Гипотеза возникновения жизни на земле опарин. Происхождение жизни на Земле: теория Опарина простыми словами

Наиболее полно разработанной, аргументированной и имеющей широкое признание следует признать гипотезу происхождения жизни путем биохимической эволюции, или «гипотеза Опарина-Холдейна ».

А. И. Опарин, русский биохимик, академик, еще в 1924 г. опубликовал свою первую книгу по данной проблеме. Дж. Холдейн, английский генетик и биохимик, с 1929 г. развивал идеи, созвучные представлениям А. И. Опарина.

Она постулирует, что жизнь возникла на Земле именно из неживой материи, в условиях, имевших место на планете миллиарды лет назад. Эти условия включали наличие источников энергии, определенного температурного режима, воды и других неорганических веществ - предшественников органических соединений. Атмосфера тогда была бескислородной (источником кислорода в настоящее время являются растения, а тогда их не было).

В рамках данной теории можно выделить пять основных этапов на пути к возникновению жизни, которые приведены в табл. 1.

Таблица 1

Этапы развития жизни на Земле по гипотезе Опарина-Холдейна

Идеи о формировании и составе первичной атмосферы Земли базируются на объективных данных разных наук, на изучении газовых оболочек других планет Солнечной системы. Весьма убедительные доказательства возможности осуществления 2-го и 3-го этапов развития жизни получены в результате многочисленных экспериментов по искусственному синтезу биологических мономеров. Так, впервые в 1953 г. С. Миллер (США) создал достаточно простую установку, на которой ему удалось из смеси газов и паров воды под действием ультрафиолетового облучения и электрических разрядов синтезировать ряд аминокислот и других органических соединений (рис. 1).

Рис. 1. Установка Стэнли Миллера, в которой он синтезировал аминокислоты из газов, создав условия, предположительно существовавшие в атмосфере первобытной Земли. Газы и водяные пары, циркулировавшие в установке под высоким давлением, подвергали в течение недели воздействию высокого напряжения. После этого вещества, собранные в «ловушке», исследовали методом хроматографии на бумаге. В общей сложности было выделено 15 аминокислот, в том числе глицин, аланин и аспарагиновая кислота

В опыте С. Миллера в его установке были воспроизведены условия, существовавшие на Земле в предполагаемое время. В приборе присутствовала смесь газов: водорода, аммиака, метана и пары воды. В одну из камер были введены электроды для получения разрядов, имитировавших молнии, как возможный источник энергии для химических реакций. В другой камере была налита вода, и эта камера подогревалась (для насыщения газовой смеси парами воды). Еще одна камера подвергалась охлаждению, и здесь вода конденсировалась («дождевые осадки»). Уже через неделю в конденсате и были обнаружены различные органические вещества.

В последующие десятилетия во многих лабораториях мира был осуществлен искусственный синтез разных аминокислот, нуклеотидов, простых сахаров, а затем и более сложных органических соединений. Все это подтверждает возможность образования органических веществ на Земле в отдаленные времена без участия живых организмов. При отсутствии свободного кислорода (который разрушал бы их) и живых организмов (которые могли бы использовать их в виде пищи) эти вещества накапливались в первичном океане в высоких концентрациях.

На следующем этапе происходило образование более сложных соединений - белковоподобных веществ (цепочки из аминокислот) и коротких полинуклеотидных молекул. Вероятность этого многократно подтверждена: сегодня подобное получают экспериментально. При достижении определенной концентрации органических веществ в первичном океане могли возникать сложные агрегаты разнообразных соединений - коацерваты , мелкие шаровидные образования.

Изучение искусственно создаваемых коацерватов (очень широко исследованных А. И. Опариным и его сотрудниками) показало, что они проявляют некоторые свойства живых систем. Имея уплотненный наружный слой, некое подобие клеточной мембраны, коацерваты способны избирательно поглощать разные вещества из окружающей среды, которые участвуют в химических реакциях внутри коацерватных капель, а часть продуктов этих реакций выделяется обратно в среду. Накапливая вещества, коацерваты «растут» и, увеличившись в размерах, могут распадаться на несколько частей - «размножаться».

Коацерваты, различные по своему составу, характеризуются разной степенью устойчивости. Более устойчивые сохраняются, прочие исчезают, разрушаются.

Эти наблюдения дали основание А. И. Опарину предположить возможность действия естественного отбора (см. ниже) уже на этой стадии становления живого.

Тем не менее коацерваты при всей сложности их организации не могут считаться живыми существами прежде всего потому, что у них нет стабильного самовоспроизведения.

На следующем этапе в коацерватах образовались взаимосвязи нуклеиновых кислот и белков. Синтез белков определенного состава стал осуществляться на основе информации, заключенной в нуклеиновых кислотах.

Возникает способность нуклеиновых кислот к самовоспроизведению при участии специфических белков - ферментов. То есть можно говорить уже о появлении протобионтов - первичных форм жизни, не имеющих еще клеточной организации, но способных к самовоспроизведению и обмену веществ.

Дальнейшее развитие протобионтов, усложнение их организации привели к появлению организмов, обладающих клеточным строением, - первичных прокариот , бактерий. С этого момента начинается биологическая эволюция. По-видимому, первоначально существовали гетеротрофные организмы (поскольку в первичном океане содержалось много различных органических веществ). По мере увеличения их числа происходило уменьшение пищевых ресурсов и между ними возрастала конкуренция. Это привело к появлению автотрофов - организмов, синтезирующих необходимые им органические вещества из неорганических.

Вначале появились организмы, которые использовали энергию, полученную в результате окисления минеральных веществ. Этот процесс известен как хемосинтез , а организмы получили название хемосинтетиков . Затем, в ходе последующих эволюционных преобразований, возникли автотрофные организмы, использующие энергию солнечного света, - это фотосинтезирующие организмы (фотосинтетики ). Дальнейшая биологическая эволюция обусловила формирование того многообразного мира живой природы, который мы и видим сегодня.

Разнообразие видов как результат биологической эволю ции. Эволюционное учение (теория эволюции) - биологическая дисциплина, исследующая причины и движущие силы, закономерности и механизмы развития живых организмов.

Под биологической эволюцией понимают необратимый и закономерный процесс исторического развития живого от простого к более сложному начиная с момента возникновения первых живых организмов на Земле.

В ходе эволюции одни виды сменялись другими, происходило усложнение и повышение организации живых организмов, увеличивалось их разнообразие, появился человек.

Велико мировоззренческое значение эволюционного учения: оно утверждает идею единства происхождения всего живого, объясняет причины многообразия видов, обитающих на Земле, целесообразность организации живых существ (т. е. соответствие строения и функционирования всех их систем и органов условиям существования), одновременное наличие в природе и простых, и высокоорганизованных организмов.

Эволюционное учение служит теоретической основой современной биологии, объединяя, обобщая результаты, полученные многочисленными частными биологическими науками.

Очевидно его значение и для человека при решении проблем взаимодействия с биосферой.

Наконец, знание законов и механизмов эволюции - база для развития селекции - науки, разрабатывающей методы создания и улучшения сортов культурных растений и пород домашних животных.

История развития представлений о естественном происхождении жизни и эволюции организмов может быть подразделена на три этапа: додарвиновский, дарвиновский и последарвиновский (современный).

Проблема жизни и живого является объектом исследования многих естественных дисциплин, начиная с биологии и завершая философией, математикой, рассматривающих абстрактные модели феномена живого, а также физикой, определяющей жизнь с позиций физических закономерностей.

Вокруг этой главной проблемы концентрируются все другие более частные проблемы и вопросы, а также строятся философские обобщения и выводы.

В соответствии с двумя мировоззренческими позициями — материалистической и идеалистической — еще в древней философии сложились противоположные концепции происхождения жизни: креационизм и материалистическая теория происхождения органической природы из неорганической.

Сторонники креационизма утверждают, что жизнь возникла в результате акта божественного творения, свидетельством чего является наличие в живых организмах особой силы, управляющей всеми биологическими процессами.

Сторонники происхождения жизни из неживой природы утверждают, что органическая природа возникла благодаря действию естественных законов. Позднее эта концепция была конкретизирована в идее самозарождения жизни.

Концепция самозарождения , несмотря на ошибочность, сыграла позитивную роль; опыты, призванные ее подтвердить, представили богатый эмпирический материал для развивающейся биологической науки. Окончательный отказ от идеи самозарождения произошел только в XIX в.

