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
поясните основные различие идей опарина и холдейна о происхождении жизни
- Главное различие - Опарин предположил, сформулировал гипотезу. Все теоретически.
А Миллер осуществил экспериментальное доказательство принципиальной возможности синтеза органических веществ из неорганических абиогенным путем в предполагаемых условияхПримерно через миллиард лет после зарождения Земли возникли одноклеточные орга-низмы путем эволюции из органических веществ, образовавшихся абиогенно в несодержав-шей свободного кислорода атмосфере. Эта основная идея была высказана в ее современной форме русским ученым А.И.Опариным и англичанином Дж.Холдейном. А.И.Опарин (1924) и Дж.Холдейн (1927) предложили гипотезу о происхождении жизни путем длительной эволю-ции углеродных соединений. Гипотеза о самопроизвольном зарождении жизни из неорганиче-ской материи получила широкое признание и послужила основой для дальнейших исследова-ний, в результате которых в процессе становления жизни было выделено два периода: химиче-ской эволюции и биологической эволюции.
Для выяснения возможности синтеза органических соединений из газов первичной атмо-сферы было проведено множество модельных экспериментов. Классическим их примером служит опыт Стенли Миллера (бывшего в ту пору студентом) и Юри (1953). Это был первый опыт по неорганическому синтезу органических веществ в востановительной среде. Миллер и Юри использовали очень простой прибор – колбу, в которой создавались электрические раз-ряды. Прибор заполнялся водой и различными газами. В основном использовались водород, метан и аммиак. Свободный кислород в колбу «не допускался». В сконструированном ими ап-парате метан, аммиак и вода подвергались действию электрического разряда.
В верхней части колбы непрерывно происходили электрические разряды. Внизу кипела вода, создавая циркуляцию пара и воды через прибор. После непрерывного пропускания искры в течение нескольких дней при напряжении 60000 В в накопителе было обнаружено много самых разнообразных органических молекул: аминокислоты, нуклеотиды, простые сахара, органические кислоты, мочевина и др. С 1953 г. подобные эксперименты проводили многие исследователи, которые использовали при этом разные газы и разные источники энер-гии. Во всех проведенных экспериментах были получены в общем сходные результаты, под-тверждающие теорию химической эволюции. Таким образом, аналогичные пробы были про-ведены и другими учеными во всем мире. Было показано, что при воздействии всех видов энергии на газообразные углерод, азот, воду и водород образуется широкий набор малых ор-ганических молекул, некоторые из которых имеют важное биологическое значение (амино-кислоты, молочная кислота и др.).
31-Мар-2015 | Нет комментариев | Лолита Окольнова
«Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ, с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка».
Биологию, как науку о жизни, волнуют вопросы, связанные с зарождением и развитием жизни. На вопросы, касающиеся развития , нам дает ответы .
А вот возникновение жизни – это явление, находящиеся вне компетенции , важно это понимать.
Понимать, что эволюция изучает развитие жизни, а не ее возникновение.
На сегодняшний день известны разнообразные идеи о возникновении жизни. Заметим, именно «идеи», а не теории. Так как не все идеи научны и имеют право называться теориями.
Есть, например, гипотеза стационарного состояния жизни .
Согласно ей, жизнь на земле никогда не возникала , а существовала вечно , то есть она находится в так называемом стационарном состоянии.
Почему эта гипотеза является несостоятельной? В настоящее время наука установила: планета земля не существовала вечно, она образовалась четыре с половиной миллиарда лет назад. Следовательно, жизнь не могла существовать всегда на объекте, который существовал не всегда. О какой стационарности здесь может идти речь?
Эта нестыковка устраняется теорией панспермии .
Немецкий ученый Герман Рихтер в середине девятнадцатого века предположил, что микроскопические споры организмов, впоследствии давшее начало всей жизни, были занесены на землю с других небесных тел вместе с метеоритами.
Подразумевается, что жизни переходит с одной планеты на другую. Но главный вопрос, откуда и как она возникла, остается открытым. И факт того, что в соответствии с современными научными представлениями, вселенная тоже не существовала всегда, а возникла в результате большого взрыва, не позволяет сделать допущение о том, что и жизнь не существовала всегда (а это подразумевается в рамках теории панспермии).
