, ответственный редактор научного журнала "происхождение жизни".

Было бы очень желательно продолжить опыты Каймакова. Это тем более важно, что делаются интересные логические заключения, указывающие путь длядальнейших выводов, но окончательное решение остается все-таки за экспериментом. Весьма вероятно, опыты могли бы помочь выяснению вопроса о происхождении жизни на Земле.

Белково-коацерватная теория Опарина

Пожалуй, первая научная, хорошо продуманная теория происхождения жизни абиогенным путем была предложена биохимиком А.И. Опариным еще в 20-х годах прошлого века. Теория базировалась на представлении, что все начиналось с белков, и на возможности в определенных условиях спонтанного химического синтеза мономеров белков - аминокислот - и белковоподобных полимеров (полипептидов) абиогенным путем. Публикация теории стимулировала многочисленные эксперименты в ряде лабораторий мира, показавшие реальность такого синтеза в искусственных условиях. Теория быстро стала общепринятой и необыкновенно популярной.

Основным ее постулатом было то, что спонтанно возникавшие в первичном "бульоне" белковоподобные соединения объединялись" в коацерватные капли - обособленные коллоидные системы (золи), плавающие в более разбавленном водном растворе. Это давало главную предпосылку возникновения организмов - обособление некой биохимической системы от окружающей среды, ее компартментализацию. Так как некоторые белковоподобные соединения коацерватных капель могли обладать каталитической активностью, то появлялась возможность прохождения биохимических реакций синтеза внутри капель - возникало подобие ассимиляции, а значит, роста коацервата с последующим его распадом на части - размножением. Ассимилирующий, растущий и размножающийся делением коацерват рассматривался как прообраз живой клетки (рис. 1).

Рис. 1. Схематическое представление пути происхождения жизни согласно белково-коацерватной теории А.И. Опарина

Все было хорошо продумано и научно обосновано в теории, 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.

Мир РНК как предшественник современной жизни

Накопление знаний о генетическом коде, нуклеиновых кислотах и биосинтезе белков привело к утверждению принципиально новой идеи о ТОМ, что все начиналось вовсе не с белков, а с РНК. Нуклеиновые кислоты являются единственным типом биологических полимеров, макромолекулярная структура которых, благодаря принципу комплементарности при синтезе новых цепей, обеспечивает возможность копирования собственной линейной последовательности мономерных звеньев, другими словами, возможность воспроизведения (репликации) полимера, его микроструктуры. Поэтому только нуклеиновые кислоты, но не белки, могут быть генетическим материалом, то есть воспроизводимыми молекулами, повторяющими свою специфическую микроструктуру в поколениях.

По ряду соображений именно РНК, а не ДНК, могла представлять собой первичный генетический материал.

Во-первых, и в химическом синтезе, и в биохимических реакциях рибонуклеотиды предшествуют дезоксирибонуклеотидам; дезоксирибонуклеотиды - продукты модификации рибонуклеотидов.

Во-вторых, в самых древних, универсальных процессах жизненного метаболизма широко представлены именно рибонуклеотиды, а не дезоксирибонуклеотиды, включая основные энергетические носители типа рибонуклеозид-полифосфатов (АТФ и т.п.).

В-третьих, репликация РНК может происходить без какого бы то ни было участия ДНК, а механизм редупликации ДНК даже в современном живом мире требует обязательного участия РНК-затравки в инициации синтеза цепи ДНК.

В-четвертых, обладая всеми теми же матричными и генетическими функциями, что и ДНК, РНК способна также к выполнению ряда функций, присущих белкам, включая катализ химических реакций. Таким образом, имеются все основания рассматривать ДНК как более позднее эволюционное приобретение - как модификацию РНК, специализированную для выполнения функции воспроизведения и хранения уникальных копий генов в составе клеточного генома без непосредственного участия в биосинтезе белков.

После того как были открыты каталитически активные РНК, идея первичности РНК в происхождении жизни получила сильнейший толчок к развитию, и была сформулирована концепция самодостаточного мира РНК, предшествовавшего современной жизни. Возможная схема возникновения мира РНК представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схематическое представление пути происхождения жизни согласно современной концепции первичности мира РНК

Абиогенный синтез рибонуклеотидов и их ковалентное объединение в олигомеры и полимеры типа РНК могли происходить приблизительно в тех же условиях и в той же химической обстановке, что постулировались для образования аминокислот и полипептидов. Недавно А.Б. Четверин с сотрудниками (Институт белка РАН) экспериментально показали, что по крайней мере некоторые полирибонуклеотиды (РНК) в обычной водной среде способны к спонтанной рекомбинации, то есть обмену отрезками цепи, путем транс-эстерификации. Обмен коротких отрезков цепи на длинные, должен приводить к удлинению полирибонуклеотидов (РНК), а сама подобная рекомбинация способствовать структурному многообразию этих молекул. Среди них могли возникать и каталитически активные молекулы РНК.