В XIX в. также была выдвинута гипотеза вечного существования жизни и ее космического происхождения на Земле. Было высказано предположение, что жизнь существует в космосе и переносится с одной планеты на другую.

В начале XX в. идею космического происхождения биологических систем на Земле и вечности существования жизни в космосе развивал русский ученый академик В.И. Вернадский.

Гипотеза академика А.И. Опарина

Принципиально новая гипотеза происхождения жизни была изложена академиком А.И. Опариным в книге «Происхождение жизни », опубликованной в 1924 г. Он выступил с утверждением, что принцип Реди , вводящий монополию биотического синтеза органических веществ, справедлив лишь для современной эпохи существования нашей планеты. В начале же своего существования, когда Земля была безжизненной, на ней происходили абиотические синтезы углеродистых соединений и их последующая предбиологическая эволюция.

Суть гипотезы Опарина заключается в следующем: зарождение жизни на Земле — длительный эволюционный процесс становления живой материи в недрах неживой. Произошло это путем химической эволюции, в результате которой простейшие органические вещества образовались из неорганических под влиянием сильнодействующих физико-химических процессов.

Появление жизни он рассматривал как единый естественный процесс, который состоял из протекавшей в условиях ранней Земли первоначальной химической эволюции, перешедшей постепенно на качественно новый уровень — биохимическую эволюцию.

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

Первый этап — химическая эволюция. Когда Земля была еще безжизненной (около 4 млрд лет назад), на ней происходили абиотический синтез углеродистых соединений и их последующая предбиоло- гическая эволюция.

Для этого периода эволюции Земли были характерны многочисленные вулканические извержения с выбросом огромного количества раскаленной лавы. По мере остывания планеты водяные пары, находившиеся в атмосфере, конденсировались и обрушивались на Землю ливнями, образуя огромные водные пространства (первичный океан). Эти процессы продолжались многие миллионы лет. В водах первичного океана были растворены различные неорганические соли. Кроме того, в океан попадали и различные органические соединения, непрерывно образующиеся в атмосфере под действием ультрафиолетового излучения, высокой температуры и активной вулканической деятельности.

Концентрация органических соединений постоянно увеличивалась, и, в конце концов, воды океана стали «бульоном » из белковопо- добных веществ — пептидов.

Второй этап — появление белковых веществ. По мере смягчения условий на Земле, под воздействием на химические смеси первичного океана электрических разрядов, тепловой энергии и ультрафиолетовых лучей стало возможным образование сложных органических соединений — биополимеров и нуклеотидов, которые, постепенно объединяясь и усложняясь, превращались в протобионтов (доклеточных предков живых организмов). Итогом эволюции сложных органических веществ стало появление коацерватов , или ко- ацерватных капель.

Коацерваты — комплексы коллоидных частиц, раствор которых разделяется на два слоя: слой, богатый коллоидными частицами, и жидкость, почти свободную от них. Коацерваты обладали способностью поглощать различные вещества, растворенные в водах первичного океана. В результате внутреннее строение коацерватов менялось в сторону повышения их устойчивости в постоянно меняющихся условиях.

Теория биохимической эволюции рассматривает коацерваты как предбиологические системы, представляющие собой группы молекул, окруженные водной оболочкой.

Так, например, коацерваты способны поглощать вещества из окружающей среды, вступать во взаимодействие друг с другом, увеличиваться в размерах и т.д. Однако в отличие от живых существ ко- ацерватные капли не способны к самовоспроизводству и саморегулированию, поэтому их нельзя отнести к биологическим системам.

Третий этап — формирование способности к самовоспроизводству, появление живой клетки. В этот период начал действовать естественный отбор, т.е. в массе коацерватных капель происходил отбор ко- ацсрватов, наиболее устойчивых к данным условиям среды. Процесс отбора шел в течение многих миллионов лет. Сохранившиеся ко- ацерватные капли уже обладали способностью к первичному метаболизму — главному свойству жизни.

Вместе с тем, достигнув определенных размеров, материнская капля распадалась на дочерние, сохраняющие особенности материнской структуры.

Таким образом, можно говорить о приобретении коацерватами свойства сам о вое производства — одного из важнейших признаков жизни. По сути дела, на этой стадии коацерваты превратились в простейшие живые организмы.

Дальнейшая эволюция этих предбиологических структур была возможна только при усложнении обменных процессов внутри ко- ацервата.

Внутренняя среда коацервата нуждалась в защите от воздействий окружающей среды. Поэтому вокруг коацерватов, богатых органическими соединениями, возникли слои липидов, отделившие ко- ацерват от окружающей его водной среды. В процессе эволюции липиды трансформировались в наружную мембрану, что значительно повысило жизнеспособность и устойчивость организмов.

Появление мембраны предопределило направление дальнейшей биологической эволюции по пути все более совершенной авторегуляции, завершившейся образованием первичной клетки — археклет- ки. Клетка — элементарная биологическая единица, структурно-фун- кциональная основа всего живого. Клетки осуществляют самостоятельный обмен веществ, способны к делению и саморегулированию, т.е. обладают всеми свойствами живого. Образование новых клеток из неклеточного материала невозможно, размножение клеток происходит только благодаря делению. Органическое развитие рассматривается как универсальный процесс клеткообразования.

В структуре клетки выделяют: мембрану, отграничивающую содержимое клетки от внешней среды; цитоплазму, представляющую собой соляной раствор с растворимыми и взвешенными ферментами и молекулами РНК; ядро, содержащее хромосомы, состоящие из молекул ДНК и присоединенных к ним белков.

Следовательно, началом жизни следует считать возникновение стабильной самовоспроизводящейся органической системы (клетки) с постоянной последовательностью нуклеотидов. Только после возникновения таких систем можно говорить о начале биологической эволюции.

Возможность абиогенного синтеза биополимеров была экспериментально доказана в середине XX в. В 1953 г. американский ученый С. Миллер смоделировал первичную атмосферу Земли и синтезировал уксусную и муравьиную кислоты, мочевину и аминокислоты путем пропускания электрических зарядов через смесь инертных газов. Таким образом было продемонстрировано, как под действием абиогенных факторов возможен синтез сложных органических соединений.

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

Сильной стороной концепции является достаточно точное эспериментальное обоснование химической эволюции, согласно которой зарождение жизни является закономерным результатом предбиологической эволюции материи.

Убедительным аргументом в пользу этой концепции является также возможность экспериментальной проверки ее основных положений.

Слабой стороной концепции является невозможность объяснения самого момента скачка от сложных органических соединений к живым организмам.

Одну из версий перехода от предбиологической к биологической эволюции предлагает немецкий ученый М. Эйген. Согласно его гипотезе возникновение жизни объясняется взаимодействием нуклеиновых кислот и протеинов. Нуклеиновые кислоты являются носителями генетической информации, а протеины служат катализаторами химических реакций. Нуклеиновые кислоты воспроизводят себя и передают информацию протеинам. Возникает замкнутая цепь — гиперцикл, в котором процессы химических реакций самоускоряются за счет присутствия катал и заторов.

В гиперциклах продукт реакции одновременно выступает и катализатором, и исходным реагентом. Подобные реакции называются автокаталитическими.

Другой теорией, в рамках которой можно объяснить переход от предбиологической эволюции к биологической, является синергетика. Закономерности, открытые синергетикой, позволяют прояснить механизм возникновения органической материи из неорганической в терминах самоорганизации через спонтанное возникновение новых структур в ходе взаимодействия открытой системы с окружающей средой.

Замечания к теории происхождения жизни и возникновении биосферы

В современной науке принята гипотеза абиогенного (небиологического) происхождения жизни под действием естественных причин в результате длительного процесса космической, геологической и химической эволюции — абиогенеза, основой которой явилась гипотеза академика А. И. Опарина. Абиогенезная концепция не исключает возможности существования жизни в космосе и ее космического про- исхожления на Земле.

Однако, исходя из современных достижений науки, к гипотезе А.И. Опарина напрашиваются следующие уточнения.

Жизнь не могла возникнуть на поверхности (или около нее) воды Океана, поскольку в те далекие времена Луна находилась много ближе к Земле, чем в настоящее время. Приливные волны должны были быть огромной высоты, большой разрушительной силы. Про- тобионты в этих условиях просто не могли образоваться.