Интересный факт — теории панспермии придерживался академик
Некогда существовало учение, согласно которому живые клетки (и даже целые организмы) постоянно образуются из неживой материи: учение о самозарождении жизни . Например, из пшеницы и грязи «создаются» мыши; из гниющего мяса – опарыши и так далее.
Сейчас нам понятно, что мыши и опарыши не создавались из неживого материала.
Проводили опыт: мясо закрывали марлей. В этом случае мухи не имели доступа к нему, следовательно, не могла отложить яйца: опарыши не появлялись.
По идее самозарождения нанес серьезный удар эксперимент.
Люди заметили, что мясной бульон, если его оставить на воздухе закиснет. А если его прокипятить и не допускать контакта с воздухом, то закисать не будет. Но даже кипяченый бульон скиснет на воздухе. Приверженцы идеи самозарождения утверждали, что кипячение лишает питательную среду некой «жизненной энергии». В герметичном сосуде бульон не скисает, потому что жизненной энергии неоткуда поступить. А в не герметичном закисает, так как жизненная энергия, содержащаяся в воздухе, проникает в питательную среду. И там зарождается жизнь.
Пастер поместил в колбу с S-образным горлышком стерильную питательную среду, воздух с нее спокойно проникал. Но так как споры микроорганизмов оседали в изгибе и не достигали питательной среды, бульон не скисал. Стоило отломать S-образное горлышко, как бульон начинал закисать.
Это доказывало, что микроорганизмы, вызывающие закисание бульона развиваются не из питательной среды, а из спор, занесенных в эту среду.
То есть жизнь не возникает из неживого, а заносится .
Учение , согласно которому живые организмы обладают некой особой «жизненной силой», «жизненной энергией» называется витализм . От латинского vitalis – жизненный. От этого же корня образован термин .
С развитием науки с накоплением биологических знаний учение о постоянном самозарождении жизни было отвергнуто.
Это отразилось в дополнении Вирхова к : «omnis cellula ex cellula».
Это истолковывается: «каждая клетка развивается только из материнской клетки «.
Становилось все отчетливее ясно, что жизнь – это очень сложная система . Она не может вот так в мгновение ока возникнуть из мертвой материи. Но то, что это однажды произошло, очевидно. Тогда в умах ученых созрело представление о том, что подобно тому, как из примитивных за миллиарды лет эволюции смогли сформироваться сложные многоклеточные организмы, как мы, могли и органические молекулы при определенных условиях дать начало клетке.
Это вполне логичная мысль, только развиться сразу ей не давали много «но» и «если». Это и то, что до поры до времени научное сообщество было очень религиозным, что, понятное дело, накладывает некоторые ограничения на свободомыслие в таких областях знания, как изучение возникновения жизни, ее развития и так далее. Это и мнение о том, что органические молекулы могут рождаться только живых организмах, некогда существовавшие и впоследствии опровергнуто методом эксперимента.
Возникновение жизни из неживой материи называется абиогенез .
Мы постепенно подходим к современным представлениям.
В первой половине двадцатого века независимо друг от друга к одинаковым выводам пришли советский ученый Александр Иванович Опарин и английский биолог Джон Бердон Сандерсон Холдейн .
Что потом вошло в историю, как теория абиотического возникновения жизни Опарина – Холдейна .
Изложение теории: атмосфера молодой земли была образована аммиаком, угарным газом, метаном, водородом и парами воды. Под действием ультрафиолетового излучения, молний, высоких температур из этого набора веществ образовывались органические вещества: , нуклеотиды, азотистые основания и так далее.
Кажется невероятным этот процесс? Таким же он показался американским ученым Стэнли Миллеру и Гарольду Юри .
Они провели эксперимент.
Смесь газов, которая, вероятно, была близка по составу с атмосферой молодой земли пропускали через сосуд, внутри которого были помещены два электрода, между которыми возникали электрические разряды (имитируются молнии на молодой земле). После конденсации водяного пара, полученная жидкость вновь кипятилась, и пар снова пропускался через этот сосуд. Получился цикл. После нескольких дней работы этой циклической системы, жидкость из нее содержала сложные органические вещества.
