Теорія виникнення життя
(За Опаріну)
Виконав:
Муллазянова А. В. гр. м101з
Перевірив:
К.Х. н. доц. Ільвес Г. М.
Єкатеринбург 2009
В даний час найбільш широке визнання отримала гіпотеза про походження життя на Землі, розроблена радянським ученим академіком А. І. Опаріним. Ця гіпотеза виходить з припущення про поступове виникнення життя на Землі з неорганічних речовин шляхом тривалої абіогенної (небіологічної) молекулярної еволюції.
Вважають, що Земля та інші планети Сонячної системи утворилися з газово-пилової хмари близько 4,5 млрд. років тому. На перших етапах свого формування Земля мала високу температуру. У міру остигання планети важкі елементи переміщалися до її центру, а більш легкі залишалися на поверхні. Атмосфера складалася з вільного водню і його сполук (H2O, CH4, NH3, HCN) і тому носила відновлювальний характер. Ця обставина послужила важливою передумовою виникнення органічних молекул небіологічних шляхом. Сполуки, є відновниками, легко вступають в хімічні реакції, віддаючи водень, і при цьому самі окислюються. Компоненти атмосфери зазнали впливу різних джерел енергії: жорсткого, близьким до рентгенівського, короткохвильового випромінювання Сонця, грозових розрядів, високої температури в області грозових розрядів і в районах активної вулканічної діяльності і т. п. У результаті цих впливів хімічно прості компоненти атмосфери вступали у взаємодію, змінюючись і ускладнюючи. Виникали молекули цукрів, амінокислот, азотисті основи, органічні кислоти (оцтова, мурашина, молочна та ін) та інші прості органічні сполуки.
Деякі з цих реакцій вчені змогли відтворити в лабораторних умовах. У 1935 р . Американський учений Л. С. Міллер, пропускаючи електричний розряд через суміш H2, H2O, CH4 і NH3, отримав суміш декількох амінокислот та органічних кислот. Надалі виявилося, що абіогенним шляхом за відсутності кисню можуть бути синтезовані багато прості органічні сполуки, що входять до складу біологічних полімерів-білків, нуклеїнових кислот і полісахаридів. У водному середовищі при певних умовах з синильної кислоти, аміаку та деяких інших сполук можуть виникати амінокислоти. З азотистих основ у присутності неорганічних фосфорних сполук утворюється аденозинмонофосфат (АМФ), а також аденозиндифосфат (АДФ) і аденозинтрифосфат (АТФ), цукру, амінокислоти.
Можливість абіогенного синтезу органічних сполук доводиться тим, що вони виявлені в космічному просторі. У космосі виявлено ціаністий водень, формальдегід, мурашина кислота, метиловий і етиловий спирти та інші речовини. У деяких метеоритах укладені жирні кислоти, цукру, амінокислоти. Все це свідчить про те, що органічні сполуки могли виникнути суто хімічним шляхом в умовах, що існували на Землі близько 4 млрд. років тому.
Таким чином, умовами для абіогенного виникнення органічних сполук можна вважати відновлювальний характер атмосфери Землі, високу температуру, грозові розряди і потужне ультрафіолетове випромінювання Сонця, яке тоді ще не затримувалося озоновим екраном.
У міру охолодження Землі водяна пара, що містився в атмосфері, конденсувався, на поверхню Землі падали дощі, утворюючи на ній великі водні простори. У воді були розчинені аміак, діоксид вуглецю, синильна кислота, метан і більш складні органічні сполуки, що утворилися в атмосфері.
Органічні молекули, такі, як амінокислоти або нуклеотиди, у водному середовищі можуть зв'язуватися один з одним (конденсувати) з утворенням полімерів. При цьому виділяється вода. Дві амінокислоти можуть з'єднатися пептидного зв'язком, а два нуклеотиду - фосфодіефірних зв'язком. Слід зазначити, що для синтезу простих сполук потрібні більш жорсткі умови, ніж для виникнення складних. Наприклад, синтез амінокислот відбувається при температурі близько 1000̊̊ С, а конденсація їх у поліпептиди-при температурі 160 С.
