Курсовая работа: Мир живого
Возможность такого синтеза была доказана опытами А.М. Бутлерова (1828-1886), который еще в середине прошлого столетия из формальдегида получил углеводы (сахар). В 1951-1957 гг. американский химик С. Миллер из смеси газов (аммиака, метана, водяного пара, водорода) при 70-80° С и давлении в несколько атмосфер под воздействием электрических разрядов напряжением 60 000 вольт и ультрафиолетовых лучей синтезировал ряд органических кислот, в том числе аминокислот (глицин, аланин, аспарагиновую и глутаминовую кислоты), которые являются материалом для образования белковой молекулы. Таким образом, были смоделированы условия первичной атмосферы Земли, при которых могли образовываться аминокислоты, а при их полимеризации - и первичные белки.
Эксперименты в этом направлении оказались перспективными. Они показали, что (при использовании других соотношений исходных газов и видов источника энергии) путем реакции полимеризации из простых молекул могли быть образованы и более сложные молекулы: белки, липиды, нуклеиновые кислоты и их производные. Позже была доказана возможность синтеза в условиях лаборатории и других сложных биохимических соединений, в том числе белковых молекул (инсулина), азотистых оснований нуклеотидов. Особенно важно то, что лабораторные эксперименты совершенно определенно показали возможность образования белковых молекул в условиях отсутствия жизни.
С определенного этапа в процессе химической эволюции активное участие принимает кислород. В атмосфере Земли кислород мог накапливаться в результате разложения воды и водяного пара под действием ультрафиолетовых лучей Солнца. (Для превращения восстановленной атмосферы первичной Земли в окисленную потребовалось не меньше 1 – 1,2 млрд. лет). С накоплением в атмосфере кислорода восстановленные соединения начали окисляться. Так, при окислении метана образовались метиловый спирт, формальдегид, муравьиная кислота и т. д., которые вместе с дождевой водой попадали в первичный океан. Эти вещества, вступая в реакции с аммиаком и цианистым водородом, дали начало аминокислотам и соединениям типа аденина. Важно и то, что более сложные органические соединения являются более стойкими, чем простые соединения, перед разрушающим действием ультрафиолетового излучения.
Анализ возможных оценок количества органического вещества, которое накопилось неорганическим путем на ранней Земле, впечатляет: по некоторым расчетам (К. Сагана) за 1 млрд. лет над каждым кв. см. земной поверхности образовалось несколько килограммов органических соединений. Если их все растворить в мировом океане, то концентрация раствора была бы приблизительно 1%. Это довольно концентрированный “органический бульон”. В таком “бульоне” мог вполне успешно развиваться процесс образования более сложных органических молекул. Таким образом, воды первичного океана постепенно все более насыщались разнообразными органическими веществами, образуя “первичный бульон”. И, как показывают расчеты, насыщению такого “органического бульона” в немалой степени способствовала еще и деятельность подземных вулканов.
2.2.3. “Первичный бульон” и образование коацерватов
Дальнейший этап биогенеза связан с концентрацией органических веществ, возникновением белковых тел.
В водах первичного океана концентрация органических веществ увеличивалась, происходило их смешивание, взаимодействие и объединение в мелкие обособленные структуры раствора. Такие структуры легко можно получить искусственно, смешивая растворы разных белков, например, желатина и альбумина. Эти обособленные в растворе органические многомолекулярные структуры наш выдающийся отечественный ученый А.И. Опарин назвал коацерватными каплями или коацерватами. Коацерваты - мельчайшие коллоидальные частицы - капли, обладающие осмотическими свойствами. Коацерваты образуются в слабых растворах. Вследствие взаимодействия противоположных электрических зарядов происходит агрегация молекул. Мелкие сферические частицы возникают потому, что молекулы воды создают вокруг образовавшегося агрегата поверхность раздела.
Исследования показали, что коацерваты имеют достаточно сложную организацию и обладают рядом свойств, которые сближают их с простейшими живыми системами. Так, например, они способны поглощать из окружающей среды разные вещества и увеличиваться в размере. Поглощенные вещества вступают во взаимодействие с соединениями самой капли. Эти процессы в какой-то мере напоминают первичную форму ассимиляции. Вместе с тем, в коацерватах могут происходить и процессы распада, а также выделения продуктов распада. Соотношение между этими процессами у разных коацерватов неодинаково. Выделяются отдельные динамически более стойкие структуры с преобладанием синтетической деятельности. Внешнее сходство структур и некоторых процессов, которые происходят в коацерватах, еще не дает основания для отнесения их к живым системам, потому что они лишены способности к самовоспроизведению и саморегуляции синтеза органических веществ. Но важные предпосылки возникновения живого в них уже содержались.
