Содержание

2. Биохимическая гипотеза возникновения и развития жизни на Земле

В основе современных научных представлений о происхождении жизни лежит гипотеза биохимической эволюции Опарина — Холдейна.

 

  Александр Опарин                   Джон Холдейн

 

Согласно теории биохимической эволюции формирование жизни на Земле шло в три этапа:

  • абиогенный синтез органических веществ;
  • образование биополимеров;
  • формирование мембранных структур и появление самовоспроизведения.

Абиогенный синтез органических веществ

Согласно теории Опарина возникновение жизни на Земле возможно было только в условиях древней атмосферы и отсутствия живых организмов.

 

На первых этапах своего существования наша Земля представляла собой раскалённый шар.

По мере её остывания постепенно формировалась первичная атмосфера, состоящая из аммиака, метана, углекислого газа, цианистого водорода и паров воды. Ни кислорода, ни озона в атмосфере древней Земли не было.

 

При дальнейшем понижении температуры образовался первичный океан. Под действием различных видов энергии (электрические разряды, ядерные реакции, солнечная радиация, извержения вулканов) образовались простые органические соединения: формальдегид, спирты, муравьиная кислота, аминокислоты и т. д. 

 

Окисление образовавшихся веществ не происходило, так как отсутствовал свободный кислород. Синтезированные вещества в течение десятков миллионов лет постепенно накапливались в древнем океане. Их накопление в итоге привело к образованию однородной массы —  «первичного бульона». По мнению Опарина, именно в «первичном бульоне» и возникла жизнь.

 

Этот этап биохимической эволюции был подтверждён экспериментально биохимиками С. Миллером, Дж. Оро и другими учёными. В экспериментальных установках, моделирующих условия первобытной Земли, ими были получены альдегиды, аминокислоты, простые сахара, пуриновые и пиримидиновые основания, нуклеотиды.

Образование биополимеров

Из простых органических веществ при определённых условиях синтезировались биополимеры. Аминокислоты соединялись в полипептиды, простые сахара превращались в полисахариды, а нуклеотиды — в нуклеиновые кислоты. Карбоновые кислоты, соединяясь со спиртами, могли образовать липиды, которые покрывали поверхность водоёмов жирной плёнкой.

 

Возникшие белки формировали коллоидные комплексы, притягивающие к себе молекулы воды. Так появились коацерваты — сгустки органических веществ, обособленные от остальной массы воды. В коацерваты постоянно поступали органические соединения, в результате чего происходил синтез более сложных веществ. Они могли сливаться и увеличиваться в размерах.

 

 

Слияние коацерватных капель  

 

Образование биополимеров и коацерватов в условиях древней Земли подтверждено экспериментально работами Л. Орджела и С. Акабори. Ими были получены простейшие белки и нуклеотидные цепи.

Формирование мембранных структур и появление самовоспроизведения

Из липидных плёнок на поверхности коацерватов могла сформироваться биологическая мембрана.

  

Объединение коацерватов с нуклеиновыми кислотами привело к образованию примитивных  самовоспроизводящихся живых организмов — пробионтов. Эти первичные организмы были анаэробами и гетеротрофами и питались веществами «первичного бульона».

  

Таким образом, около \(3,5\) млрд лет назад, согласно этой гипотезе, завершилось зарождение жизни на Земле.

 

Источники:

https://ppt-online.org/472066

Гипотеза Опарина-Холдейна

Замечание 1

В 20-х годах двое ученых независимо друг от друга, русский О.Опарин и английский Д. Холдейн, сформулировали биохимическую гипотезу возникновения жизни.

Они высказали мнение, что атмосфера первичной Земли была не такой, как сейчас. Главными ее особенностями присутствовали восстановительные процессы и отсутствие свободного кислорода. В этих условиях под действием мощных электрических зарядов (молнии) и солнечного излучения в атмосфере могли образоваться из неорганических веществ (аммиака, водяного пара, водорода, азота, углекислого газа, а также метана) простые органические соединения (моносахариды, нуклеотиды, аминокислоты и небольшие цепочки из аминокислот).

Образование жизни согласно гипотезе Опарина-Холдейна

В настоящее время биохимическая гипотеза российского биохимика А. И. Опарина (1922) принимается за основу эволюционной теории органического мира. Согласно данной теории из простых неорганических соединений — карбидов, окислов горных пород, аморфного углерода и водорода — могли создаваться первичные органические вещества — возможно, углеводороды. Энергию для этих реакций, вероятно, поставляла интенсивная солнечная радиация (главным образом ультрафиолетовая). Таким же образом, благодаря радиации, газовым разрядам, высокой температуре и химическим реакциям образовывались соединения, подобные биологическим соединениям:

  • липидам,
  • аминокислотам,
  • нуклеиновым кислотам и др.

Соединения эти накапливались как в земной атмосфере, так и в океане. Находясь в воде, эти вещества образовывали сгустки в результате объединения молекул и построения их комплексов. Такие сгустки называют коацерватными каплями или коацерватами. Такие коацерваты, благодаря гидрофильным и гидрофобным свойствам входящих в них молекул, способны избирательно адсорбировать вещества из окружающей среды и набирать определенную структуру, то есть между коацерватами и средой установился прообраз обмена веществ. На границе между коацерватами и внешней средой собирались молекулы липидов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны.

Готовые работы на аналогичную тему

По мере роста коацерваты могли распадаться на более мелкие капли, было прообразом размножения — большинство мелких коацерватов также были способны к избирательной адсорбции. Таким образом, коацерватные капли имели первоначальные свойства живого — обмен веществ и способность к размножению.

Воссоздание процессов эволюции в лаборатории

Замечание 2

Ряд описанных А. И. Опариным процессов были воссозданы в лаборатории. Так, в 1953 Стэнли Мишером в своих экспериментах моделировал условия, которые существовали на первобытной Земле. В созданном им приборе, подвергая воздействию электрических разрядов смесь метана, аммиака, водорода и паров воды, он синтезировал аминокислоты, спирты, сахара, альдегиды и др.

В 1959 году российские ученые А. П. Терентьев, Т. Е. Павловская и др. показали, что синтез сложных органических соединений ускоряется при воздействии ультрафиолетового излучения. Позже был разработан лабораторный метод синтеза РНК в результате проведения подобных экспериментов.

Это стало переломным моментом, так как полинуклеотиды способны уже к качественно новой химической реакции — матричному синтезу, то есть к самоудвоению. С тех пор теория Опарина завоевала научное признание. Однако убедительно объяснить возникновение механизма, с помощью которого РНК направляла бы синтез белков, появление ДНК и способность живых систем к самовоспроизведению, эта теория не смогла.

Возникновение первых клеток и их последущая эволюция

Возможная последовательность событий должна была привести к возникновению первых клеток — примитивных, прокариотических, гетеротрофных организмов, питающихся органическими веществами «первичного бульона». Это произошло примерно 3-3,5 млрд. лет назад. Первые организмы размножались и питались, истощая запасы пищи в океане.

Предполагается, что в ходе биохимической эволюции создавалась огромное количество сложных органических веществ. Некоторые из них оказались способными к фотохимическим реакциям. Включение этих веществ в уже существующие клетки позволило последним осуществлять эти реакции с одновременным синтезом новых клеточных материалов. Так, некоторые клетки стали автотрофным. Появление автотрофов ускорило конкуренцию гетеротрофвв за еду. Одни из первых фотосинтезирующих организмов были похожи на современные прокариотические синезеленые водоросли. Это были первые растительные организмы на Земле.

Постепенно с распространением фотосинтезирующих организмов количество кислорода в океане и атмосфере стало увеличиваться. Его ионизация привела к образованию озонового слоя атмосферы, уменьшив тем самым интенсивность ультрафиолетовой радиации, достигающей Земли. Синтез сложных органических веществ резко уменьшился, что уменьшило количество гетеротрофов, но одновременно повысило устойчивость процветающих форм жизни — автотрофов.