Реакція конденсації призводять до утворення лінійних полімерів-поліпептидів і полінуклеотидів-різної довжини і мають випадкову послідовність мономерів. Полінуклеотиди здатні служити матрицею і, таким чином, визначати послідовність нуклеотидів в нових полинуклеотидах. Матричні властивості засновані на специфічному, так називають комплементарними, зв'язуванні аденіну (A) з урацилом (U) з цитозином (C). Механізми комплементарного матричного копіювання в наступному зайняли центральне місце в процесах переносу інформації в біологічних системах. Генетична інформація кожної клітини закодована в послідовності підстав її полінуклеотидів, і ця інформація передається (успадковується) з покоління в покоління за допомогою комплементарного спаровування підстав.
Однак реакції ці за відсутності білків-ферментів йдуть дуже повільно.
Серед випадково утворюються поліпептидів є такі, які володіють каталітичною активністю і могли прискорювати процеси матричного синтезу полінуклеотидів. Отже, наступним важливим кроком передбіологічній еволюції було об'єднання здібності нуклеотидів до самовідтворення зі здатністю поліпептидів до каталітичної активності. Стабільність, стійкість «вдалих» комбінацій амінокислот-поліпептидів забезпечується тільки збереженням інформації про них в нуклеїнових кислотах. У свою чергу, поліпептиди або білки, синтезовані на основі інформації, закладеної в молекулах РНК, можуть полегшувати редуплікацію цих молекул. Так шляхом відбору виник генетичної код, або «словник», що встановлює відповідність між триплетами нуклеотидів і амінокислотами.
Подальше ускладнення обміну речовин могло відбуватися тільки в умовах просторової близькості генетичного коду та кодованих їм білків, а також ізоляції реагуючих компонентів від зовнішнього середовища. Дійсно, відбір молекул РНК за якістю кодованого нею білка здійснюється тільки в тому випадку, якщо білок не дифундує в будь-якому напрямку, а зберігається в будь-якому ізольованому просторі, де і бере участь в обмінних процесах.
Можливість відділення білоксинтезуючої системи від зовнішнього середовища закладена у фізико-хімічних властивостях молекул.
Органічні молекули також оточені водною оболонкою, товщина якої залежить від величини заряду молекули, концентрації солей у розчині, температури та інше. За певних умов водна оболонка набуває чіткі межі і відокремлюється від навколишнього розчину. Молекули, оточені водною оболонкою, можуть об'єднуватися, утворюючи багатомолекулярних комплекси - коацервати. У первинному океані коацервати, або коацерватние краплі, мали здатність поглинати різні речовини. У результаті цього внутрішній склад коацервата зазнавав змін, що вело або до розпаду, або накопичення речовин, тобто до зростання і до зміни хімічного складу, що підвищує стійкість коацерватной краплі. Доля краплі визначалася перевагою одного із зазначених процесів. Академік А. І. Опарін зазначав, що в масі коацерватних крапель повинен був йти відбір найбільш стійких у даних конкретних умовах. Досягши певних розмірів, материнська коацерватная крапля могла розпадатися на дочірні. Дочірні коацервати, структура яких мало відрізнялася від материнської, продовжували своє зростання, а різко відрізнялися краплі розпадалися. Продовжували існувати тільки ті коацерватние краплі, які, вступаючи в якісь елементарні форми обміну з середовищем, зберігали відносну сталість свого складу. У подальшому вони придбали здатність поглинати з навколишнього середовища не всякі речовини, а лише ті, які забезпечували їм стійкості, а також здатність виділяти назовні продукти обміну. Поступово збільшувалися відмінності між хімічним складом краплі і навколишнім середовищем. У процесі тривалого відбору (його називають хімічної еволюцією) збереглися лише ті краплі, які при розпаді на дочірні не втрачали особливостей своєї структури, тобто придбали властивість самовідтворення. Еволюція коацерватів завершилася утворенням мембрани, що відокремлює їх від навколишнього середовища і складається з фосфоліпідів. Подібні штучні мембрани, оздоблюють бульбашки розміром від 1 до 10 мкм, зараз без праці створюються в експериментальних умовах. Освіта зовнішньої мембрани визначило напрямок подальшої хімічної еволюції по шляху розвитку все більш досконалих саморегулюючих систем аж до виникнення перших примітивних клітин. Опинившись в оточеному мембранної замкнутому просторі, молекули РНК еволюціонували, причому ознакою, за яким відбувався відбір, була не власна структура РНК, але головним чином властивості кодованих ними білків.
Таким чином, нуклеотидна послідовність РНК стала проявлятися у властивостях клітини як цілого.
Ключовою подією у виникненні клітини послужило об'єднання матричної функції РНК і каталітичної функції пептидів. На якомусь більш пізньому етапі еволюції ДНК замінила РНК як речовина спадковості.