Эксперимент Миллера – Юри стал важным практическим подтверждением возможности появления сложных органических веществ из неорганики .
Продолжительное время на молодой земле накапливались сложные органические вещества. Поверхность земли покрывал океан, в котором растворялись образовывавшиеся органические вещества.
Далее, согласно теории Опарина – Холдейна , находившиеся в коллоидном растворе органические вещества усложнялись и начали образовывать сгустки, как мелкие капельки ртути на ровной поверхности сливаются и образуют одну большую каплю, это характерно для таких соединений, что были растворены в океане молодой земли.Этот коллоидный раствор называется первичный бульон , такое название дал ему профессор Опарин. А сгустки органических веществ, образовывавшиеся в первичном бульоне, он назвал коацерватными каплями (или просто коацерватами) .
Они имели четкую структуру: отчетливое разграничение внешней среды и внутреннего содержимого. Имели мембрану (что-то вроде ).
Этот процесс преобразования и усложнения органики носит название биохимической эволюции .
В результате нее коацерваты превратились в протобионты . Эти тела, имевшие более сложную структуру, нежели коацерваты, можно рассматривать как прародители живых клеток.
Протобионты, возможно, уже имели способность к самовоспроизведению и примитивной регуляции обмена веществ с внешней средой.
Примерно три миллиарда лет назад из протобионтов появилась настоящая жизнь – первые .
Биохимическая эволюция постепенно переросла в биологическую .
Этапы возникновения жизни по Опарину – Холдейну:
- Появление органических веществ.
- Усложнение органических веществ.
- Появление белков.
- Появление белковых тел.
- Возникновение способности белковых тел к размножению и обмену веществ.
- Появление первых клеток.
Согласно теории Опарина – Холдейна начальным этапом абиогенеза было образование белков, но непонятно как эти белки образовывались без и ферментов.
В двадцать первом веке обрела популярность теория РНК-мира , согласно которой первичными биополимерами были не белки, а РНК-подобные молекулы, имевшие способность к саморепликации.
В целом теорию Опарина – Холдейна нельзя назвать в корне ошибочной. Скорее следует считать ее положения устаревшими.
Теория РНК-мира внесла большей ясности в понимании вопросов возникновения жизни.
Основные идеи теории Опарина – Холдейна: возникновение органических веществ из неорганических под действием погодных условий молодой земли, биохимическая эволюция, – остаются актуальными по сей день.
По всей видимости, мы в ожидании более совершенной теории. Она ответит на вопросы, на которые не могут ответить теории Опарина – Холдейна и РНК-мира.
А пока достаточно белых пятен и вопрос об абиогенезе остается открытом.
Интересный факт : во времена лысенковщены многие лженаучные ошибочные идеи обрели второе дыхание (правда, искусственное). Например, одна из соратниц Трофима Лысенко по уничтожению советской биологии – Ольга Борисовна Лепешинская всерьез утверждала, что клетки ткани человеческого организма способны к самозарождению из межклеточного вещества.
Нужно знать (то есть не наизусть учить определения, а понимать о чем идет речь) следующие термины:
- коацерватные капли,
- первичный бульон,
- абиогенез,
- теория Опарина – Холдейна,
- помнить опыт Пастера,
- знать, чем Опарин заслужил место в школьном курсе биологии.
Задание С1:
что представляют собой полученные в лаборатории коацерваты.
Ответ: коацерваты содержат низкомолекулярные органические вещества: мочевину, аминокислоты и т. д., которые при высокой концентрации могут соединяться и образовывать более сложные органические вещества.
Известно, что научные журналы стараются не принимать к публикации статьи, посвященные проблемам, привлекающим всеобщее внимание, но не имеющим четкого решения, - серьезное издание по физике не будет публиковать проект вечного двигателя. Такой темой стало происхождение жизни на Земле. Вопрос о возникновении живой природы, о появлении человека волнует думающих людей многие тысячелетия, а однозначный ответ нашли для себя только креационисты - сторонники божественного происхождения всего сущего, но научной эта теория не является как не подлежащая проверке.
Взгляды древних
О появлении живых существ из воды и гниющих остатков повествуют древнекитайские и древнеиндийские рукописи, о рождении земноводных существ в илистых отложениях больших рек написано древнеегипетскими иероглифами и клинописью Древнего Вавилона. Гипотезы происхождения жизни на Земле путем самозарождения для мудрецов далекого прошлого были очевидны.