Если до этого мир был богат анаэробными прокариотических организмами, то в присутствии большого количества кислорода они оказались в невыгодных для естественного отбора условиях, так как в это время уже существовали организмы, которые использовали аэробное окисление молекул пищи. В таких условиях некоторые анаэробы вымирают, другие заполняют экологические ниши, практически лишенные кислорода. Третьи вступают в симбиоз с аэробными клетками и позже образуют с ними прочную ассоциацию. Так выглядит современное представление возникновения клеток эукариотического типа. Главная их особенность заключается в том, что в отличие от прокариот они уже имеют оформленное ядро, в котором находится большая часть клеточной ДНК.

Таким образом, все современные одноклеточные и многоклеточные организмы делятся на две группы — прокариоты и эукариоты.

  • К прокариотам относятся только бактерии и сине-зеленые водоросли (цианобактерии).
  • К эукариотам — зеленые растения (в том числе и другие водоросли), грибы и животные.

Замечание 3

Первые эукариоты возникли около 3 млрд. лет назад и по сей день остаются господствующей формой организмов на Земле.

КРАТКИЙ ОЧЕРК ЖИЗНИ И ДЕЯТЕЛЬНОСТИ А.И.ОПАРИНА

КРАТКИЙ ОЧЕРК НАУЧНОЙ, ПЕДАГОГИЧЕСКОЙ И ОБЩЕСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
(Вступительная статья академика А.А.Красновского и академика А.С.Спирина к книге
«Александр Иванович Опарин /материалы к биобиблиографии ученых СССР/»).
Издательство «Наука», Москва, 1979 г., с. 12–18.

 

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.

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 в.) 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.

Основные положения выдвинутой А.И.Опариным теории были четко сформулированы им в его первом публичном выступлении по этой проблеме 3 мая 1922 г. на заседании Российского ботанического общества и в монографии «Происхождение жизни», вышедшей в свет в 1924 г. Сущность теории заключалась в обосновании закономерного характера возникновения жизни в результате длительного процесса химической эволюции материи и после дующего действия естественного отбора на уровне многомолекулярных образований – предклеточных структур. А.И.Опарин подчеркивал, что именно закономерный и длительный процесс привел к качественному скачку – к возникновению жизни на Земле, а не какая-то счастливая случайность или занос ее с других планет.

Выдающийся английский ученый Джон Бернал особо подчеркнул значение этой книги А.И.Опарина: «Программа, намеченная А.И.Опариным, …породила огромную массу исследований. В начале разработки какой-либо научной программы самое главное… увидеть и сформулировать сами вопросы. Вспомним ли мы Ньютона, или Лавуазье, … или Пастера, … мы всякий раз убеждаемся в правильности этого положения… Данная работа … послужила отправной точкой для всех остальных…» (Бернал Дж. Возникновение жизни. М., «Мир», 1969, с. 294).

Для того чтобы представить силу научного предвидения А.И.Опарина, необходимо вспомнить состояние биохимии в 30-е годы нашего века. Как самостоятельная научная дисциплина биохимия сформировалась в конце прошлого века и к началу 30-х годов нашего века накопила сравнительно большой материал по химическому составу животных и растений и по реакциям, протекающим в живом организме. Представления об обмене веществ и его эволюции были тогда в зачаточном состоянии. Общепринятой точкой зрения была убежденность, что биоорганические молекулы могут возникать из неорганических веществ лишь в результате фотосинтеза. В связи с этим в качестве первичных организмов, от которых произошли все другие, рассматривались простейшие водоросли. Сопоставляя зачаточные сведения об обмене веществ у автотрофов и гетеротрофов, А.И.Опарин приходит к выводу об общности основного обмена у этих групп организмов и возможности эволюционного превращения гетеротрофов в автотрофы в результате возникновения дополнительных реакций, тесно связанных с основным обменом веществ. Из этого А.И.Опарин делает вывод о первичности гетеротрофных организмов, а до их возникновения – о необходимости образования и накопления основных биологически важных соединений в результате абиогенных (химических) синтезов.

А.И.Опарин указывал на возможность первичного абиогенного синтеза простейших органических веществ и отмечал, что эти вещества должны быть обнаружены на космических телах в условиях, исключающих биогенное происхождение этих веществ. Проведенные много позднее исследования углистых хондритов, а затем и лунного грунта, а также радиоастрономические исследования газо-пылевых туманностей подтвердили положение А.И.Опарина о первичном образовании органических молекул во Вселенной.

Невозможность протекания абиогенных синтезов в присутствии свободного кислорода и предположение о вторичности фотосинтетиков привели к концепции о восстановительном характере атмосферы на предбиологической Земле. Это положение было подтверждено геологическими исследованиями лишь в конце 40-х годов.

Абиогенный синтез белковоподобных соединений должен был приводить, согласно А.И.Опарину, к образованию фазово-обособленных коллоидных структур, отличающихся друг от друга и эволюционирующих за счет постоянного взаимодействия их с внешней средой. Положение об индивидуальных различиях коллоидных микроструктур, возникающих в практически одинаковых условиях (в одной и той же системе), удалось экспериментально подтвердить лишь в последние годы. В первой же книге А.И.Опарин выдвинул тезис о роли естественного отбора для эволюции предбиологических структур и их превращения в простейшие организмы.

Дальнейшая разработка теории происхождения жизни А.И.Опариным стимулировала эксперименты по синтезу аминокислот из простейших газов в условиях, моделирующих вероятные условия на предбиологической Земле (С.Миллер, А.Н.Теренин, Г.Юри, Дж. Оро, С.Поннамперума, А.Г.Пасынский, Т.Е.Павловская и др.).

В начале 50-х годов в различных лабораториях мира были проведены эксперименты, подтвердившие возможность синтеза из простейших молекул под действием различных источников энергии необходимых для возникновения жизни биологически важных соединений. Космохимические исследования продемонстрировали широкую распространенность органических, в том числе и биологически важных соединений в космическом пространстве и на различных космических телах. Таким образом, в настоящее время теория происхождения жизни является не только фундаментом для теоретической биологии, для раскрытия сущности жизни и исследований по эволюционной биохимии, но и теоретической основой космохимических исследований и поисков жизни на различных планетах Вселенной.

Бесспорно и ее философское методологическое значение, поскольку без понимания возникновения жизни не может быть создана стройная диалектико-материалистическая схема эволюции форм движения материи.

Теория А.И.Опарина открыла возможность целенаправленного исследования проблемы происхождения жизни и породила многочисленные изыскания ученых самых различных специальностей (биохимиков и палеонтологов, химиков и астрономов, физиков и геологов), превратившись к настоящему времени в новое, самостоятельное направление современного естествознания.

Исследования по проблеме происхождения жизни проводятся сейчас в большинстве стран. С 1957 г. созываются регулярные международные симпозиумы по этой проблеме. На 3-й Международной конференции по происхождению жизни, которая состоялась во Франции (Понт-а-Муссон) в 1970 г., было организовано Международное общество по изучению происхождения жизни (ИССОЛ).

Первым президентом этого общества был избран академик А.И.Опарин.
В 1972 г. во всем мире широко отмечалось пятидесятилетие создания А.И.Опариным теории происхождения жизни на Земле, а в 1974 г. в Москве состоялся Международный симпозиум, посвященный восьмидесятилетию А.И.Опарина и пятидесятилетию со дня выхода в свет первой его книги по проблеме происхождения Жизни.

В 1977 г. на конференции в г. Киото (Япония) А.И.Опарин был избран почетным президентом Международного общества по Изучению происхождения жизни. Общество учредило золотую медаль имени А.И.Опарина, которая будет присуждаться а крупнейшие открытия по проблеме происхождения жизни.