Из-за отсутствия озонового слоя под воздействие жесткого ультрафиолетового излучения протобионты так же не могли существовать. Это говорит о том, что жизнь могла появиться только в толще воды.

Из-за особых условий жизнь могла появиться только в воде первичного Океана, но не на поверхности, а на дне в тонких пленках органического вещества, адсорбированного поверхностями кристаллов пирита и апатитов, видимо, около геотермальных источников. Поскольку, установлено, что органические соединения образуются в продуктах извержения вулканов, а вулканическая деятельность под Океаном в древности была весьма активной. Растворенного кислорода в древнем Океане, способного окислить органические соединения, не было.

Сегодня считается, что протобионты представляли собой молекулы РНК, но не ДНК, так как доказано, что процесс эволюции шел от РНК к белку, а затем к образованию молекулы ДНК, у которой С-Н связи были более прочными, чем С-ОН связи у РНК. Однако понятно, что молекулы РНК не могли возникнуть в результате плавного эволюционного развития. Вероятно, имел место скачек со всеми чертами самоорганизации вещества, механизм которого к настоящему времени не ясен.

Первичная биосфера в толще воды, вероятно, была представлена богатым функциональным разнообразием. И первое появление жизни должно было произойти не в виде какого-то одного вида организма, а в совокупности организмов. Сразу должны были появиться многие первичные биоценозы. Они состояли из простейших одноклеточных организмов, способных выполнять все без исключения функции живого вещества в биосфере.

Эти простейшие организмы были гетеротрофами (питались готовыми органическими соединениями), были прокариотами (организмами без ядра), были анаэробами (использовали дрожжевое брожение как источник энергии).

Из-за особых свойств углерода жизнь появилась именно на этой основе. Однако никакие современные данные не противоречат вероятности появления жизни не только на углеродной основе.

Некоторые будущие направления изучения происхождения жизни

В XXI в. с целью прояснения проблемы возникновения жизни, исследователи проявляют повышенный интерес к двум объектам - к спутнику Юпитера, открытому еще в 1610 г. Г. Галилеем. Он находится на расстоянии от Земли, равном 671 000 км. Его диаметр составляет 3100 км. Он покрыт многокилометровым слоем льда. Однако под покровом льда находится океан, и в нем, возможно, сохранились простейшие формы древней жизни.

Другой объект - Восточное озеро , которое называют реликтовым водоемом. Находится оно в Антарктиде под четырехкилометровым слоем льда. Наши исследователи обнаружили его в результате глубоководного бурения. В настоящее время разрабатывается международная программа, ставящая своей целью проникнуть в воды этого озера, не нарушая его реликтовую чистоту. Возможно, что там существуют реликтовые организмы возрастом несколько миллионов лет.

Проявляется также большой интерес к обнаруженной на территории Румынии пещере, не имеющей доступа света. Когда же пробурили вход в эту пещеру, то обнаружили существование слепых живых организмов типа жучков, которые питаются микроорганизмами. Эти микроорганизмы используют для своего существования неорганические соединения, содержащие сероводород, поступающие изнутри дна этой пещеры. В эту пещеру не проникает свет, но там есть вода.

Особый интерес вызывают микроорганизмы, открытые в последнее время американскими учеными при исследовании одного из соленых озер. Эти микроорганизмы п роя an я ют исключительную устойчивость к среде обитания. Они могут жить даже на чисто мышьяковистой среде.

Привлекают также большое внимание организмы, живущие в так называемых «черных курильщиках» (рис. 2.1).

Рис. 2.1. «Черные курильщики» дна океана (струи горячей воды показаны стрелками)

«Черные курильщики» — действующие на дне океанов многочисленные гидротермальные источники, приуроченные к осевым частям срединно-океанических хребтов. Из них в океаны под высоким давлением в 250 атм. поступает высокоминерализованная горячая вода (350 °С). Их вклад в тепловой поток Земли составляет порядка 20%.

Гидротермальные океанические источники выносят растворенные элементы из океанической коры в океаны, изменяя кору и внося весьма значительный вклад в химический состав океанов. Совместно с циклом генерации океанической коры в океанических хребтах и ее рециклирования в мантию, гидротермальное изменение представляет двухэтапную систему переноса элементов между мантией и океанами. Рециклированная в мантию океаническая кора, видимо, ответственна за часть мантийных неоднородностей.

Гидротермальные источники в срединно-океанических хребтах — среда обитания необычных биологических сообществ, получающих энергию из разложения соединений гидротермальных флюидов (черный цвет струи).

В океанической коре, видимо, находятся самые глубинные части биосферы, достигающие глубины 2500 м.

Гидротермачьные источники вносят значительный вклад в тепловой баланс Земли. Под срединными хребтами мантия подходит наиболее близко к поверхности. Морская вода по трещинам проникает в океаническую кору на значительную глубину, вследствие теплопроводности нагревается мантийным теплом и концентрируется в магматических камерах.

Глубокое изучение перечисленных выше «особых» объектов, несомненно, приведет ученых к более объективному пониманию проблемы происхождения жизни на нашей планете и образованию ее биосферы.

Однако следует указать, что к настоящему времени экспериментально получить жизнь не удается.

Тема: Гипотеза А. И. Опарина о происхождении жизни на Земле

Выполнила:

1. Введение

2. Основная часть

2.1 Гипотеза А. И. Опарина о происхождении жизни на Земле

2.2 Сильные и слабые стороны концепции

3. Заключение

4. Используемая литература

Введение

Жизнь – такое понятное и вместе с тем такое загадочное для каждого мыслящего человека слово. Казалось бы, что смысл этого слова должен быть ясен и однозначен для всех времен и всех народов. Однако, мы знаем,что на протяжении многих веков менялись взгляды на проблему происхождения жизни, и было высказано большое количество самых разнообразных гипотез и концепций. Некоторые из них получили широкое распространение и доминировали в те или иные периоды развития естествознания.

Одним из главных препятствий, стоявших в начале XX в. на пути решения проблемы возникновения жизни, было господствовавшее в науке и основанное на повседневном опыте убеждение, что между органическими и неорганическими соединениями не существует никакой взаимосвязи. До середины XX в. многие ученые полагали, что органические соединения могут возникать только в живом организме, биогенно. Именно поэтому их назвали органическими соединениями в противоположность веществам неживой природы - минералам, которые получили название неорганических соединений. Считалось, что природа неорганических веществ совершенно иная, а поэтому возникновение даже простейших организмов из неорганических веществ принципиально 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. Исходную основу этой гипотезы составили данные о сходстве веществ, входящих в состав растений и животных, а также о возможности в лабораторных условиях синтезировать органические вещества, составляющие белок.

Эти открытия легли в основу концепции А. И. Опарина, опубликованной в 1924 г. в книге «Происхождение жизни», где была изложена принципиально новая гипотеза происхождения жизни.

Основная часть

2.1. Гипотеза А. И. Опарина о происхождении жизни на Земле

В 1924 г. русский ученый Александр Иванович Опарин впервые сформулировал основные положения концепции предбиологической эволюции.

Появление жизни он рассматривал как единый естественный процесс, который состоял из протекавшей в условиях ранней Земли первоначальной химической эволюции, перешедшей постепенно на качественно новый уровень - биохимическую эволюцию. 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.

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

1) этап синтеза исходных органических соединений из неорганических веществ в условиях первичной атмосферы ранней Земли;

2) этап формирования в первичных водоемах Земли из накопившихся органических соединений биополимеров, липидов, углеводородов;

3) этап самоорганизации сложных органических соединений, возникновение на их основе и эволюционное совершенствование процессов обмена веществом и воспроизводства органических структур, завершающееся образованием простейшей клетки.

На первом этапе, около 4 млрд. лет назад, когда Земля была безжизненной, на ней происходили абиотический синтез углеродистых соединений и их последующая предбиологическая эволюция. Для этого периода эволюции Земли были характерны многочисленные вулканические извержения с выбросом огромного количества раскаленной лавы. По мере остывания планеты водяные пары, находившиеся в атмосфере, конденсировались и обрушивались на Землю ливнями, образуя огромные водные пространства. Поскольку поверхность Земли оставалась все-таки горячей, вода испарялась, а затем, охлаждаясь в верхних слоях атмосферы, вновь выпадала на поверхность планеты. Эти процессы продолжались многие миллионы лет. Таким образом, в водах первичного океана были растворены различные соли. Кроме того, в него попадали и органические соединения: сахара, аминокислоты, азотистые основания, органические кислоты и т.п., непрерывно образующиеся в атмосфере под действием ультрафиолетового излучения, высокой температуры и активной вулканической деятельности.