Античные философы также приводили примеры появления животных из неживой материи, но их теоретические обоснования имели разную природу: материалистическую и идеалистическую. Демокрит (460-370 до н. э.) находил причину возникновения жизни в особом взаимодействии мельчайших, вечных и неделимых частиц - атомов. Платон (428-347 до н. э.) и Аристотель (384-322 до н. э.) происхождение жизни на Земле объясняли чудесным воздействием на безжизненную материю высшего начала, вселяющего душу в объекты природы.
Идея о существовании некой «жизненной силы», способствующей появлению живых существ, оказалась очень стойкой. Она формировала взгляды на происхождение жизни на Земле у многих ученых, живших в средние века и позднее, вплоть до конца XIX века.
Теория самозарождения
Антони ван Левенгук (1632-1723 гг.) с изобретением микроскопа сделал открытые им мельчайшие микроорганизмы главным предметом спора между учеными, разделявшими две основные теории происхождения жизни на Земле - биогенез и абиогенез. Первые считали, что все живое может быть порождением только живого, вторые полагали возможным самозарождение органической материи в растворах, помещенных в особые условия. Суть этого спора не изменилась до сих пор.
Эксперименты одних натуралистов доказывали возможность самопроизвольного возникновения простейших микроорганизмов, сторонники биогенеза полностью отрицали такую вероятность. Луи Пастер (1822-1895 гг.) строго научными методами, высокой корректностью своих опытов доказал отсутствие мифической жизненной силы, передающейся по воздуху и порождающей живые бактерии. Однако в своих работах он допускал возможность самозарождения в каких-то особых условиях, выяснить которые предстояло ученым будущих поколений.
Теория эволюции
Труды великого Чарльза Дарвина (1809-1882 гг.) потрясли основы многих естественных наук. Провозглашенное им появление огромного многообразия биологических видов от одного общего предка опять сделало происхождение жизни на Земле важнейшим вопросом науки. Теория естественного отбора и в начале с трудом находила своих сторонников, и теперь подвергается критическим атакам, которые выглядят достаточно обоснованно, но именно дарвинизм лежит в основе современных естественных наук.
После Дарвина происхождение жизни на Земле биология не могла рассматривать с прежних позиций. Ученые многих отраслей биологической науки убеждались в истинности эволюционного пути развития организмов. Пусть во многом изменились современные взгляды на общего предка, помещенного Дарвиным в основание Древа жизни, но истинность общей концепции незыблема.
Теория стационарного состояния
Лабораторное опровержение спонтанного самозарождения бактерий и других микроорганизмов, осознание сложного биохимического строения клетки вместе с идеями дарвинизма оказали особое влияние на появление альтернативных вариантов теории происхождения жизни на Земле. В 1880 году одно из новых суждений предложил Вильям Прейер (1841-1897 гг.). Он считал, что нет необходимости говорить о рождении жизни на нашей планете, так как она существует вечно, и у неё не было начала как такового, она неизменна и постоянно готова к возрождению в любых подходящих условиях.
Идеи Прейера и его последователей представляют собой только чисто исторический и философский интерес, потому что в дальнейшем астрономы и физики рассчитали сроки конечного существования планетарных систем, зафиксировали постоянное, но неуклонное расширение Вселенной, т. е. она никогда не была ни вечной, ни постоянной.
Стремление рассматривать мир как единую глобальную живую сущность перекликалось со взглядами великого ученого и философа из России - Владимира Ивановича Вернадского (1863-1945 гг.), также имевшего своё представление о происхождении жизни на Земле. Оно основывалось на понимании жизни как неотъемлемой характеристики Вселенной, космоса. По мнению Вернадского, то, что наука не смогла найти пластов, не содержавших следов органических веществ, говорило о геологической вечности жизни. Одним из способов, которым жизнь появилась на молодой планете, Вернадский называл её контакты с космическими объектами - кометами, астероидами и метеоритами. Тут его теория смыкалась с другой версией, объяснявшей происхождение жизни на Земле методом панспермии.