Благодаря основополагающим трудам академика А.И.Опарина исследования по проблеме происхождения жизни на Земле и во Вселенной относятся к тем направлениям современного естествознания, в которых приоритет и ведущая роль советской наук бесспорны.

Нельзя не подчеркнуть, что А.И.Опарин – не только создатель учения о происхождении жизни, но и исследователь, постоянно развивающий и углубляющий свою концепцию.

Невероятно бурное развитие науки, и прежде всего химии биологии и молекулярной биологии, не только подтвердило правильность выдвинутых ранее положений, но и потребовало уточнения и решения целого ряда вопросов. Обобщение новых данны; самых различных разделов естествознания и решение фундаментальных вопросов по проблеме происхождения жизни связаны многочисленными работами академика А.И.Опарина, изданным, более чем на 50 различных языках всего мира.

Но не только проблема происхождения жизни волнует А.И.Опарина. Круг его научных интересов очень широк. Его первая работа была посвящена сравнительному изучению глобулярных белков растений. Далее он занимался химическим исследованием процессов дыхания растений и совместно с А.Н.Бахом заложил основы биохимии растений в СССР. Вопросы эволюциоеной и сравнительной биохимии интересовали А.И.Опарина с самого начала его научной деятельности, его труды внесли существенный вклад в это направление биохимических исследований. В исследованиях А.И.Опарина по действию ферментов впервые было отмечено значение гетерогенности клеточной протоплазмы в регуляции ферментативных процессов.

Начало научной деятельности А.И.Опарина совпало с победой Великой Октябрьской социалистической революции и началом построения социализма в нашей стране. Развитие советской пищевой промышленности было связано с переходом от мелких кустарных пищевых предприятий к крупному заводскому производству. Стране были необходимы углубленные теоретические исследования биохимических процессов для их практического использования в зарождающейся пищевой промышленности. А.И.Опарин по праву считается создателем в отечественной науке направления, которое получило название технической биохимии.

Изучая в течение длительного времени действие ферментов в различных растительных объектах, А.И.Опарин пришел к выводу, что в основе технологии производств, имеющих дело с переработкой растительного сырья, лежат ферментативные процессы. Именно продукты ферментативных реакций, протекающих в автолитических смесях, придают растительному сырью качества готового изделия: усвояемость, вкус, аромат и т. д. Так, совместно со своими сотрудниками А.И.Опарин в середине 30-х годов на основе изучения биохимических процессов в хранящихся корнях разработал режимы длительного хранения сахарной свеклы, позволившие в полтора раза удлинить сезон работы сахарных заводов, следовательно, и увеличить их производительность без дополнительных капиталовложений и без потерь сырья. Пионерские исследования А.И.Опарина, начатые им в 1935 г., сыграли существенную роль при разработке биохимических основ производства чая. К 1938 г. А.И.Опарин заложил энзимологические основы хлебопечения. Много ценного внесено А.И.Опариным и в другие области технической биологии – пивоварение, виноделие, сыродельную и другие отрасли пищевой промышленности.

Многогранная научная деятельность А.И.Опарина неразрывно сочетается с постоянной педагогической работой. Со студенческих лет его жизнь связана с Московским государственным университетом (студент, лаборант, аспирант, старший преподаватель, профессор). В 1925 г. он начал читать в МГУ свой первый курс «Химические основы жизненных процессов». Почти 20 лет (1942–1960) А.И.Опарин заведовал кафедрой биохимии растений и читал курс общей биохимии и технической биохимии, а также спецкурс по энзимологии и проводил консультации и семинары для студентов-дипломников, с 1975 г. по настоящее время он читает спецкурс по проблеме происхождения жизни.

А.И.Опарин был также профессором Московского химико-технологического института им. Д. И. Менделеева (1929–1931), профессором и заведующим кафедрой технической биохимии Московского института технологии зерна и муки (1930–1931), профессором Московского технологического института пищевой промышленности (1937–1949).

Среди его многочисленных учеников – академики и члены корреспонденты АН СССР и члены академий союзных республик доктора и кандидаты наук, ведущие большую научную н педагогическую работу в республиках нашей страны.

В 1939 г. А.И.Опарин был избран членом-корреспондентом, а в 1946 г. он избирается действительным членом Академии наук СССР.

А.И.Опарин не только выдающийся ученый, но и организатор советской науки. В 1935 г. он совместно с А.Н.Бахом организует первый в стране Институт биохимии, директором которого oн был избран в 1946 г. и деятельностью которого он руководит по настоящее время. С 1945 по 1948 г. он был заместителем академика секретаря Отделения биологических наук АН СССР, а с 1948 по 1955 г. – академиком-секретарем Отделения биологических наук АН СССР и членом Президиума АН СССР.

В 1959 г. А.И.Опарин возглавляет организацию Всесоюзного биохимического общества и избирается его президентом, а 1964 г. по настоящее время является почетным президентом общества. С 1952 г. по настоящее время А.И.Опарин – председатель Национального комитета советских биохимиков. В 1962 г. он был избран вице-президентом Международного биохимического союза А.И.Опарин был председателем Экспертной комиссии по при суждению золотых медалей и именных премий Президиума Академии наук, членом Научного совета АН СССР по комплексной проблеме «Биологические функции белка и структура клетки».

С 1963 г. он председатель Научного совета по эволюционно биохимии и проблеме возникновения жизни АН СССР, координирует и направляет работу многочисленных исследователей, работающих в различных институтах по этой проблеме.

А.И.Опарин – замечательный популяризатор достижения науки как в нашей стране, так и за рубежом. Самые сложные научные проблемы он умеет ясно и просто объяснить даже неискушенному слушателю. В течение ряда лет он был председателем Всесоюзного общества по распространению политических и научных знаний, а в 1976 г. как лучший популяризатор науки был награжден международной премией Калинга (ЮНЕСКО).

А.И.Опарин – крупный общественный деятель. Будучи начинающим научным работником он принимал активное участие в профсоюзном движении. В 1918 г. рабочими фармацевтического завода он был направлен делегатом на I Всероссийский съезд рабочих химической промышленности, на котором был избран членом ЦК Союза рабочих химической промышленности. ЦК этого союза направил А.И.Опарина в Химический отдел ВСНХ в качестве члена коллегии, где он активно участвовал в национализации и реорганизации химической промышленности. Большую общественно-политическую деятельность А.И.Опарин вел как депутат Московского областного Совета депутатов трудящихся, как депутат и член Президиума Верховного Совета РСФСР, а также как вице-президент Исполнительного комитета Всемирной федерации научных работников и член Всемирного Совета Мира, являясь одним из активных участников движения сторонников мира.

А.И.Опарин – член ряда зарубежных академий и научных обществ, почетный доктор многих иностранных университетов. Он неоднократно награждался золотыми и серебряными медалями зарубежных университетов и академий.

За цикл работ по происхождению жизни А.И.Опарину в 1974 г. была присуждена Ленинская премия. Научно-педагогическая и общественная деятельность А.И.Опарина была высоко оценена Советским правительством. А.И.Опарин – Герой Социалистического Труда, он награжден пятью орденами Ленина и другими орденами и медалями СССР.

А.И.Опарин и сейчас с неиссякаемой энергией отдает все свои силы дальнейшей разработке одной из основных проблем естествознания – проблеме происхождения жизни на нашей планете.

 

О зарождении жизни на Земле, внеземном разуме и лженауке

— Расскажите об истории идей происхождения жизни. Как они развивались со временем?

— В древности были два основных варианта. Первый — что тот или иной бог эту жизнь однажды сотворил и с тех пор живые организмы размножаются и производят себе подобных. Второй — идеи, связанные с философией и наблюдением, характерные для древних греков. Например, что жизнь возникает постоянно на наших глазах (Аристотель писал про самозарождение мышей из речного ила при разливах Нила в Египте). Другие философы утверждали, что вопрос о происхождении жизни ставить нельзя, ведь жизнь, Земля и Солнце существуют вечно и начала у них никогда не было.