Первичный океан, вероятно, содержал в растворенном виде различные органические и неорганические молекулы, попавшие в него из атмосферы и поверхностных слоев Земли. Концентрация органических соединений постоянно увеличивалась, и, в конце концов, воды океана стали «бульоном» из белковоподобных веществ - пептидов.

На втором этапе, по мере смягчения условий на Земле, под воздействием на химические смеси первичного океана электрических разрядов, тепловой энергии и ультрафиолетовых лучей стало возможным образование сложных органических соединений - биополимеров и нуклеотидов, которые, постепенно объединяясь и усложняясь, превращались в протобионтов (доклеточные предки живых организмов). Итогом эволюции сложных органических веществ стало появление коацерватов, или коацерватных капель.

Коацерваты - это комплексы коллоидных частиц, раствор которых разделяется на два слоя: слой, богатый коллоидными частицами, и жидкость, почти свободную от них. Коацерваты обладали способностью поглощать различные вещества, растворенные в водах первичного океана. В результате внутреннее строение коацерватов менялось, что вело или к их распаду, или к накоплению веществ, т.е. к росту и изменению химического состава, повышающего их устойчивость в постоянно меняющихся условиях. Теория биохимической эволюции рассматривает коацерваты как предбиологические системы, представляющие собой группы молекул, окруженные водной оболочкой. Коацерваты оказались способными поглощать из внешней среды различные органические вещества, что обеспечило возможность первичного обмена веществ со средой.

На третьем этапе, как предполагал Опарин, начал действовать естественный отбор. В массе коацерватных капель происходил отбор коацерватов, наиболее устойчивых к данным условиям среды. Процесс отбора шел в течение многих миллионов лет, в результате чего сохранилась только малая часть коацерватов. Однако сохранившиеся коацерватные капли обладали способностью к первичному метаболизму. А обмен веществ - первейшее свойство жизни. Вместе с тем, достигнув определенных размеров, материнская капля могла распадаться на дочерние, которые сохраняли особенности материнской структуры. Таким образом, можно говорить о приобретении коацерватами свойства самовоспроизведения - одного из важнейших признаков жизни. По сути дела, на этой стадии коацерваты превратились в простейшие живые организмы.

Дальнейшая эволюция этих предбиологических структур была возможна только при усложнении обменных и энергетических процессов внутри коацервата. Более прочную изоляцию внутренней среды от внешних воздействий могла обеспечить только мембрана. Вокруг коацерватов, богатых органическими соединениями, возникли слои липидов, отделившие коацерват от окружающей его водной среды. В процессе эволюции липиды трансформировались в наружную мембрану, что значительно повысило жизнеспособность и устойчивость организмов.

В протоклетках вроде коацерватов или микросфер шли реакции полимеризации нуклеотидов, пока из них не сформировался протоген – первичный ген, способный катализировать возникновение определенной аминокислотной последовательности — первого белка. Вероятно, первым таким белком был предшественник фермента, катализирующего синтез ДНК или РНК. Те протоклетки, в которых возник примитивный механизм наследственности и белкового синтеза, быстрее делились и забрали в себя все органические вещества первичного океана. На этой стадии шел уже естественный отбор на скорость размножения; любое усовершенствование биосинтеза подхватывалось, и новые протоклетки вытесняли все предыдущие.

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

Теорию Опарина горячо поддержал кембриджский профессор Хэлдейн. Он открыл полемику по проблеме происхождения жизни в статье, опубликованной в Rationalist Annual в 1929 году. В ней Хэлден выдвинул гипотезу о том, что на первобытной Земле скопились огромные количества органических соединений, образовав то, что он назвал горячим разбавленным бульоном (hot dilute soup; впоследствии прижилось название первичный бульон или протобульон — primeval soup).

Современное двуединое понятие первобытного бульона и самозарождения жизни исходит из теории Опарина-Хэлдейна о происхождении жизни.

Наибольшим успехом теории Опарина-Хэлдейна стал широко разрекламированный эксперимент, проведенный в 1953 году американским аспирантом Стэнли Миллером.

Эксперимент Миллера

Чарльз Дарвин верил, что неживая материя может преобразоваться в живую с помощью электричества — ведь еще на его деда, Эразма Дарвина, произвел большое впечатление Франкенштейн, вышедший из-под пера Мэри Шелли. Мысль о том, что пиротехнические упражнения с электричеством могут породить жизнь, имела огромную притягательность; так что неудивителен огромный интерес к эксперименту Стэнли Миллера, результаты которого были опубликованы в 1953 году.

Наиболее полно разработанной, аргументированной и имеющей широкое признание следует признать гипотезу происхождения жизни путем биохимической эволюции, или «гипотеза Опарина-Холдейна».

А. И. Опарин, русский биохимик, академик, еще в. опубликовал свою первую книгу по данной проблеме. Дж. Холдейн, английский генетик и биохимик, с. развивал идеи, созвучные представлениям А. И. Опарина.

Она постулирует, что жизнь возникла на Земле именно из неживой материи, в условиях, имевших место на планете миллиарды лет назад. Эти условия включали наличие источников энергии, определенного температурного режима, воды и других неорганических веществ - предшественников органических соединений. Атмосфера тогда была бескислородной (источником кислорода в настоящее время являются растения, а тогда их не было).

В рамках данной теории можно выделить пять основных этапов на пути к возникновению жизни, которые приведены в табл. 1.

Таблица 1

Этапы развития жизни на Земле по гипотезе Опарина-Холдейна

Идеи о формировании и составе первичной атмосферы Земли базируются на объективных данных разных наук, на изучении газовых оболочек других планет Солнечной системы. Весьма убедительные доказательства возможности осуществления 2-го и 3-го этапов развития жизни получены в результате многочисленных экспериментов по искусственному синтезу биологических мономеров. Так, впервые в. С. Миллер (США) создал достаточно простую установку, на которой ему удалось из смеси газов и паров воды под действием ультрафиолетового облучения и электрических разрядов синтезировать ряд аминокислот и других органических соединений (рис. 1).

Рис. 1. Установка Стэнли Миллера, в которой он синтезировал аминокислоты из газов, создав условия, предположительно существовавшие в атмосфере первобытной Земли. Газы и водяные пары, циркулировавшие в установке под высоким давлением, подвергали в течение недели воздействию высокого напряжения. После этого вещества, собранные в «ловушке», исследовали методом хроматографии на бумаге. В общей сложности было выделено 15 аминокислот, в том числе глицин, аланин и аспарагиновая кислота

В опыте С. Миллера в его установке были воспроизведены условия, существовавшие на Земле в предполагаемое время. В приборе присутствовала смесь газов: водорода, аммиака, метана и пары воды. В одну из камер были введены электроды для получения разрядов, имитировавших молнии, как возможный источник энергии для химических реакций. В другой камере была налита вода, и эта камера подогревалась (для насыщения газовой смеси парами воды). Еще одна камера подвергалась охлаждению, и здесь вода конденсировалась («дождевые осадки»). Уже через неделю в конденсате и были обнаружены различные органические вещества.

В последующие десятилетия во многих лабораториях мира был осуществлен искусственный синтез разных аминокислот, нуклеотидов, простых сахаров, а затем и более сложных органических соединений. Все это подтверждает возможность образования органических веществ на Земле в отдаленные времена без участия живых организмов.

При отсутствии свободного кислорода (который разрушал бы их) и живых организмов (которые могли бы использовать их в виде пищи) эти вещества накапливались в первичном океане в высоких концентрациях.

На следующем этапе происходило образование более сложных соединений - белковоподобных веществ (цепочки из аминокислот) и коротких полинуклеотидных молекул. Вероятность этого многократно подтверждена: сегодня подобное получают экспериментально. При достижении определенной концентрации органических веществ в первичном океане могли возникать сложные агрегаты разнообразных соединений - коацерваты, мелкие шаровидные образования.