Колыбель жизни - космос
Панспермия (греч. - "семенная смесь", "семена повсюду") считает жизнь фундаментальным свойством материи и не объясняет способов её возникновения, но называет космос источником зародышей жизни, которые попадают на небесные тела с подходящими для их «прорастания» условиями.
Первое упоминание об основных концепциях панспермии можно найти в сочинениях древнегреческого философа Анаксагора (500-428 до н. э.), а в XVIII веке о ней высказывался французский дипломат и геолог Бенуа де Майе (1656-1738 гг.). Реанимировали эти идеи Сванте Август Аррениус (1859-1927 гг.), лорд Кельвин Уильям Томсон (1824-1907 гг.) и Герман фон Гельмгольц (1821-1894 гг.).
Исследование жестокого влияния на живые организмы космического излучения и температурных условий межпланетного пространства сделало подобные гипотезы происхождения жизни на Земле не слишком актуальными, но с началом космической эры интерес к панспермии усилился.
В 1973 году нобелевский лауреат Френсис Крик (1916-2004 гг.) высказал мысль о внеземном производстве молекулярных живых систем и попадании их на Землю с метеоритами и кометами. При этом шансы абиогенеза на нашей планете им оценивались как очень низкие. Происхождение и развитие жизни на Земле методом самосборки органического вещества высокого уровня видный ученый не считал реальностью.
Окаменевшие биологические структуры находили в метеоритах по всей планете, подобные следы нашли в образцах грунта, доставленных с Луны и Марса. С другой стороны, проводятся многочисленные эксперименты по обработке биоструктур воздействиями, возможными при нахождении их в космическом пространстве и при прохождении атмосферы, подобной земной.
Важный эксперимент был проведен в 2006 году в рамках миссии Deep Impact. Комета Темпеля была протаранена специальным зондом-импактором, выпущенным автоматическим аппаратом. Анализ кометного вещества, которое выделилось в результате удара, показал наличие в нем воды и многообразных органических соединений.
Вывод: со времени появления теория панспермии значительно изменилась. Современная наука по-другому трактует те первичные элементы жизни, которые могли быть доставлены на нашу молодую планету космическими объектами. Исследования и эксперименты доказывают жизнестойкость живых клеток в условиях межпланетного путешествия. Всё это делает идею внеземного происхождения земной жизни актуальной. Основными концепциями происхождения жизни на Земле являются теории, в которые панспермия входит или как главная часть, или как способ доставки на Землю компонентов для создания живой материи.
Теория биохимической эволюции Опарина-Холдейна
Идея самозарождения живых организмов из неорганических веществ всегда оставалась чуть ли не единственной альтернативой креационизму, и в 1924 году вышла монография из 70 страниц, придавшая этой идее силу проработанной и обоснованной теории. Эта работа называлась «Происхождение жизни», автором её был русский ученый - Александр Иванович Опарин (1894-1980 гг.). В 1929 году, когда труды Опарина еще не были переведены на английский язык, похожие концепции происхождения жизни на Земле высказал английский биолог Джон Холдейн (1860-1936 гг.).
Опарин предположил, что, если примитивная атмосфера молодой планеты Земля была восстановительной (то есть не содержащей кислорода), мощный всплеск энергии (например, молния или ультрафиолетовое излучение) мог способствовать синтезу органических соединений из неорганического вещества. В дальнейшем такие молекулы могли образовывать сгустки и скопления - коацерватные капли, представляющие собой протоорганизмы, вокруг которых образуются водные рубашки - зачатки оболочки-мембраны, происходит расслоение, порождающее разность зарядов, значит, движение - начало обмена веществ, зачатки метаболизма и т. д. Коацерваты считались основой для начала эволюционных процессов, которые привели к созданию первых жизненных форм.
Холдейн ввел понятие «первичного бульона» - начального земного океана, ставшего огромной химической лабораторией, подключенной к мощному источнику питания - солнечному свету. Сочетание диоксида углерода, аммиака и ультрафиолетового излучения привело к появлению концентрированной популяции органических мономеров и полимеров. Впоследствии такие образования соединялись с появлением вокруг них липидной мембраны, и их развитие привело к образованию живой клетки.