Так было примерно до Нового времени, когда первые ученые стали экспериментировать с самозарождением мух в гниющем мясе, мышей в грязной одежде с зерном и показали, что в наше время самозарождения жизни не происходит — если кувшин накрыть марлей, мухи туда попасть не могут, и никакие червячки в мясе не заводятся.

К XIX веку первыми научными экспериментами, как ни парадоксально, укрепилась идея религиозная, что жизнь сотворена Богом, и это было сделано один раз.

Окончательно это закрепил Луи Пастер, показавший, что даже микробы не зарождаются сами в запаянной колбе с прокипяченным бульоном.

— А что было потом?

— Ученым это не понравилось, и они стали искать пути, как бы в этом месте обойтись без бога. Здесь надо отметить достижения уже в начале XX века российского академика Опарина и англичанина Холдейна, которые независимо друг от друга догадались, что самозарождению жизни сейчас мешает кислородная атмосфера. Все живые молекулы в кислородных условиях неустойчивы, и рано или поздно они превратятся в углекислый газ и воду. Но кислородная атмосфера была не всегда. Кислород — продукт жизни (конкретно — растений и цианобактерий). До появления жизни, скорее всего, в атмосфере Земли кислорода не было. На безжизненных планетах — Венере, Марсе — мы тоже не видим кислорода в атмосфере, там преобладает углекислый газ и азот. С именами Опарина и Холдейна была связана важная идея, что на древней Земле в бескислородной атмосфере могли самопроизвольно получаться органические вещества, необходимые для клеток, и они не разрушались, пока из них как-то случайно не сложились первые живые организмы. Эти гипотезы опубликовали примерно 90 лет назад, в 20-е годы XX века, но почему-то экспериментально проверять это сразу не стали. Только в 50-е годы был проведен знаменитый опыт Миллера – Юри. Они взяли смесь газов, напоминающую древнюю атмосферу Земли (метан, аммиак, водород, сероводород, синильная кислота), запаяли в герметичную стеклянную установку и несколько дней пропускали там электрические разряды, имитируя грозы. Затем они проверяли, что получилось: получались некоторые аминокислоты, некоторые простые сахара, азотистые основания, входящие в состав ДНК, — это подтвердило идеи Опарина и Холдейна.

— И что же дальше?

— Дальше было открытие структуры ДНК Уотсоном и Криком, и за следующие 10–15 лет ученые узнали об устройстве живой клетки больше, чем за всю предыдущую историю развития биологии. Стало понятно, что самая простенькая клетка — очень сложная штука, и возникнуть полностью случайно она, наверное, может, но для этого всего возраста Вселенной не хватит, потому что вероятность слишком маленькая. Если взять клетку средней свободно живущей бактерии, то у нее в геноме несколько мегабайт информации, кодирующей несколько тысяч видов белков. Из этих белков строятся «наномашины», состоящие из нескольких десятков разных белковых молекул — например, рибосома, которая собирает новые белки, «наномашина» для копирования ДНК — репликативная вилка. Еще у клетки есть мембрана, которая отделяет ее от внешней среды, и, чтобы из внешней среды получать нужные вещества, в мембране есть транспортные белки, которые работают как система насосов. Из этой системы никаких компонентов выкинуть нельзя, чтобы она не потеряла жизнеспособность. Даже самая простая самостоятельная клетка очень сложна. Вирусы проще, но они не могут жить вне клеток, на которых они паразитируют.

Новые открытия создали проблемы для понимания происхождения жизни: клетка оказалась сложнее, чем считалось во времена Опарина.

И известная цитата астронома Фреда Хойла, что вероятность случайного получения живой клетки примерно равна вероятности самосборки Боинга-747 от торнадо на мусорной свалке, математически верна.

Биологам на тот момент было понятно, что способ возникновения сложных систем, который не требует большого времени и везения — эволюция по Дарвину, путем случайных мутаций и естественного отбора. Эволюция привела жизнь от бактериальных клеток к животным, растениям и человеку разумному. Возник соблазн попробовать продолжить эту тенденцию в прошлое: возможно, клетки тоже развились путем дарвиновской эволюции из чего-то более простого. Чтобы дарвиновская эволюция шла, ее объекты должны уметь создавать собственные копии. Клетки делятся, многоклеточные размножаются. Надо было найти что-то более простое, чем клетка, и более самостоятельное, чем вирус. И в конце 70-х годов несколькими учеными была опубликована одновременно и независимо идея мира РНК.

— Расскажите, пожалуйста, о концепции РНК-мира.

— В живой клетке есть три самых важных типа молекул, без которых она не работает. Это полимерные молекулы, они похожи на нитки бус из отдельных звеньев: белки, состоящие из аминокислот, ДНК, которая состоит из азотистых оснований, и РНК — рибонуклеиновая кислота, которая похожа на ДНК, но немножко отличается от нее. ДНК сделана, чтобы хранить наследственную информацию, и делает это хорошо. ДНК очень устойчива. Белки выполняют всю «грязную работу»: ускоряют все нужные клетке химические реакции, выполняют транспортные функции, защитные, они же образуют что-то вроде скелета клетки. Белки все делают, а последовательность белков хранится в ДНК. Поначалу (до 60-х годов) считалось, что РНК — посредник между ДНК и белками. РНК образует прежде всего временные копии участков ДНК (генов), необходимые в белковом синтезе. Информация в ДНК переписывается на РНК, которая потом используется в построении белков.

Позже были найдены вирусы, у которых наследственная информация хранится в РНК (то есть РНК у них заменяет ДНК), а потом были открыты такие замечательные штуки, как рибозимы, которые могут заменять белки, вызывая ускорение химических реакций, то есть работать ферментами. Возникла идея, что в древние времена был вариант жизни, использующий лишь один тип полимерных молекул из трех современных. Эта идея развивалась, искали способы получать искусственные рибозимы разной ферментативной активности. Их наоткрывали сотни, и это считалось подтверждением реальности мира РНК. Было открыто, что рибосома — машинка, собирающая белки, — в своем активном центре содержит рибозим. То есть сборка белков происходит полностью под контролем РНК, которая не уступила белкам все функции, а кое за чем главным по-прежнему следит в клетках единолично.

— А мог бы и дальше существовать мир без ДНК, основанный только на РНК?

— Скорее всего, мог бы, но недолго. Жизнь, не использующая белки, использующая РНК, могла жить только в определенных необычных местообитаниях, например, как я этого в книге касаюсь, в горячих источниках около вулканов. Она не могла заселять моря и океаны, была ограничена в расселении по планете, и любое резкое изменение условий ее могло бы погубить. Жизнь в РНК-мире была довольно уязвима, и нам очень повезло, что она довольно быстро прошла все необходимые шаги: завела белки, завела ДНК, оделась клеточными оболочками и могла уже существовать в самых разных условиях.

Сейчас идея мира РНК считается не предположением, а хорошо подтвержденной теорией.

В книге я несколько глав посвящаю ее современному развитию (в 2000-е годы ее довольно сильно дополнили).

— Также в книге вы рассказываете об уравнении Дрейка, которое рассчитывает вероятность контакта с внеземной разумной жизнью. Это уравнение было создано еще в 60-х. Как изменилось его понимание теперь, с открытием экзопланет и другими достижениями астрономии?