Изучение искусственно создаваемых коацерватов (очень широко исследованных А. И. Опариным и его сотрудниками) показало, что они проявляют некоторые свойства живых систем. Имея уплотненный наружный слой, некое подобие клеточной мембраны, коацерваты способны избирательно поглощать разные вещества из окружающей среды, которые участвуют в химических реакциях внутри коацерватных капель, а часть продуктов этих реакций выделяется обратно в среду. Накапливая вещества, коацерваты «растут» и, увеличившись в размерах, могут распадаться на несколько частей - «размножаться».

Коацерваты, различные по своему составу, характеризуются разной степенью устойчивости. Более устойчивые сохраняются, прочие исчезают, разрушаются.

Эти наблюдения дали основание А. И. Опарину предположить возможность действия естественного отбора (см. ниже) уже на этой стадии становления живого.

Тем не менее коацерваты при всей сложности их организации не могут считаться живыми существами прежде всего потому, что у них нет стабильного самовоспроизведения.

На следующем этапе в коацерватах образовались взаимосвязи нуклеиновых кислот и белков. Синтез белков определенного состава стал осуществляться на основе информации, заключенной в нуклеиновых кислотах.

Возникает способность нуклеиновых кислот к самовоспроизведению при участии специфических белков - ферментов. То есть можно говорить уже о появлении протобионтов - первичных форм жизни, не имеющих еще клеточной организации, но способных к самовоспроизведению и обмену веществ.

Дальнейшее развитие протобионтов, усложнение их организации привели к появлению организмов, обладающих клеточным строением, - первичных прокариот, бактерий. С этого момента начинается биологическая эволюция. По-видимому, первоначально существовали гетеротрофные организмы (поскольку в первичном океане содержалось много различных органических веществ). По мере увеличения их числа происходило уменьшение пищевых ресурсов и между ними возрастала конкуренция. Это привело к появлению автотрофов - организмов, синтезирующих необходимые им органические вещества из неорганических.

Вначале появились организмы, которые использовали энергию, полученную в результате окисления минеральных веществ. Этот процесс известен как хемосинтез, а организмы получили название хемосинтетиков. Затем, в ходе последующих эволюционных преобразований, возникли автотрофные организмы, использующие энергию солнечного света, - это фотосинтезирующие организмы (фотосинтетики). Дальнейшая биологическая эволюция обусловила формирование того многообразного мира живой природы, который мы и видим сегодня.

Разнообразие видов как результат биологической эволю ции. Эволюционное учение (теория эволюции) — биологическая дисциплина, исследующая причины и движущие силы, закономерности и механизмы развития живых организмов.

Под биологической эволюцией понимают необратимый и закономерный процесс исторического развития живого от простого к более сложному начиная с момента возникновения первых живых организмов на Земле.

В ходе эволюции одни виды сменялись другими, происходило усложнение и повышение организации живых организмов, увеличивалось их разнообразие, появился человек.

Велико мировоззренческое значение эволюционного учения: оно утверждает идею единства происхождения всего живого, объясняет причины многообразия видов, обитающих на Земле, целесообразность организации живых существ (т. е. соответствие строения и функционирования всех их систем и органов условиям существования), одновременное наличие в природе и простых, и высокоорганизованных организмов.

Эволюционное учение служит теоретической основой современной биологии, объединяя, обобщая результаты, полученные многочисленными частными биологическими науками.

Очевидно его значение и для человека при решении проблем взаимодействия с биосферой.

Наконец, знание законов и механизмов эволюции - база для развития селекции - науки, разрабатывающей методы создания и улучшения сортов культурных растений и пород домашних животных.

История развития представлений о естественном происхождении жизни и эволюции организмов может быть подразделена на три этапа: додарвиновский, дарвиновский и последарвиновский (современный).

Краснодембский Е. Г."Общая биология: Пособие для старшеклассников и поступающих в вузы"

Введение.

Жизнь — одно из сложнейших явлений природы. Со времен глубокой древности она казалась людям таинственной и непознаваемой. Приверженцы религиозных идеалистических взглядов считали жизнь духовным, нематериальным началом, возникшим в результате божественного творения. В средние века жизнь связывалась с присутствием в организмах некоей "жизненной силы", недоступной для познания средствами науки и практики.

Проблема возникновения жизни на Земле издавна не дает покоя многим ученым. С тех пор, как человек начал задаваться вопросом, откуда произошло все живое прошло много лет, и за все это время рассматривалось множество гипотез и предположений о зарождении жизни. Религиозная теория, теория самозарождения, теория панспермии, теория вечного существования жизни… Человечество до сих пор не может до конца разгадать эту загадку. Меня всегда интересовали вопросы, ответы на которые точно неизвестны и существуют только в виде предположений, теорий. Одной из таких проблем является происхождение жизни. С кратким содержанием этих теорий нас знакомили еще в школе, сейчас у меня появилась возможность рассмотреть одну из них, наиболее близкую мне, наиболее вероятную, подробнее и глубже, разобраться в ее положениях, приведенных доказательствах.

В развитии учений о происхождении жизни существенное место занимает теория, утверждающая, что все живое происходит только от живого — теория биогенеза. Эту теорию в середине ХIХ века противопоставляли ненаучным представлениям о самозарождении организмов (червей, мух и др.). Однако как теория происхождения жизни — биогенез несостоятелен, поскольку принципиально противопоставляет живое неживому, утверждает отвергнутую наукой идею вечности жизни.

Теория, предложенная А. И. Опариным в первой половине ХХ века, основана на предположении о химической эволюции, которая постепенно переходит к биохимической, а затем к биологической эволюции. Образование клетки явилось сложнейшим явлением. Но оно и положило начало развитию жизни и всему ее многообразию. Абиогенез — идея о происхождении живого из неживого — исходная гипотеза современной теории происхождения жизни. Это привело к возрождению теории самозарождения. Новая версия получила название теория химической эволюции.

Александр Иванович Опарин родился 2 марта 1894 года в городе Угличе. В 1912г. окончил Вторую московскую гимназию.

1912–1917 гг. – студент естественного отделения физико-математического факультета Московского университета.

1915г. – химик фармацевтического завода Всероссийского союза городов.

1917г. – окончил естественное отделение физико-математического факультета Московского университета и был оставлен при кафедре физиологии растений для подготовки к профессорскому званию.

Александр Иванович Опарин – создатель всемирно признанной теории происхождения жизни, положения которой блестяще выдержали более чем полувековую проверку временем; один из крупнейших советских биохимиков, заложивший фундамент исследований в области эволюционной и сравнительной биохимии, энзимологии, биохимии растений и субклеточных структур, основатель советской технической биохимии; выдающийся педагог, организатор науки, общественный деятель и блестящий популяризатор научных знаний.

Труды А.И. Опарина посвящены изучению биохимических основ переработки растительного сырья, вопросам действия ферментов в живом организме и проблеме возникновения жизни на Земле. Его работы заложили основы технической биохимии СССР. Исследуя действия ферментов в различных растениях, А.И. Опарин пришел к выводу, что в основе технологии ряда производств, имеющих дело с сырьем растительного происхождения, лежит биологический катализ.

Разрабатывая теоретические основы биологии, А.И.

Опарин выдвинул теорию возникновения жизни на Земле. На основе фактических материалов из области астрономии, химии, геологии и биологии А.И. Опарин предложил гипотезу развития материи, объясняющую возникновение жизни на Земле. Проблему происхождения жизни он рассматривал с материалистической позиции и объяснял возникновение жизни как определенный и закономерный качественный этап в историческом развитии материи.

Уже ранние исследования А.И.Опарина в области сравнительной биохимии окислительно-восстановительных процессов у простейших водорослей привели его к изучению эволюционного развития жизни и разработке основных положений проблемы происхождения жизни на Земле. В те годы (в начале XX века) среди естествоиспытателей проблема происхождения жизни считалась проблемой, не допускающей экспериментального подхода и не разрешимой методами естественных наук. Крупнейшей научной за слугой А.И.Опарина является то, что он убедительно показа возможность научного экспериментального подхода к исследованию проблемы происхождения жизни. Он изложил свои идеи в книге «Происхождение жизни», опубликованной в Советском Союзе в 1924 году и переведенной на английский язык в 1938 году. Пик исследований А. И. Опарина и его соавторов приходился на 50-60-е годы, хотя его книга «Происхождение жизни» была опубликована раньше.

Появление жизни А.И. Опарин рассматривал как единый естественный процесс, который состоял из протекавшей в условиях ранней Земли первоначальной химической эволюции, перешедшей постепенно на качественно новый уровень — биохимическую эволюцию.