Основные этапы происхождения жизни на Земле (по Опарину-Холдейну)
Согласно теории возникновения Вселенной из сгустка энергии, Большой Взрыв произошел около 14 млрд лет назад, а около 4,6 млрд лет назад завершилось создание планет Солнечной системы.
Молодая Земля, постепенно охлаждаясь, обрела твердую оболочку, вокруг которой происходило образование атмосферы. Первичная атмосфера содержала водяные пары и газы, в дальнейшем послужившие сырьем для органического синтеза: оксид и диоксид углерода, сероводород, метан, аммиак, цианистые соединения.
Бомбардировка космическими объектами, содержащими воду в замерзшем состоянии, и конденсация водных паров в атмосфере привели к образованию Мирового океана, в котором растворялись различные химические соединения. Мощные грозы сопровождали формирование атмосферы, сквозь которую проникало сильное ультрафиолетовое излучение. В таких условиях происходил синтез аминокислот, сахаров и другой простейшей органики.
В конце первого миллиарда лет существования Земли начался процесс полимеризации в воде простейших мономеров в белки (полипептиды) и нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды). Они начали образовывать предбиологические соединения - коацерваты (с зачатками ядра, метаболизма и мембраны).
3,5-3 млрд лет до нашей эры - этап образования протобионтов, обладающих самовоспроизведением, регулируемым обменом веществ, мембраной с изменяемой проницаемостью.
3 млрд лет до н. э. - появление клеточных организмов, нуклеиновых кислот, первичных бактерий, начало биологической эволюции.
Экспериментальные доказательства гипотезы Опарина-Холдейна
Многие ученые положительно оценили основные концепции происхождения жизни на Земле на основе абиогенеза, хотя с самого начала находили в теории Опарина-Холдейна узкие места и недоговоренности. В разных странах начались работы по проведению тестовых исследований гипотезы, из которых наиболее известен классический эксперимент, проведенный в 1953 году американскими учеными Стенли Миллером (1930-2007 гг.) и Гарольдом Юри (1893-1981 гг.).
Суть эксперимента заключалась в моделировании в лаборатории условий ранней Земли, в которых мог происходить синтез простейших органических соединений. В приборе циркулировала газовая смесь, аналогичная по составу первичной земной атмосфере. Конструкция прибора обеспечивала имитацию вулканической деятельности, а пропускаемые через смесь электрические разряды создавали эффект молний.
После недельного циркулирования смеси по системе был отмечен переход десятой части углерода в органические соединения, были обнаружены аминокислоты, сахара, липиды и соединения, предшествующие аминокислотам. Повторные и модифицированные опыты полностью подтвердили возможность абиогенеза в имитируемых условиях ранней Земли. В последующие годы в других лабораториях были проведены повторные опыты. К составу газовой смеси добавлялся сероводород как возможный компонент вулканических выделений, вносились другие некардинальные изменения. В большинстве случаев опыт синтеза органических соединений удавался, хотя попытки пойти дальше и получить более сложные элементы, приближающиеся по составу к живой клетке, успехом не увенчались.
Мир РНК
К концу XX века многим ученым, которых не переставала интересовать проблема происхождения жизни на Земле, стало понятно, что при всей стройности теоретических построений и отчетливом опытном подтверждении теория Опарина-Холдейна имеет явные, может быть, непреодолимые изъяны. Главным из них являлась невозможность объяснить появление у протобионтов определяющих для живого организма свойств - размножаться с сохранением наследственных признаков. С открытием генетических клеточных структур, с определением функции и строения ДНК, с развитием микробиологии появился новый кандидат на роль молекулы первожизни.
Им стала молекула рибонуклеиновой кислоты - РНК. Эта макромолекула, входящая в состав всех живых клеток, представляет собой цепь нуклеотидов - простейших органических звеньев, состоящих из атомов азота, моносахарида - рибозы и фосфатной группы. Именно последовательность нуклеотидов является кодом наследственной информации, и у вирусов, например, РНК выполняет ту роль, что у сложных клеточных структур играет ДНК.