— Дрейк считал (и его оценка была взята полностью с потолка), что примерно половина звезд в нашей Галактике имеет планеты, и в каждой планетной системе есть одна планета, пригодная для жизни. Первая оценка сейчас полностью подтверждена, а вот со второй частью гораздо хуже. Подавляющее большинство экзопланет, которые астрономы понаоткрывали за последние 15 лет, находятся очень близко к своим звездам. Они очень горячие — еще горячее, чем Венера и Меркурий в нашей Солнечной системе, поэтому для жизни непригодны. С поиском пригодных для жизни планет есть куча технических сложностей. Они должны быть не слишком горячие и не слишком холодные, не слишком маленькие, чтобы они могли удержать воду и атмосферу, но и не слишком большие, чтобы превращаться в газовые гиганты типа Урана, Нептуна, Юпитера или Сатурна. Планеты, которые близки к звезде и горячи, искать намного проще. Если же планета далекая от звезды и холодная, открыть ее легче, когда она массивная, сильно тяжелее Земли. С современными приборами технически очень трудно найти планеты, похожие на нашу, даже если они есть. С расстояния в 100 световых лет в Солнечной системе мы смогли бы обнаружить только Венеру и Землю.

Следующее поколение телескопов должно это исправить.

— Вы говорите о планетах, где могли бы существовать углеродные формы жизни. А что если подумать о вариантах, где вместо углерода находятся другие атомы, например кремний? Какие условия для таких форм подходят? Возможно ли существование таких форм жизни на уже известных нам планетах — может быть, не в Солнечной системе, а на экзопланетах?

— Жизнь, не основанная на углероде, мне кажется нереальной. Мне кажется более вероятной жизнь, которая не будет использовать воду, но вот от углерода уйти практически некуда. Все химические элементы, которые использует наша жизнь, не случайны. Они в ходят в первую десятку самых распространенных элементов во Вселенной: водород, гелий, углерод, кислород, азот, неон, магний, кремний, сера и железо. Из этой десятки наша жизнь использует семь, кроме инертных газов (гелий, неон) и кремния, который и в условиях Земли, и в условиях метеоритов, и в условиях известных планет Солнечной системы образует устойчивые связи с кислородом: кремензем и силикаты.

Подавляющее большинство драгоценных и полудрагоценных камней — соединения кремния с кислородом. Они очень устойчивы, а для жизни нужны вещества, которые входили бы в обмен веществ. У кремния таких соединений в присутствии кислорода и воды не бывает. И в метеоритах, и в космической пыли, которую астрономы наблюдают в далеких туманностях, кремний содержится в виде тех же устойчивых соединений, как и на Земле: силикаты, кварц, иногда карбид кремния (но он еще более устойчивый). А углерод может образовывать и устойчивые соединения, и с достаточной реакционной способностью (как, например, сахара).

Поэтому кремний в качестве химической основы жизни подходит очень плохо.

По химии в качестве альтернативы углерода мог бы подойти бор, соседний элемент по Периодической таблице, но бор подводит ядерная физика: его ядро недостаточно устойчиво, поэтому его во Вселенной в миллионы раз меньше, чем углерода. Бора просто нет столько.

Еще углерод в принципе можно заменить азотом, но для этого нужны сверхвысокие давления — в сотни тысяч атмосфер. При этих давлениях азот образует сложные разветвленные молекулы подобно углероду в наших условиях, но такие условиях бывают только в недрах каких-нибудь планет-гигантов.

— То есть теоретически там возможно возникновение подобных форм жизни?

— Теоретически, но проблема в том, что углерод там тоже есть — в виде метана. Скорее всего, углерод этой жизнью тоже будет на каких-то правах использоваться. Таких мест во Вселенной, где бы углерода не было, а другие элементы, подходящие для создания жизни, были — их просто нет. Поэтому жизнь совсем без углерода я представить себе не могу. Наша углеродная жизнь использует в очень важных местах азот. Без азота невозможны ни белки, ни ДНК, но все-таки углерода по массе больше. В недрах газовых гигантов можно представить себе жизнь, где будет главным элементом азот, но, скорее всего, на вторых ролях углерод там все равно будет. И критичное отличие от Земли там не температура, а давление, которое должно быть очень высоким — таким, какое в лаборатории мы можем получить на специальном прессе с алмазным столиком в очень-очень маленьком объеме.

— Расскажите, пожалуйста, как вы относитесь к парадоксу Ферми? Как вы объясняете то, что мы не можем «засечь» другие формы жизни, если за время существования Вселенной они могли возникнуть?

— Как я писал в своей книге, мне кажется, что не все стадии возникновения разумных существ были закономерными и неизбежными. В биологической эволюции есть труднообъяснимая стадия, когда произошел переход от прокариотических клеток к клеткам с ядром, как животные и растения.

— То есть этого перехода могло не произойти и жизнь бы не развивалась по тому направлению?

— По тем деталям этого перехода, которые мы можем установить, это выглядит как довольно-таки случайный и маловероятный процесс, в котором много раз нашим предкам просто повезло. Я допускаю, что во Вселенной есть миллионы планет, населенных чем-то вроде наших бактерий, но клетки с ядром там не появились, поэтому многоклеточных животных и растений не возникло тоже. Это первая причина.

Вторая причина, почему мы можем быть единственным разумным видом во Вселенной (или, по крайней мере, в нашей Галактике точно) — часть этапов развития жизни требует очень большого времени, которое зависит от внешних по отношению к этой жизни факторов (строения и состояния планеты).

Для появления клеток с ядром нужно было, чтобы сначала в окружении возник кислород.

Чтобы появился фотосинтез с выделением кислорода и кислородная атмосфера, микробам понадобилось полтора миллиарда лет, когда они довольствовались примитивными вариантами фотосинтеза, в которых нет выделения кислорода, но затрачиваются относительно дефицитные вещества вроде сероводорода или солей железа. И только когда все соединения серы и железа из древнего океана потратили и осадили в виде будущих железных руд, им за недостатком ресурсов пришлось переходить на более сложный, кислородный вариант фотосинтеза. Нашим предкам снова очень повезло: если бы наша планета была больше или более богата железом, у них бы это заняло не 1,5 миллиарда лет, а 3 или 4, и к моменту появления животных светимость Солнца возросла бы, потому что Солнце стало бы старым, и было бы глобальное потепление, глобальная засуха и превращение Земли в подобие Венеры, и разумная жизнь просто не успела бы возникнуть.

— А в чем, на ваш взгляд, эволюционный смысл возникновения сознания и разума?

— Биологи считают, что разум — это побочный продукт способности к обману сородичей и распознавания обмана с их стороны — то, чем занимаются обезьяны очень активно. Это называется теорией макиавеллевского интеллекта. У физиков есть своя идея, что человек или любое другое разумное существо — инструмент Вселенной для познания самой себя. У них еще такая шутка на эту тему была: раз в 15 миллиардов лет физики собираются вместе и строят большой адронный коллайдер. Так что ответ зависит от плоскости, в которой вопрос рассматривать.

— Вы пишете, что занимаетесь преподаванием в Летней экологической школе. Возможно, вам удавалось сталкиваться с лженаучными взглядами у детей, переубеждать их. Кому больше свойственны заблуждения, детям или взрослым?

— У взрослых я видел лженаучные взгляды в разы чаще, чем у детей. Взрослые окончили школу давно и программу, по большей части, забыли. Всякие заблуждения, связанные с гомеопатией или памятью воды, явно растут из того, что люди забыли школьную химию. Если привлекать возрастную психологию, известно, что людям пожилого возраста менее интересно, как устроен мир на самом деле, и более интересно, как «должно быть». И они более склонны свое желаемое выдавать за действительное. К тому же они учились в другие времена. Есть мнение, что советское образование было лучшим в мире.

В чем-то оно действительно таким было, если СССР при гораздо меньших ресурсах, чем США, первым запустил человека в космос.

Но при этом в конце перестройки, году в 1989-м, вся страна прилипла к телевизорам с Кашпировским и Аланом Чумаком, которые «заряжали воду» и делали другие странные вещи. Видимо, заложенная, в том числе советской школой, привычка подчиняться авторитетам сыграла очень плохую шутку, когда эти авторитеты резко поменялись. Та же привычка, как мне кажется, повела людей в МММ и другие финансовые пирамиды.