1. Первобытная Земля имела разреженную (то есть лишенную кислорода) атмосферу. Когда на эту атмосферу стали воздействовать различные естественные источники энергии — например, грозы и извержения вулканов — то при этом начали самопроизвольно формироваться основные химические соединения, необходимые для органической жизни.

С самого начала этот процесс был связан с геологической эволюцией. В настоящее время принято считать, что возраст нашей планеты составляет примерно 4,3 млрд лет. В далеком прошлом Земля была очень горячей (4000-8000 °С). По мере остывания образовывалась земная кора, а из воды, аммиака, двуокиси углерода и метана — атмосфера. Такая атмосфера называется «восстановительной», поскольку не содержит свободного кислорода. При падении температуры на поверхности Земли ниже 1000C образовались первичные водоемы. Под действием электрических разрядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси происходил синтез органических веществ-мономеров, которые локально накапливались и соединялись друг с другом, образуя полимеры. Можно допустить, что тогда же одновременно, с полимеризацией шло образование надмолекулярных комплексов-мембран.

2. С течением времени молекулы органических веществ накапливались в океанах, пока не достигли консистенции горячего разбавленного бульона. Однако в некоторых районах концентрация молекул, необходимых для зарождения жизни, была особо высокой, и там образовались нуклеиновые кислоты и протеины.

По однотипным правилам синтезировались в «первичном бульоне» гидросферы Земли полимеры всех типов: аминокислоты, полисахариды, жирные кислоты, нуклеиновые кислоты, смолы, эфирные масла и др. Это предположение было проверено экспериментально в 1953 году на установке Стэнли Миллера.

Эксперимент Миллера, ставший поворотным пунктом в этой области, был предельно прост. Аппарат состоял из двух стеклянных колб, соединенных в замкнутую цепь. В одну из колб помещено устройство, имитирующее грозовые эффекты — два электрода, между которыми происходит разряд при напряжении около 60 тысяч вольт; в другой колбе постоянно кипит вода. Затем аппарат заполняется атмосферой, предположительно существовавшей на древней Земле: метаном, водородом и аммиаком. Аппарат проработал неделю, после чего были исследованы продукты реакции. В основном получилась вязкое месиво случайных соединений; в растворе также было обнаружено некоторое количество органических веществ, в том числе и простейшие аминокислоты — глицин и аланин.

Первичные клетки предположительно возникли при помощи молекул жиров (липидов).

Молекулы воды, смачивая только гидрофильные концы молекул жиров, ставили их как бы «на голову», гидрофобными концами вверх. Таким способом создавался комплекс упорядоченных молекул жиров, которые за счет прибавления к ним новых молекул постепенно отграничивали от всей окружающей среды некоторое пространство, которое и стало первичной клеткой, или коацерватом - пространственно обособившейся целостной системой. Коацерваты оказались способными поглощать из внешней среды различные органические вещества, что обеспечивало возможность первичного обмена веществ со средой.

3. Первые клетки были гетеротрофами, они не могли воспроизводить свои компоненты самостоятельно и получали их из бульона. Но со временем многие соединения стали исчезать из бульона, и клетки были вынуждены воспроизводить их самостоятельно. Так клетки развивали собственный обмен веществ для самостоятельного воспроизводства.

Таким образом, первичная клеточная структура, по Опарину, представляла собой открытую химическую микроструктуру, которая была наделена способностью к первичному обмену веществ, но еще не имела системы для передачи генетической информации на основе нуклеиновых кислот. Такие системы, черпающие из окружающей среды вещества и энергию, могут противостоять нарастанию энтропии и способствовать ее уменьшению в процессе своего роста и развития, что является характерным признаком всех живых систем. Отдельная молекула, даже очень сложная, не может быть живой. Это значит, что не разрозненные части определяют собой организацию целого, а целое, продолжая эволюционировать, обусловливает целесообразность строения частей.

Естественный отбор сохранял те системы, в которых были более совершенными функция обмена веществ и приспособленность организма в целом к существованию в данных условиях внешней среды. Постепенное усложнение протобионтов осуществлялось отбором таких коацерватных капель, которые обладали преимуществом в лучшем использовании вещества и энергии среды. Отбор как основная причина совершенствования коацерватов до первичных живых существ - центральное положение в гипотезе Опарина.

Теория Опарина о происхождении жизни на Земле

В настоящее время наиболее широкое признание получила гипотеза о происхождении жизни на Земле, разработанная советским ученым академиком А.И.Опариным. Эта гипотеза исходит из предположения о постепенном возникновении жизни на Земле из неорганических веществ путем длительной абиогенной (небиологической) молекулярной эволюции.

Считают, что Земля и другие планеты Солнечной системы образовались из газово-пылевого облака около 4,5 млрд. лет назад. На первых этапах своего формирования Земля имела высокую температуру. По мере остывания планеты тяжелые элементы перемещались к её центру, а более легкие оставались на поверхности. Атмосфера состояла из свободного водорода и его соединений (H2O, CH4, NH3, HCN) и поэтому носила восстановительный характер. Это обстоятельство послужило важной предпосылкой возникновения органических молекул небиологическим путем. Соединения, являющиеся восстановителями, легко вступают в химические реакции, отдавая водород, и при этом сами окисляются. Компоненты атмосферы подверглись воздействию различных источников энергии: жесткому, близкому к рентгеновскому, коротковолновому излучению Солнца, грозовым разрядам, высокой температуры в области грозовых разрядов и в районах активной вулканической деятельности и т.п. В результате этих воздействий химически простые компоненты атмосферы вступали во взаимодействие, изменяясь и усложняясь. Возникали молекулы сахаров, аминокислот, азотистые основания, органические кислоты (уксусная, муравьиная, молочная и др.) и другие простые органические соединения.

Некоторые из этих реакций ученые смогли воспроизвести в лабораторных условиях. В 1935 г. Американский ученый Л.С. Миллер, пропуская электрический разряд через смесь H2, H2O, CH4 и NH3, получил смесь нескольких аминокислот и органических кислот. В дальнейшем оказалось, что абиогенным путем в отсутствие кислорода могут быть синтезированы многие простые органические соединения, входящие в состав биологических полимеров – белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов. В водной среде при определенных условиях из синильной кислоты, аммиака и некоторых других соединений могут возникать аминокислоты. Из азотистых оснований в присутствии неорганических фосфорных соединений образуется аденозинмонофосфат (АМФ), а также аденозиндифосфат (АДФ) и аденозинтрифосфат (АТФ), сахара, аминокислоты.

Возможность абиогенного синтеза органических соединений доказывается тем, что они обнаружены в космическом пространстве. В космосе найдены цианистый водород, формальдегид, муравьиная кислота, метиловый и этиловый спирты и другие вещества. В некоторых метеоритах заключены жирные кислоты, сахара, аминокислоты. Все это свидетельствует о том, что органические соединения могли возникнуть чисто химическим путем в условиях, существовавших на Земле около 4 млрд. лет назад.

Таким образом, условиями для абиогенного возникновения органических соединений можно считать восстановительный характер атмосферы Земли, высокую температуру, грозовые разряды и мощное ультрафиолетовое излучение Солнца, которое тогда еще не задерживалось озоновым экраном.

По мере охлаждения Земли водяной пар, содержавшийся в атмосфере, конденсировался, на поверхность Земли обрушивались дожди, образуя на ней большие водные пространства. В воде были растворены аммиак, диоксид углерода, синильная кислота, метан и более сложные органические соединения, образовавшиеся в атмосфере. Органические молекулы, такие, как аминокислоты или нуклеотиды, в водной среде могут связываться друг с другом (конденсировать) с образованием полимеров. При этом выделяется вода. Две аминокислоты могут соединиться пептидной связью, а два нуклеотида – фосфодиэфирной связью. Следует отметить, что для синтеза простых соединений требуются более жесткие условия, чем для возникновения сложных. Например, синтез аминокислот происходит при температуре около 1000 С, а конденсация их в полипептиды – при температуре 160 С.