Кроме того, учеными открыта уникальная способность некоторых молекул РНК вносить разрывы в другие цепочки или склеивать отдельные элементы РНК, а некоторые играют роль автокатализаторов - то есть способствуют быстрому самовоспроизведению. Относительно небольшие размеры макромолекулы РНК и её упрощенное, по сравнению с ДНК, строение (в одну нить) сделали рибонуклеиновую кислоту главным кандидатом на роль основного элемента добиологических систем.
Окончательно новую теорию возникновения живой материи на планете сформулировал в 1986 году Уолтер Гилберт (род. 1932 г.) - американский физик, микробиолог и биохимик. Не все специалисты были согласны с таким взглядом на происхождение жизни на Земле. Кратко названная «Мир РНК», теория строения добиологического мира нашей планеты не может ответить на простой вопрос, как появилась первая молекула РНК с заданными свойствами, даже если присутствовало огромное количество «строительного материала» в виде нуклеотидов и т. д.
Мир ПАУ
Ответ постарался найти в мае 2004 года Саймон Николас Платтс, а в 2006 году группа ученых под руководством Паскаль Эренфройнд. В качестве исходного материала для РНК с катализирующими свойствами были предложены полиароматические углеводороды.
Мир ПАУ был основан на большой распространенности этих соединений в видимом космосе (они наверняка присутствовали в «первичном бульоне» молодой Земли) и особенностях их кольцеобразного строения, способствующего быстрому соединению с азотистыми основаниями - ключевыми компонентами РНК. Теория ПАУ в очередной раз говорит о злободневности некоторых положений панспермии.
Уникальная жизнь на уникальной планете
Пока у ученых не будет возможности вернуться на 3 млрд лет назад, тайна возникновения жизни на нашей планете не будет раскрыта - к такому выводу приходят многие из тех, кто занимался этой проблемой. Основными концепциями происхождения жизни на Земле являются: теория абиогенеза и теория панспермии. Они могут во многом пересекаться, но, скорее всего, не смогут ответить: как среди огромного космоса появилась удивительно точно сбалансированная система из Земли и её спутника - Луны, как зародилась на ней жизнь…
>> Гипотеза Опарина-Холдейна
Гипотеза Опарина-Холдейна
А. И. Опарин полагал, что решающая роль в превращениях неживого в живое принадлежит белкам . Белковые коацерваты он рассматривал как пробионты - предшественники живого организма. В коацерватные капли из внешней среды поступали 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.
Предполагается, что на определенном этапе белковые пробионты включили в себя нуклеиновые кислоты , создав единые комплексы.
Взаимодействие белков и нуклеиновых кислот 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.Дж. Холдейн также выдвинул гипотезу абиогенного происхождения жизни. Согласно его взглядам, впервые изложенным в 1929 г., первичной была не коацерватная система, способная к обмен веществ с окружающей средой, а макромолекулярная система, способная к самовоспроизводству. Другими словами, А. И. Опарин отдавал первенство белкам, а Дж. Холдейн - нуклеиновым кислотам.
Гипотеза Опарина - Холдейна завоевала много сторонников, так как возможность абиогенного синтеза органических биополимеров получила экспериментальное подтверждение.
Однако она 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.
Кооцерваты. Пробионты.
1. Перечислите основные положения гипотезы А. И. Опарина.
2. Какие экспериментальные доказательств; можно привести в пользу данной гипотезы?
3. В чем отличия гипотезы А. И. Опарина от гипотезы Дж. Холдейна?
4. Какие доводы приводят оппоненты, критикуя гипотезу А. И. Опарина?Каменский А. А., Криксунов Е. В., Пасечник В. В. Биология 9 класс
Содержание урока конспект уроку и опорный каркас презентация урока акселеративные методы и интерактивные технологии закрытые упражнения (только для использования учителями) оценивание Практика задачи и упражнения,самопроверка практикумы, лабораторные, кейсы уровень сложности задач: обычный, высокий, олимпиадный домашнее задание Иллюстрации иллюстрации: видеоклипы, аудио, фотографии, графики, таблицы, комикси, мультимедиа рефераты фишки для любознательных шпаргалки юмор, притчи, приколы, присказки, кроссворды, цитаты Дополнения внешнее независимое тестирование (ВНТ) учебники основные и дополнительные тематические праздники, слоганы статьи национальные особенности словарь терминов прочие Только для учителей
Отправлено читателями с интернет-сайта