Прежде всего, коацерваты объясняют появление биологических мембран. Образование мембранной структуры считается самым “трудным” этапом химической эволюции жизни. Истинное существо (в виде клетки, пусть даже самой примитивной) не могло оформиться до возникновения мембранной структуры и ферментов. Биологические мембраны, как известно, составляют агрегаты белков и липидов, способные разграничить вещества от среды и придать упаковке молекул прочность. Мембраны могли возникнуть в ходе формирования коацерватов.
Повышенная концентрация органических веществ в коацерватах увеличивала возможность взаимодействия между молекулами и усложнения органических соединений. Коацерваты образовывались в воде при соприкосновении двух слабо взаимодействующих полимеров.
Кроме коацерватов, в “первичном бульоне” накапливались полинуклеотиды, полипептиды и различные катализаторы, без которых невозможно образование способности к самовоспроизведению и обмену веществ. Катализаторами могли быть и неорганические вещества. Так, Дж. Берналом в свое время была выдвинута гипотеза о том, что наиболее удачные условия для возникновения жизни складывались в небольших спокойных теплых лагунах с большим количеством ила, глинистой мути. В такой среде очень быстро протекает полимеризация аминокислот; здесь процесс полимеризации не нуждается в нагревании, так как частицы ила выступают в качестве своеобразных катализаторов.
2.2.4. Возникновение простейших форм живого
Главная проблема в учении о происхождении жизни состоит в объяснении возникновения матричного синтеза белков. Жизнь возникла не тогда, когда образовались пусть даже очень сложные органические соединения, отдельные молекулы ДНК и др., а тогда, когда начал действовать механизм конвариантной редупликации.
Именно поэтому завершение процесса биогенеза связано с возникновением у более стойких коацерватов способности к самовоспроизведению составных частей, с переходом к матричному синтезу белка, характерному для живых организмов. Наибольшие шансы на сохранение имели в ходе предбиологического отбора те коацерваты, у которых способность к обмену веществ сочеталась со способностью к самовоспроизведению.
Переход к матричному синтезу белков был величайшим качественным скачком в эволюции материи. Однако, механизм такого перехода пока не вполне ясен. Главное том, чтобы объяснить, как в ходе предбиологического отбора объединились способности к самовоспроизведению полинуклеотидов с каталитической активностью полипептидов. Ведь способность нуклеиновых кислот к конвариантной редупликации может быть в полной мере реализована лишь с помощью каталитической функции белков. А, с другой стороны, синтез самих белков путем удлинения пептидной цепочки не имел бы большого успеха без передачи стабильности хранением о нем “информации” в нуклеиновых кислотах. И все это происходит в условиях пространственно-временного разобщения начальных и конечных продуктов реакции.
Существуют разные гипотезы на сей счет, но все они так или иначе не полны. Однако, в настоящее время наиболее перспективными здесь являются гипотезы, которые опираются на принципы теории самоорганизации, синергетики. В частности, представления о гиперциклах - системы, связывающие самовоспроизводящиеся (автокаталитические) единицы друг с другом посредством циклической связи. В такого рода системах продукт реакции одновременно является и ее катализатором или исходным реагентом. Именно в такого рода системах, по-видимому, и возникает явление самовоспроизведения, которое на первых этапах вовсе могло и не быть точной копией исходного органического образования. О трудностях становления самовоспроизведения свидетельствует само существование вирусов и фагов, которые представляют собой, по-видимому, осколки форм предбиологической эволюции.
В последующем предбиологический отбор коацерватов, по-видимому, шел по нескольким направлениям. Во-первых, в направлении выработки способности накопления специальных белковоподобных полимеров, ответственных за ускорение химических реакций. В результате строение нуклеиновых кислот путем изменялось в направлении преимущественного “размножения” систем, в которых удвоение нуклеиновых кислот осуществлялось с участием ферментов. На этом пути и возникает характерный для живых существ циклический обмен веществ:
Энергетический метаболизм
Э Я
Специфические ферменты Полимерный синтез
(образование мономолекулярных систем)
Э Я
Редупликация нуклеиновых кислот
Во-вторых, в системе коацерватов происходил и отбор самих нуклеиновых кислот по наиболее удачному сочетанию последовательности нуклеотидов. На этом пути формировались гены. Самовоспроизводящиеся системы со сложившейся стабильной последовательностью нуклеотидов в нуклеиновой кислоте уже могут быть названы живыми.