Однако реакции эти в отсутствие белков-ферментов идут очень медленно. Среди случайно образующихся полипептидов есть такие, которые обладают каталитической активностью и могли ускорять процессы матричного синтеза полинуклеотидов. Следовательно, следующим важным шагом предбиологической эволюции было объединение способности нуклеотидов к самовоспроизведению со способностью полипептидов к каталитической активности. Стабильность, устойчивость «удачных» комбинаций аминокислот – полипептидов обеспечивается только сохранением информации о них в нуклеиновых кислотах. В свою очередь, полипептиды или белки, синтезируемые на основе информации, заложенной в молекулах РНК, могут облегчать редупликацию этих молекул. Так путем отбора возник генетической код, или «словарь», устанавливающий соответствие между триплетами нуклеотидов и аминокислотами.

Дальнейшее усложнение обмена веществ могло происходить только в условиях пространственной близости генетического кода и кодируемых им белков, а также изоляции реагирующих компонентов от внешней среды. Действительно, отбор молекул РНК по качеству кодируемого ею белка осуществляется только в том случае, если белок не диффундирует в любом направлении, а сохраняется в каком-либо изолированном пространстве, где и участвует в обменных процессах. Возможность отделения белоксинтезирующей системы от внешней среды заложена в физико-химических свойствах молекул. Органические молекулы также окружены водной оболочкой, толщина которой зависит от величины заряда молекулы, концентрации солей в растворе, температуры и прочее.

При определенных условиях водная оболочка приобретает четкие границы и отделяется от окружающего раствора. Молекулы, окруженные водной оболочкой, могут объединяться, образуя многомолекулярные комплексы – коацерваты. В первичном океане коацерваты, или коацерватные капли, обладали способностью поглощать различные вещества. В результате этого внутренний состав коацервата претерпевал изменения, что вело либо к распаду, или накоплению веществ, т.е. к росту и к изменению химического состава, повышающего устойчивость коацерватной капли. Судьба капли определялась преобладанием одного из указанных процессов. Академик А.И. Опарин отмечал, что в массе коацерватных капель должен был идти отбор наиболее устойчивых в данных конкретных условиях. Достигнув определенных размеров, материнская коацерватная капля могла распадаться на дочерние. Дочерние коацерваты, структура которых мало отличалась от материнской, продолжали свой рост, а резко отличавшиеся капли распадались. Продолжали существовать только те коацерватные капли, которые, вступая в какие-то элементарные формы обмена со средой, сохраняли относительное постоянство своего состава. В дальнейшем они приобрели способность поглощать из окружающей среды не всякие вещества, а лишь те, которые обеспечивали им устойчивость, а также способность выделять наружу продукты обмена. Постепенно увеличивались различия между химическим составом капли и окружающей средой. В процессе длительного отбора (его называют химической эволюцией) сохранились лишь те капли, которые при распаде на дочерние не утрачивали особенностей своей структуры, т.е. приобрели свойство самовоспроизведения. Эволюция коацерватов завершилась образованием мембраны, отделяющей их от окружающей среды и состоящей из фосфолипидов. Подобные искусственные мембраны, окаймляющие пузырьки размером от 1 до 10 мкм, сейчас без труда создаются в экспериментальных условиях. Образование наружной мембраны предопределило направление дальнейшей химической эволюции по пути развития все более совершенных саморегулирующихся систем вплоть до возникновения первых примитивных клеток. Оказавшись в окруженном мембранной замкнутом пространстве, молекулы РНК эволюционировали, причем признаком, по которому происходил отбор, была не собственная структура РНК, но главным образом свойства кодируемых ими белков.

Таким образом, нуклеотидная последовательность РНК стала проявляться в свойствах клетки как целого. Ключевым событием в возникновении клетки послужило объединение матричной функции РНК и каталитической функции пептидов. На каком-то более позднем этапе эволюции ДНК заменила РНК в качестве вещества наследственности.

Появление первых клеточных организмов положило начало биологической эволюции. Это произошло 3 – 3,5 млрд. лет назад. Первые живые организмы обладали способностью к самовоспроизведению и другими основными признаками живого, существовали в восстановительной среде и имели анаэробный тип обмена. По своему строению они напоминали современных бактерий.

Теория возникновения жизни, предложенная советским ученым Александром Опариным (1894-1980) надолго стала одной из самых влиятельных в научном мире. Данная теория описывает жизнь с позиций материалистической методологии и постулирует самозарождение жизни под воздействием физико-химических процессов, протекающих в условиях первобытной Земли.

Теория Опарина является теорией химической эволюции. Свои идеи ученый впервые изложил в книге «Происхождение жизни», опубликованной в Советском Союзе в 1924 году и переведенной на английский язык в 1938 году. Теорию Опарина горячо поддержал кембриджский профессор, воинствующий атеист, многолетний главный редактор коммунистической газеты «Дейли Уоркер». Хэлдейн открыл полемику по проблеме происхождения жизни в статье, опубликованной в «Ежегодном Вестнике Рационалиста» в 1929 году. В ней Хэлден выдвинул гипотезу о том, что на первобытной Земле скопились огромные количества органических соединений, образовав то, что получило название «первичного бульона» или «протобульона».

Современные понятия "первобытного бульона" и "самозарождения жизни" исходит из теории Опарина-Хэлдейна о происхождении жизни. Суть теории сводится к следующему:

1. Первобытная Земля имела разреженную (то есть лишенную кислорода) атмосферу.

2. Когда на эту атмосферу стали воздействовать различные естественные источники энергии - например, грозы и извержения вулканов - то при этом начали самопроизвольно формироваться основные химические соединения, необходимые для органической жизни.

3. С течением времени молекулы органических веществ накапливались в океанах, пока не достигли консистенции горячего разбавленного бульона. Однако в некоторых районах концентрация молекул, необходимых для зарождения жизни, была особо высокой, и там образовались нуклеиновые кислоты и протеины.

4. Некоторые из этих молекул оказались способны к самовоспроизводству.

5. Взаимодействие между возникшими нуклеиновыми кислотами и протеинами в конце концов привело к возникновению генетического кода.

6. В дальнейшем эти молекулы объединились, и появилась первая живая клетка.

7. Первые клетки были гетеротрофами, они не могли воспроизводить свои компоненты самостоятельно и получали их из бульона. Но со временем многие соединения стали исчезать из бульона, и клетки были вынуждены воспроизводить их самостоятельно. Так клетки развивали собственный обмен веществ для самостоятельного воспроизводства.

8. Благодаря процессу естественного отбора из этих первых клеток появились все живые организмы, существующие на Земле.

Наибольшим успехом теории Опарина-Хэлдейна стал широко известный эксперимент, проведенный в 1953 году американским аспирантом Стэнли Миллером.

Эксперимент Миллера

Проверил теорию Стэнли Миллер в 1953 году. Эксперимент Миллера - Юри, ставший поворотным пунктом в этой области, был предельно прост. Аппарат состоял из двух стеклянных колб, соединенных в замкнутую цепь. В одну из колб помещено устройство, имитирующее грозовые эффекты - два электрода, между которыми происходит разряд при напряжении около 60 тысяч вольт; в другой колбе постоянно кипит вода. Затем аппарат заполняется атмосферой, предположительно существовавшей на древней Земле: метаном, водородом и аммиаком. Аппарат проработал неделю, после чего были исследованы продукты реакции. В основном получилось вязкое месиво случайных соединений; в растворе также было обнаружено некоторое количество органических веществ, в том числе и простейшие аминокислоты - глицин и аланин. Позднее в разных условиях были получены также сахара и нуклеотиды. Миллер сделал вывод, что эволюция может произойти при фазово-обособленном состоянии из раствора (коацерватов). Однако, такая система не может сама себя воспроизводить.

Публикация данных эксперимента Миллера вызвала беспрецедентный интерес, и вскоре многие другие ученые стали повторять этот эксперимент. При этом обнаружилось, что видоизменение условий эксперимента дает возможность получать небольшое количество других аминокислот. Однако повторить эксперимент было сложно, и многие результаты были получены только после множества безрезультатных попыток.

Сообщалось о том, что в процессе экспериментов возникли основные компоненты, необходимые для жизни. Так, в некоторых учебниках биологии говорится, что в ходе экспериментов были получены представители всех важнейших типов молекул, имеющихся в клетках. Это утверждение абсолютно неверно, так как из многих биохимических веществ, имеющихся в клетках, только два подобны тем, что получены в экспериментах типа миллеровских - это глицин и аланин. Но и они были представлены в очень малых концентрациях. К тому же в ходе экспериментов ни разу не были получены нуклеиновые кислоты, протеин, липид и полисахарид - более 90% веществ, составляющих живую клетку.