Поява перших клітинних організмів поклало початок біологічної еволюції. Це сталося 3 - 3,5 млрд. років тому. Перші живі організми мали здатність до самовідтворення та іншими основними ознаками живого, існували в відновному середовищі і мали анаеробний тип обміну. За своєю будовою вони нагадували сучасних бактерій.
(За Опаріну)
Виконав:
Муллазянова А. В. гр. м101з
Перевірив:
К.Х. н. доц. Ільвес Г. М.
Єкатеринбург 2009
В даний час найбільш широке визнання отримала гіпотеза про походження життя на Землі, розроблена радянським ученим академіком А. І. Опаріним. Ця гіпотеза виходить з припущення про поступове виникнення життя на Землі з неорганічних речовин шляхом тривалої абіогенної (небіологічної) молекулярної еволюції.
Вважають, що Земля та інші планети Сонячної системи утворилися з газово-пилової хмари близько 4,5 млрд. років тому. На перших етапах свого формування Земля мала високу температуру. У міру остигання планети важкі елементи переміщалися до її центру, а більш легкі залишалися на поверхні. Атмосфера складалася з вільного водню і його сполук (H2O, CH4, NH3, HCN) і тому носила відновлювальний характер. Ця обставина послужила важливою передумовою виникнення органічних молекул небіологічних шляхом. Сполуки, є відновниками, легко вступають в хімічні реакції, віддаючи водень, і при цьому самі окислюються. Компоненти атмосфери зазнали впливу різних джерел енергії: жорсткого, близьким до рентгенівського, короткохвильового випромінювання Сонця, грозових розрядів, високої температури в області грозових розрядів і в районах активної вулканічної діяльності і т. п. У результаті цих впливів хімічно прості компоненти атмосфери вступали у взаємодію, змінюючись і ускладнюючи. Виникали молекули цукрів, амінокислот, азотисті основи, органічні кислоти (оцтова, мурашина, молочна та ін) та інші прості органічні сполуки.
Деякі з цих реакцій вчені змогли відтворити в лабораторних умовах. У
Можливість абіогенного синтезу органічних сполук доводиться тим, що вони виявлені в космічному просторі. У космосі виявлено ціаністий водень, формальдегід, мурашина кислота, метиловий і етиловий спирти та інші речовини. У деяких метеоритах укладені жирні кислоти, цукру, амінокислоти. Все це свідчить про те, що органічні сполуки могли виникнути суто хімічним шляхом в умовах, що існували на Землі близько 4 млрд. років тому.
Таким чином, умовами для абіогенного виникнення органічних сполук можна вважати відновлювальний характер атмосфери Землі, високу температуру, грозові розряди і потужне ультрафіолетове випромінювання Сонця, яке тоді ще не затримувалося озоновим екраном.
У міру охолодження Землі водяна пара, що містився в атмосфері, конденсувався, на поверхню Землі падали дощі, утворюючи на ній великі водні простори. У воді були розчинені аміак, діоксид вуглецю, синильна кислота, метан і більш складні органічні сполуки, що утворилися в атмосфері.
Органічні молекули, такі, як амінокислоти або нуклеотиди, у водному середовищі можуть зв'язуватися один з одним (конденсувати) з утворенням полімерів. При цьому виділяється вода. Дві амінокислоти можуть з'єднатися пептидного зв'язком, а два нуклеотиду - фосфодіефірних зв'язком. Слід зазначити, що для синтезу простих сполук потрібні більш жорсткі умови, ніж для виникнення складних. Наприклад, синтез амінокислот відбувається при температурі близько 1000̊̊ С, а конденсація їх у поліпептиди-при температурі 160 С.
Реакція конденсації призводять до утворення лінійних полімерів-поліпептидів і полінуклеотидів-різної довжини і мають випадкову послідовність мономерів. Полінуклеотиди здатні служити матрицею і, таким чином, визначати послідовність нуклеотидів в нових полинуклеотидах. Матричні властивості засновані на специфічному, так називають комплементарними, зв'язуванні аденіну (A) з урацилом (U) з цитозином (C). Механізми комплементарного матричного копіювання в наступному зайняли центральне місце в процесах переносу інформації в біологічних системах. Генетична інформація кожної клітини закодована в послідовності підстав її полінуклеотидів, і ця інформація передається (успадковується) з покоління в покоління за допомогою комплементарного спаровування підстав.