— Не может ли быть связано с привычкой следовать за авторитетами и то, что эволюция до сих пор подвергается сомнению в некоторых кругах?

— Все лжеученые пытаются внешние атрибуты авторитета себе обеспечить и доверие получают за счет этого. Но по поводу теории эволюции я не стал бы так беспокоиться: от неверия в нее еще никто не умер. А вот всякие лженаучные заблуждения медицинского толка гораздо хуже.

Антипрививочники, отрицание СПИДа, память воды, шарлатанские методы лечения рака — это приводит людей к гибели здесь и сейчас, причем в случае с антипрививочниками, как ни прискорбно, страдают не сами заблуждающиеся, а их дети.

— Это действительно грустно.

Ваша книга и курсы лекций охватывают широкую сферу науки — от астрономии до молекулярной биологии. Скажите, в каких науках заблуждения более распространены, а о каких читатели осведомлены больше?

13 сентября 10:49

— Во-первых, есть области науки, которые привлекают внимание психически нездоровых людей, пытающихся опровергнуть общепринятые теории. В физике особенно популярно опровержение теории относительности (пытаются возродить эфир). Люди из каких-то своих мозговых завихрений начинают опровергать Эйнштейна. Если вы поищете в сети, например в сообществе Science+freaks в «Живом журнале», вы найдете сотни примеров.

— К нам в редакцию минут двадцать назад звонил один из таких представителей.

— Да-да, мне тоже на электронную почту периодически пишут. Затем — в лингвистике, в эволюции языков, их родстве. Возникают лженаучные теории, что все языки произошли от русского, или все языки произошли от украинского, или от иврита — смотря какие завихрения в голове. Естественно, пытаются опровергать теорию эволюции, и теория эволюции и этология (наука о поведении животных) объясняют, почему это хочется опровергнуть.

У всех животных есть инстинктивные механизмы, которые вызывают отвращение и враждебное отношение к тем, кто на них похож, но не совсем, то есть к близким видам.

— Наверное, чтобы предотвратить скрещивание?

— Да, верно. Поэтому людям в среднем не нравятся обезьяны — по крайней мере, нравятся гораздо меньше, чем кошечки и собачки. И обезьяны сторонятся обезьян другого вида. Поэтому какая-нибудь рысь, забредшая в деревню, не устоит от соблазна разорвать домашнюю кошку — не чтобы съесть, а просто так. Этот же инстинктивный механизм участвует в ксенофобии у людей, когда речь идет о носителях других языков. Скажем, для среднего русского человека какой-нибудь китайский — как птичье чириканье, не вызывает особых эмоций. А в языке индоевропейской группы, скажем немецком или таджикском, могут угадываться какие-то сходные сочетания звуков или даже корни. А близкий язык (скажем, болгарский для нас или французский для испанца) будет казаться смешным и неправильным. Это инстинктивное неодобрение к относительно похожим видам заставляет людей внутренне отвергать идею о происхождении от обезьян. Вся остальная часть теории эволюции таких эмоциональных отторжений обычно не вызывает, но этим отторжением теория эволюции и подтверждается!

— Эволюция же происходит не только в природе, но и среди идей. Как развивается научная популяризация в нашей стране в последние годы?

— Эволюция идей, мемов у Докинза по-моему, довольно спекулятивна. Для эволюции нужно, чтобы организмы производили копии, которые борются за ограниченные ресурсы. Для идей такой ресурс — емкость человеческих мозгов, где они обитают, но говорить о саморазмножении идей я бы поостерегся.

— Хорошо, как научно-популярная литература изменяется за последние годы?

— Если брать промежутки времени лет в 30–40, мы увидим движение по кругу. Научпоп за последние 10 лет по стилю сильно копирует научпоп западный, потому что сейчас его много перевели. Там есть тенденция все максимально упрощать, как совсем «для дебилов». Выкладывая черновые отрывки своей книги, я получил несколько комментариев в духе «вы знаете, то, что вы пишете, похоже на советский научпоп». Я над этим подумал, согласился и решил, что это хорошо.

Моя книга отличается от среднего научпопа большей плотностью информации, и среднему читателю придется лезть в Google — не за тем, так за другим.

Я старался все максимально облегчить, но в объеме одной книги все комментарии и пояснения не поместятся — а если впихнуть, это будет нечитаемо. Комментаторы в блоге говорили, что это вносит приятное разнообразие, а работа мозгом по пониманию более сложного текста приносит удовольствие. Я в детстве читал много советского научпопа из родительской библиотеки — там был Маковецкий, Яков Перельман. Возможно, я их в чем-то неосознанно копировал. А вот Кирилла Юрьевича Еськова по стилю я копировал уже осознанно — это наш палеонтолог, который в 2000-м выпустил научно-популярную книгу «История Земли и жизни на ней» (правда, тогда научпоп не был развит, и она вышла под грифом «учебники для дополнительного образования»). В этой книге говорится о развитии биосферы Земли как цельной системы, без акцента на конкретных вымерших видах. Других книг подобной направленности на русском языке нет, да и на английском, в принципе, тоже. Она была принята читателями довольно благосклонно, в том числе далекими от биологии. Я как-то сослался на нее в споре на форуме по военной истории, и там книгу приняли на ура, хотя она была не по их специальности.

— А ваша книга больше рассчитана на подготовленного читателя, который уже интересуется биологией?

— Я очень хочу, чтобы она дошла до читателей, далеких от биологии. Книга выросла из курса лекций, который был отработан на школьниках, интересующихся биологией. Мне очень хотелось охватить условную аудиторию GeekTimes. Там больше программистов — очень умная аудитория, но которая читает научпоп, связанный с биологией, редко и от случая к случаю. В научпопе сейчас проблема: каждую новую научно-популярную книгу читают те же люди, которые читали три-пять предыдущих. Мне бы хотелось разомкнуть эту замкнутую «тусовку», подключив туда новых людей. В этом цель не только этой книги, но и ее рекламы.

Урок биологии по теме «Современная теория возникновения жизни на Земле — гипотеза А.И. Опарина — Дж.Холдейна»

«Современная теория возникновения жизни на земле – гипотеза А.И. Опарина – Дж. Холдейна»

Тип урока: урок формирования и совершенствования знаний.

Вид урока: урок взаимного обучения.

Цель: изучить основные аспекты современной теории возникновения жизни на Земле — гипотезы А.И.Опарина- Дж. Холдейна.

Задачи:

  1. Сформировать у учащихся систему знаний об условиях и этапах возникновения жизни на Земле в ходе биохимической эволюции.
  2. Совершенствовать у школьников умение сравнивать и анализировать различные гипотезы, правильно определять их по сущностным характеристикам
  3. Пробудить у учащихся интерес и позитивное отношение к биологической науке и поиску всеобъемлющей теории по проблеме возникновения жизни на Земле.
  4. Убедить учащихся в неповторимости жизни как способа существования.

Ведущие понятия: химическая эволюция, абиогенный синтез, коацерваты, биопоэз.

Межпредметные связи: с астрономией — концепция О.Ю. Шмидта; с геологией -формирование и развитие нашей планеты; с историей — развития представлений о возникновении жизни на Земле с древности до наших дней; с химией – формирование органических веществ; с экологией — отработка смежных терминов (автотрофы, гетеротрофы, прокариоты, эукариоты, аэробы, анаэробы и т.д.).

1-й этап. Организационная часть.

2-й этап. Вводная беседа.

Учитель: На прошлом уроке мы познакомились с большим количеством гипотез, теорий и концепций о происхождении жизни на Земле. Каждый из вас готовил доклад по изучаемой теме. Работы были очень интересные. Давайте еще раз проследим и вспомним, как развивались представления по изучаемой проблеме.

3-й этап. Повторение пройденного материала (опрос).