Почти все специалисты в области происхождения жизни долго закрывали глаза неа одну проблему теории Опарина - Холдейна. Даже если спонтанно, путём случайных безматричных синтезов в коацервате и возникали единичные удачные конструкции белковых молекул (например, эффективные катализаторы, обеспечивающие преимущество данному коацервату в росте и размножении), то остается неизвестным механизм, с помощью которого 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. Однако, было показано, что первые коацерваты могли образоваться самопроизвольно из липидов, синтезированных абиогенным путем, и они могли вступить в симбиоз с «живыми растворами» - колониями самовоспроизводящихся молекул РНК, среди которых были и рибозимы, катализирующие синтез липидов, а такое сообщество уже можно назвать организмом.

Теория (правильнее было бы говорить о гипотезе) Опарина вызывает большое количество споров, но до сих пор является основной в биологии.

Русская Цивилизация

1. Что такое жизнь?

Ответ. Жизнь - способ бытия сущностей (живых организмов), наделенных внутренней активностью, процесс развития тел органического строения с устойчивым преобладанием процессов синтеза над процессами распада, особое состояние материи, достигаемое за счёт следующих свойств. Жизнь - это способ существования белковых тел и нуклеиновых кислот, существенным моментом которой является постоянный обмен веществ с окружающей средой, причем с прекращением этого обмена прекращается и жизнь.

2. Какие гипотезы происхождения жизни вам известны?

Ответ. Различные представления о возникновении жизни можно объединить в пять гипотез:

1) креационизм - Божественное сотворение живого;

2) самопроизвольное зарождение - живые организмы возникают самопроиз­вольно из неживого вещества;

3) гипотеза стационарного состояния - жизнь существовала всегда;

4) гипотеза панспермии - жизнь занесена на нашу планету извне;

5) гипотеза биохимической эволюции - жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам. В настоящее время большинство ученых поддерживают идею абиогенного за­рождения жизни в процессе биохимической эволюции.

3. В чем основной принцип научного метода?

Ответ. Научный метод - это совокупность приемов и операций, используемых при построении системы научных знаний. Основной принцип научного метода - ничего не воспринимать на веру. Любое утверждение либо опровержение чего-либо следует проверить.

Вопросы после § 89

1. Почему представление о божественном происхождении жизни нельзя ни подтвердить, ни опровергнуть?

Ответ. Процесс Божественного сотворения мира мыслится как имевший место лишь единожды и поэтому недоступный для исследования. Наука занимается только теми явлениями, которые поддаются наблюдению и экспериментальному исследованию. Следовательно, с научной точки зрения гипотезу Божественного возникновения живого нельзя ни доказать, ни опровергнуть. Главный принцип научного метода - «ничего не принимай на веру». Следовательно, логически не может быть противоречия между научным и религиозным объяснением возникновения жизни, так как эти две сферы мышления взаимно исключают одна другую.

2. Каковы основные положения гипотезы Опарина – Холдейна?

Ответ. В современных условиях возникновение живых существ из неживой природы невозможно. Абиогенное (т. е. без участия живых организмов) возникновение живой материи возможно было только в условиях древней атмосферы и отсутствия живых организмов. В состав древней атмосферы входили метан, аммиак, углекислый газ, водород, пары воды и другие неорганические соединения. Под действием мощных электрических разрядов, ультрафиолетового излучения и высокой радиации из этих веществ могли возникать органические соединения, которые накапливались в океане, образуя «первичный бульон». В «первичном бульоне» из биополимеров образовывались многомолекулярные комплексы - коацерваты. В коацерватные капли из внешней среды попадали ионы металлов, выступавшие в качестве первых катализаторов. Из огромного количества химических соединений, присутствовавших в «первичном бульоне», отбирались наиболее эффективные в каталитическом отношении комбинации молекул, что в конечном счете привело к появлению ферментов. На границе между коацерватами и внешней средой выстраивались молекулы липидов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны. На определенном этапе белковые пробионты включили в себя нуклеиновые кислоты, создав единые комплексы, что привело к возникновению таких свойств живого, как самовоспроизведение, сохранение наследственной информации и ее передача последующим поколениям. Пробионты, у которых обмен веществ сочетался со способностью к самовоспроизведению, можно уже рассматривать как примитивные проклетки, дальнейшее развитие которых происходило по законам эволюции живой материи.

3. Какие экспериментальные доказательства можно привести в пользу данной гипотезы?

Ответ. В 1953 г. эта гипотеза А. И. Опарина была экспериментально подтверждена опытами американского ученого С. Миллера. В созданной им установке были смоделированы условия, предположительно существовавшие в первичной атмосфере Земли. В результате опытов были получены аминокислоты. Сходные опыты многократно повторялись в различных лабораториях и позволили доказать принципиальную возможность синтеза в таких условиях практически всех мономеров основных биополимеров. В дальнейшем было установлено, что при определенных условиях из мономеров возможен синтез более сложных органических биополимеров: полипептидов, полинуклеотидов, полисахаридов и липидов.

4. В чем отличия гипотезы А. И. Опарина от гипотезы Дж. Холдейна?

Ответ. Дж. Холдейн также выдвинул гипотезу абиогенного зарождения жизни, но, в отличие от А. И. Опарина, он отдавал первенство не белкам - коацерватным системам, способным к обмену веществ, а нуклеиновым кислотам, то есть макромолекулярным системам, способным к самовоспроизводству.

5. Какие доводы приводят оппоненты, критикуя гипотезу Опарина – Холдейна?

Ответ. Гипотеза Опарина – Холдейна имеет и слабую сторону, на которую указывают ее оппоненты. В рамках данной гипотезы не удается объяснить главную проблему: как произошел качественный скачок от неживого к живому. Ведь для саморепродукции нуклеиновых кислот необходимы ферментные белки, а для синтеза белков – нуклеиновые кислоты.

Приведите возможные доводы «за» и «против» гипотезы панспермии.

Ответ. Аргументы за:

Жизнь на уровне прокариот появилась на Земле почти сразу же после её формирования, хотя дистанция (в смысле разности в уровне сложности организации) между прокариотами и млекопитающими сравнима с дистанцией от первичного бульона до покариот;

В случае зарождения жизни на какой-либо планете нашей галактики, она, как показывают, например, оценки А.Д.Панова, за срок всего порядка нескольких сот миллионов лет может "заразить" всю галактику;

Находки в некоторых метеоритах артефактов, которые могут интерпретироваться как результат деятельности микроорганизмов (ещё до попадания метеорита на Землю).

Гипотеза панспермии (жизнь занесена на нашу планету извне) не отвечает на главный вопрос, как возникла жизнь, а переносит эту проблему в какое-то другое место Вселенной;

Полное радиомолчание Вселенной;

Поскольку выяснилось, что всей нашей Вселенной всего лишь 13 млрд. лет (т.е. вся Наша Вселенная только в 3 раза старше (!) планеты Земля), то времени на зарождение жизни где-то там вдали... остается совсем мало. До ближайшей к нам звезды а-центавра расстояние - 4 св. года. Современный истребитель (4 скорости звука) будет лететь до этой звезды ~ 800.000 лет.

Ч. Дарвин в 1871 г. писал: «Но если бы сейчас… в каком-либо теплом водоеме, содержащем все необходимые соли аммония и фосфора и доступном воздействию света, тепла, электричества и т. п., химически образовался белок, способный к дальнейшим, все более сложным превращениям, то это вещество немедленно было бы разрушено или поглощено, что было невозможно в период до возникновения живых существ».

Подтвердите или опровергните данное высказывание Ч. Дарвина.

Ответ. Процесс возникновения живых организмов из простых органических соединений был крайне длительным. Чтобы на Земле зародилась жизнь, понадобился длившийся много миллионов лет эволюционный процесс, в течение которого сложные молекулярные структуры, прежде всего нуклеиновые кислоты и белки, прошли отбор на устойчивость, на способность к воспроизведению себе подобных.

Если сейчас на Земле где-нибудь в районах интенсивной вулканической деятельности и могут возникнуть достаточно сложные органические соединения, то вероятность сколько-нибудь продолжительного существования этих соединений ничтожна. Возможность повторного возникновения жизни на Земле исключена. Теперь живые существа появляются только вследствие размножения.