Однак реакції ці за відсутності білків-ферментів йдуть дуже повільно.
Серед випадково утворюються поліпептидів є такі, які володіють каталітичною активністю і могли прискорювати процеси матричного синтезу полінуклеотидів. Отже, наступним важливим кроком передбіологічній еволюції було об'єднання здібності нуклеотидів до самовідтворення зі здатністю поліпептидів до каталітичної активності. Стабільність, стійкість «вдалих» комбінацій амінокислот-поліпептидів забезпечується тільки збереженням інформації про них в нуклеїнових кислотах. У свою чергу, поліпептиди або білки, синтезовані на основі інформації, закладеної в молекулах РНК, можуть полегшувати редуплікацію цих молекул. Так шляхом відбору виник генетичної код, або «словник», що встановлює відповідність між триплетами нуклеотидів і амінокислотами.
Подальше ускладнення обміну речовин могло відбуватися тільки в умовах просторової близькості генетичного коду та кодованих їм білків, а також ізоляції реагуючих компонентів від зовнішнього середовища. Дійсно, відбір молекул РНК за якістю кодованого нею білка здійснюється тільки в тому випадку, якщо білок не дифундує в будь-якому напрямку, а зберігається в будь-якому ізольованому просторі, де і бере участь в обмінних процесах.
Можливість відділення білоксинтезуючої системи від зовнішнього середовища закладена у фізико-хімічних властивостях молекул.
Органічні молекули також оточені водною оболонкою, товщина якої залежить від величини заряду молекули, концентрації солей у розчині, температури та інше. За певних умов водна оболонка набуває чіткі межі і відокремлюється від навколишнього розчину. Молекули, оточені водною оболонкою, можуть об'єднуватися, утворюючи багатомолекулярних комплекси - коацервати. У первинному океані коацервати, або коацерватние краплі, мали здатність поглинати різні речовини. У результаті цього внутрішній склад коацервата зазнавав змін, що вело або до розпаду, або накопичення речовин, тобто до зростання і до зміни хімічного складу, що підвищує стійкість коацерватной краплі. Доля краплі визначалася перевагою одного із зазначених процесів. Академік А. І. Опарін зазначав, що в масі коацерватних крапель повинен був йти відбір найбільш стійких у даних конкретних умовах. Досягши певних розмірів, материнська коацерватная крапля могла розпадатися на дочірні. Дочірні коацервати, структура яких мало відрізнялася від материнської, продовжували своє зростання, а різко відрізнялися краплі розпадалися. Продовжували існувати тільки ті коацерватние краплі, які, вступаючи в якісь елементарні форми обміну з середовищем, зберігали відносну сталість свого складу. У подальшому вони придбали здатність поглинати з навколишнього середовища не всякі речовини, а лише ті, які забезпечували їм стійкості, а також здатність виділяти назовні продукти обміну. Поступово збільшувалися відмінності між хімічним складом краплі і навколишнім середовищем. У процесі тривалого відбору (його називають хімічної еволюцією) збереглися лише ті краплі, які при розпаді на дочірні не втрачали особливостей своєї структури, тобто придбали властивість самовідтворення. Еволюція коацерватів завершилася утворенням мембрани, що відокремлює їх від навколишнього середовища і складається з фосфоліпідів. Подібні штучні мембрани, оздоблюють бульбашки розміром від 1 до 10 мкм, зараз без праці створюються в експериментальних умовах. Освіта зовнішньої мембрани визначило напрямок подальшої хімічної еволюції по шляху розвитку все більш досконалих саморегулюючих систем аж до виникнення перших примітивних клітин. Опинившись в оточеному мембранної замкнутому просторі, молекули РНК еволюціонували, причому ознакою, за яким відбувався відбір, була не власна структура РНК, але головним чином властивості кодованих ними білків.
Таким чином, нуклеотидна послідовність РНК стала проявлятися у властивостях клітини як цілого.
Ключовою подією у виникненні клітини послужило об'єднання матричної функції РНК і каталітичної функції пептидів. На якомусь більш пізньому етапі еволюції ДНК замінила РНК як речовина спадковості.
Поява перших клітинних організмів поклало початок біологічної еволюції. Це сталося 3 - 3,5 млрд. років тому. Перші живі організми мали здатність до самовідтворення та іншими основними ознаками живого, існували в відновному середовищі і мали анаеробний тип обміну. За своєю будовою вони нагадували сучасних бактерій.