— Индивидуальный опрос: работа с карточками у доски.

Карточка №1.

Как долго существовали представления о самозарождении организмов. В чем заслуга Франческо Реди в этом вопросе?

Карточка №2.

В 1859 году Парижская академия наук учредила премию за попытку осветить по-новому вопрос о зарождении жизни на Земле. Кто и когда получил эту премию? В чем была его заслуга?

Фронтальный опрос:

1. Все многообразие гипотез сводится к двум взаимоисключающим точкам зрения. Каким? Назовите их. Ответ: Биогенез-«живое из живого». Абиогенез-« живое из неживого».

2. Кроме того, основные идеи, объясняющие происхождение жизни на Земле можно классифицировать по пяти направлениям. Каким? Учитель рекомендует обратиться к Приложению 1.

3. Назовите основные идеи. Объясняющие происхождение жизни на Земле?

Ответ:

  1. Метафизическая (жизнь создана Богом).
  2. Теория панспермии (жизнь занесена из космоса).
  3. Теория самозарождения.
  4. Биохимическая гипотеза А.И. Опарина.
  5. Гипотеза геологической вечности жизни.

Учителем доводятся статистические данные по опросу учеников старших классов. Из 87 опрошенных учеников считают, что жизнь создана Богом-42 человека; В теорию панспермии верят-28; жизнь самозародилась-5 чел; В теорию А.И. Опарина-12 чел; В теорию биогенеза — никто не верит.

Учитель: Почти половина опрошенных учеников верят в христианскую религию, которая всегда была символом доброты и милосердия. А раз молодые люди верят в доброе будущее, то все в нашем государстве будет хорошо.

4. Каковы были взгляды на происхождение жизни в древности? Ответ: в древнем мире была распространена идея самозарождения. Аристотель: черви появляются из гниющего мяса под влиянием «жизненной силы». Древнеримский философ Тит Лукреций Кар в I веке до нашей эры в произведении «О природе вещей» писал:

«Видеть бывает легко.
Как из кучи зловонной навоза,
Черви живые ползут, зарождаясь…».

5. Расскажите о гомункулюсе? Ответ: Средневековый алхимик Парацельс в 16 веке предложил рецепт создания маленького живого человека. Он рекомендовал выдержать разлагающуюся мочу определенное время в тыкве, а затем поместить ее в лошадиный желудок, где и будет развиваться гомункулюс. В поэтической форме эти идеи отражены в гениальном произведении И.В. Гете «Фауст»

6. Какова заслуга М.М. Тереховского? Ответ: Мартын Матвеевич в 1775 году запаял сосуд с бульоном и прокипятил его. Бульон хранился очень долго, но микроорганизмы в нем не появились.

7. Отвечает ученик у доски. Карточка №1.Ответ: Представления сохранялись до 19 века. Но в 17-18 веках ученные пытались с помощью опытов доказать невозможность самозарождения жизни. В 17 веке Франческо Реди проделал опыты: (Рис. № 1.)

  1. Сырое мясо в закрытом горшке.
  2. Сырое мясо в четырех сосудах было открыто, в 4х-прикрыто кисеёй. Кисея (ударение на букву «я»)- это легкая полупрозрачная хлопчатобумажная ткань. Результат: в открытых сосудах завелись личинки мясной мухи, а в закрытых самозарождения не произошло.

Рисунок №1.

8. Как вопросы происхождения жизни были связаны с семьей Ч. Дарвина? Ответ: самозарождение допускал и Эразм Дарвин (дед Ч.Дарвина ), спор разгорелся в 1859 году после выхода в свет трактата медика Пуше о самозарождении организмов. В том же году вышла книга «Происхождение видов» Ч. Дарвина и возник вопрос «Как возникла жизнь на Земле?»

9. Отвечает ученик у доски Карточка №2. Ответ: Премия была учреждена за попытку осветить по-новому вопрос о зарождении жизни на Земле. Премию получил в 1862 году Луи Пастер. Опыт Пастера: в сосуде с S- образным горлышком бульон хранился долгое время и оставался стерильным, так как микроорганизмы оседали на стенках изогнутой трубки и в бульон не попадали. Однако стоило обмыть изгиб трубки бульоном, как начиналось гниение, вызванное микроорганизмами. Л.Пастер доказал невозможность самопроизвольного зарождения жизни. (Рис.№2.)[1].

Рисунок №2.

10. Что такое пастеризация? Почему так назван этот процесс? Ответ: Это способ уничтожения микробов в жидкостях и пищевых продуктах однократным нагреванием до температуры обычно 60-70 ° C с различной выдержкой от 15 до 30 минут. Такое название связано с именем учёного, сделавшего это открытие. Луи Пастер.

11. Что вам известно о гипотезе вечности жизни? Ответ: Шведский ученый Сванте Август Аррениус и Владимир Иванович Вернадский считали, что жизнь и ее зачатки занесены из космоса. Она называется теорией панспермии. Основатель немецкий химик Юстус Либих предполагал, что простейшие организмы или споры переносятся с планеты на планету метеоритами.

Учитель: И вновь возникает вопрос: «Если жизнь возникла не на Земле, то, как она возникла вне Земли?»

«Современная теория возникновения жизни на земле – гипотеза А.И. Опарина – Джона Бернала».

«Жизнь – это вечное познание. Бери свой посох и иди».

Слова эпиграфа каждый из вас понимает по-своему. И в конце урока нужно будет ответить на вопрос: «Почему именно это слова взяты эпиграфом?»

Учитель: Сегодня мы должны с вами выяснить, в чем же сущность теории А.И.Опарина- Дж. Бернала. Мы познакомимся со следующими терминами и заслугами ученых, внесшими вклад в развитие представлений о зарождении жизни на Земле. (Рис. №3).

Рисунок №3

Прежде, чем говорить о возникновении жизни на Земле, давайте вспомним о происхождении нашей планеты.

Задание! Выйти к доске и, используя наглядный материал, рассказать о концепции Отто Юльевича Шмидта.

(У доски отвечает ученик)

Аудитория может обратиться к Приложению 2, и рисункам №4, №5; «Большой взрыв», «Рождение Земли», «Как возникла жизнь на Земле».

Рисунок №4

Рисунок №5

(Ученик рассказывает о концепции О.Ю. Шмидта)

В соответствии с концепцией О.Ю. Шмидта более 5 млрд. лет назад в результате Большого взрыва из газово-пылевого облака образовалось Солнце. Из оставшейся части облака, вращающегося вокруг Солнца, формировались планеты Солнечной системы, в том числе и Земля.

Первоначально Земля была холодной, но благодаря распаду радиоактивных элементов она разогрелась, температура в ее недрах достигла выше 1000° C. В результате твердые породы начали плавиться и распределяться определенным образом: в центре – самые тяжелые. А на поверхности — самые легкие. Под влиянием высокой температуры вещества вступали в химические реакции.

Атмосфера Земли в то время была бескислородной. В ее состав входили азот, водяной пар, углекислый газ, сероводород, аммиак, метан и др. Свободный кислород, который выделялся из мантии, быстро расходовался на процессы окисления.

Затем наступил период охлаждения планеты. Температура на поверхности Земли снизилась до 100° C. Началась конденсация водяного пара в атмосфере, пошли проливные дожди, продолжавшиеся тысячелетия. Горячая вода заполняла впадины земной поверхности.

Учитель: Итак, мы имеем воды первичного океана на древней Земле.

А что же дальше?

Эту концепцию развили или углубили в своих работах в 1924 году А.И. Опарин, в 1929 году английский биолог Дж. Холдейн и в 1947 году английский физик Джон Бернал.

Процесс формирования первых органических соединений на Земле называют химической эволюцией.

(Обратимся к рис. №6 и №7).[5].Это основные таблицы, с которыми мы будем работать на уроке).