Даже крайне редкое появление единичных молекул РНК, которые были способны катализировать полимеризацию рибонуклеотидов или соединение (сплайсинг) олигонуклеотидов на комплементарной цепи как на матрице, означало становление механизма репликации РНК. Репликация самих РНК-катализаторов (рибозимов) должна была повлечь за собой возникновение самореплицирующихся популяций РНК. Продуцируя свои копии, РНК размножались. Неизбежные ошибки в копировании (мутации) и рекомбинации в самореплицирующихся популяциях РНК создавали все большее разнообразие этого мира. Таким образом, предполагаемый древний мир РНК - это "самодостаточный биологический мир, в котором молекулы РНК функционировали и как генетический материал, и как энзимоподобные катализаторы" .

Возникновение биосинтеза белка

Далее на основе мира РНК должно было происходить становление механизмов биосинтеза белка, появление разнообразных белков с наследуемой структурой и свойствами, компартментализация систем биосинтеза белка и белковых наборов, возможно, в форме коацерватов и эволюция последних в клеточные структуры - живые клетки.

Проблема перехода от древнего мира РНК к современному белок-синтезирующему миру - наиболее трудная даже для чисто теоретического решения. Возможность абиогенного синтеза по-липептидов и белковоподобных веществ не помогает в решении проблемы, так как не просматривается никакого конкретного пути, как этот синтез мог бы быть сопряжен с РНК и подпасть под генетический контроль. Генетически контролируемый синтез полипептидов и белков должен был развиваться независимо от первичного абиогенного синтеза, своим путем, на базе уже существовавшего мира РНК. В литературе предложено несколько гипотез происхождения современного механизма биосинтеза белка в мире РНК, но, пожалуй, ни одна из них не может рассматриваться как детально продуманная и безупречная с точки зрения физико-химических возможностей. Представлю свою версию процесса эволюции и специализации РНК, ведущего к возникновению аппарата биосинтеза белка, но и она не претендует на законченность.

Предлагаемая гипотетическая схема содержит два существенных момента, кажущихся принципиальными.

Во-первых, постулируется, что абиогенно синтезируемые олигорибонуклеотиды активно рекомбинировали посредством механизма спонтанной неэнзиматической трансэстерификации, приводя к образованию удлиненных цепей РНК и давая начало их многообразию. Именно этим путем в популяции олигонуклеотидов и полинуклеотидов и могли появиться как каталитически активные виды РНК (рибозимы), так и другие виды РНК со специализированными функциями. Более того, неэнзиматическая рекомбинация олигонуклеотидов, комплементарно связывающихся с полинуклеотидной матрицей, могла обеспечить сшивание (сплайсинг) фрагментов, комплементарных этой матрице, в единую цепь. Именно таким способом, а не катализируемой полимеризацией мононуклеотидов, могло осуществляться первичные копирование (размножение) РНК. Разумеется, если появлялись рибозимы, обладавшие полимеразной активностью, то эффективность (точность, скорость и продуктивность) копирования на комплементарной. матрице должна была значительно возрастать.

Второй принципиальный момент в моей версии состоит в том, что первичный аппарат биосинтеза белка возник на базе нескольких видов специализированных РНК до появления аппарата энзиматической (полимеразной) репликации генетического материала - РНК и ДНК. Этот первичный аппарат включал каталитически активную прорибосомную РНК, обладавшую пептидил-трансферазной активностью; набор про-тРНК, специфически связывающих аминокислоты или короткие пептиды; другую прорибосомную РНК, способную взаимодействовать одновременно с каталитической прорибосомной РНК, про-мРНК и про-тРНК. Такая система уже могла синтезировать полипептидные цепи за счет катализируемой ею реакции транспептидации. Среди прочих каталитически активных белков - первичных ферментов (энзимов) - появились и белки, катализирующие полимеризацию нуклеотидов - репликазы, или НК-полимеразы.

Впрочем, возможно, что гипотеза о древнем мире РНК как предшественнике современного живого мира так и не сможет получить достаточного обоснования для преодоления основной трудности - научно правдоподобного описания механизма перехода от РНК и ее репликации к биосинтезу белка. Имеется привлекательная и детально продуманная альтернативная гипотеза А.Д. Альтштейна (Институт биологии гена РАН), в которой постулируется, что репликация генетического материала и его трансляция - синтез белка - возникали и эволюционировали одновременно и сопряженно, начиная с взаимодействия абиогенно синтезирующихся олигонуклеотидов и аминоацил-нуклеотидилатов - смешанных ангидридов аминокислот и нуклеотидов.