Рисунок №6

Рисунок №7

Учитель: Вопрос №1. Этапы химической эволюции (на доске).

Сегодня на уроке мне будет помогать творческая группа из двух учеников.

Первый ученик: рассказывает об абиогенном синтезе. (Обратиться к рис. № 5 и Приложению 3).

Небиологический, или абиогенный (от греческого «а» — отрицательная частица, «БИОС»- жизнь, «генезис»- происхождение). На этом этапе в атмосфере Земли и в водах первичного океана, насыщенных разнообразными неорганическими веществами, в условиях интенсивного солнечного излучения происходили химические реакции. В ходе этих реакций из неорганических веществ могли сформироваться простые органические вещества- аминокислоты, простые углеводы, спирты, жирные кислоты, азотистые основания.

Учитель: Можно ли было проверить каким – либо образом эти предположения?

Второй ученик: рассказывает об опыте Миллера. (Обратимся к рис..№8).[1].

Рисунок №8

Возможность синтеза органических веществ из неорганических в водах первичного океана подтвердилась в опытах американского ученого С.Миллера и отечественных ученых А.Г. Пасынского и Т.Е.Павловской.

Миллер сконструировал установку, в которую помещалась смесь газов: метана, аммиака, водорода, паров воды. Эти газы могли входить в состав первичной атмосферы. В другой части аппарата находилась вода, которая доводилась до кипения. Газы и водяной пар, циркулировавшие в аппарате под высоким давлением, в течение недели подвергались воздействию электрических разрядов. В результате в смеси образовалось около 150 аминокислот, часть из которых входит в состав белков.

Учитель:

Итак:

1-й этап – абиогенный синтез низкомолекулярных органических веществ (биомономеров) из неорганических веществ. (Показать на рис. №6 и № 7).

2-й этап – образование биополимеров, (показать на рис. №6) – полинуклеотидов, белково-липидных систем и др.

3-й этап— появление коацерватов (пробионтов).

Учитель: рассказ о коацерватах. (Приложение 4, Приложение 5): от латинского «коацервус»- сгусток, куча. Молекулы белков, обладающие амфотерностью, при определенных условиях могут самопроизвольно концентрироваться и образовывать коллоидные комплексы, которые получили название коацерватов. Коацерватные капли образуются при смешивании двух разных белков. Раствор одного белка в воде прозрачен. При смешивании разных белков раствор мутнеет, под микроскопом в нем заметны плавающие в воде капли. Такие капли коацерватов могли возникнуть в водах первичного океана, где находились разнообразные белки.

Определение: коацерваты — это фазообособленные системы органических веществ. (пробионты, праорганизмы). (Показать на рисунке. Приложение 5).

Коацерватные капли могут служить моделями первичных предбиологических систем – пробионтов.

4-й этап – возникновение молекул нуклеиновых кислот, способных к самовоспроизведению.

5-й этап. Поэтапное повторение – закрепление.

Вопросы

1. Дать определение: химическая эволюция (это процесс формирования органических соединений на Земле).

2. Назовите этапы химической эволюции.

  • абиогенный синтез биомономеров;
  • синтез биополимеров;
  • появление коацерватов;
  • возникновение молекул нуклеиновых кислот, способных к самовоспроизведению.

3. Кто экспериментально подтвердил абиогенный синтез? (С. Миллер, А.Г. Пасынский, Т.Е. Павловская).

4. Что такое коацерваты?

(Это фазообособленные системы органических веществ).

Учитель: Однако процессы химической эволюции не объясняют. Как возникли живые организмы.

Процессы, которые привели к переходу от неживого к живому Дж. Бернал назвал биопоэзом.

Определение: Биопоэз – это переход от неживого к живому.

Этапы биопоэза должны были привести к появлению первых живых организмов.

Основные этапы биопоэза:

  1. возникновение мембран у коацерватов,
  2. возникновение способности к самовоспроизведению,
  3. возникновение метаболизма,
  4. возникновение фотосинтеза,
  5. возникновение кислородного дыхания. (показать на таблице).

Задание: ученики работают парами. На каждый стол учитель выдает перечень вопросов на бумажном носителе. Каждая мини группа отвечает на вопросы. Ответ нужно найти в тексте учебника.

  1. Каким образом образовались клеточные мембраны у коацерватов. Что в этом положительного? (Путем выстраивания молекул липидов на поверхности коацерватов. Это обеспечивало стабильность их формы)
  2. Прочему стало возможна способность к самовоспроизведению у коацерватов? (Благодаря включению в состав коацерватов молекул нуклеиновых кислот)
  3. Какой способ питания был у первых существ? Почему? (Способ питания – гетеротрофный, так как в водах первичного океана было много готовых органических веществ)
  4. С чем была связана необходимость появления автотрофных организмов? (Численность живых организмов увеличивалась и конкуренция обострялась. У некоторых организмов возникла способность к синтезу органических веществ из неорганических. С использованием энергии солнца (фотосинтез) или энергии химической реакции, (хемосинтез) возникли автотрофы)
  5. Почему первые живые организмы были анаэробными? (Вероятно, в водной среде еще отсутствовал кислород)
  6. Почему возникло аэробное дыхание? (Аэробное дыхание возникло потому, что появление фотосинтеза привело к накоплению в атмосфере кислорода)
  7. Почему стал возможен выход организмов из воды на сушу? (Первоначально жизнь развивалась в водах океана, так как ультрафиолетовое излучение губительно влияло на них. А появление озонового слоя в результате накопления кислорода в атмосфере создало предпосылки выхода на сушу)

Этап проверки последнего задания с расширенными пояснениями

Учитель! Исходя из всего сказанного, мы должны сделать вывод.

Наиболее распространенной гипотезой происхождения жизни на Земле является гипотеза Опарина – Бернала.

Жизнь возникла естественным путем из неорганической материи. Биологической эволюции предшествовала химическая.

Опровержение (противники теории).

Учитель. Я ни в коей мере не хочу перечеркнуть все выше сказанное, но у этой теории тоже есть противники.

Один из них Фред Хойл – астроном. Недавно он высказал мнение, что мысль о возникновении живого в результате описанных выше случайных взаимодействий молекул «столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над мусорной свалкой, может, привести к сборке «Боинга-747»».

Самое трудное для гипотезы Опарина – Бернала объяснить появление способности живых систем к самовоспроизведению. Гипотезы по этому вопросу пока малоубедительны. Подробности перехода от сложных неживых веществ к простым организмам покрыты тайной.

Этот вопрос является «белым пятном» в биологической науке.

Учитель: Ребята! Ответьте. Пожалуйста, на вопрос. поставленный в начале урока. Почему эпиграфом являются именно те слова, которые написаны на доске?

Ученик: Наверное, потому,что у каждого из нас своя дорога в жизни

Учитель: Да. Конечно! У каждого из вас своя дорога в жизни. Все они будут разные. И может быть кто-то из вас станет ученым – биологом и разрешит проблему, которую мы старались решить на этом уроке. Хочется дать вам напутствие и выразиться словами матери Терезы. Мать Тереза (Агнесс Гонджа Бояджиу, родилась в г. Скопье, современная Югославия, годы жизни1910-1997 г.г.) – это женщина, которая неустанно занималась благотворительностью. Католическая монахиня, известная всему миру миссионерской деятельностью, в 1979 году была удостоена Нобелевской премией. Это имя уже стало именем нарицательным. Но мир помнит о ней.

«Жизнь – возможность, используйте ее,
Жизнь – красота, восхищайтесь ею,
Жизнь – мечта, осуществите ее,
Жизнь – игра, сыграйте ее».

Итог урока: Из всего сказанного сегодня можно сделать вывод.

Наиболее распространенной гипотезой А.И. Опарина – Дж. Бернала, в соответствии с которой жизнь на земле возникла естественным путем из неорганической материи, Биологической эволюции предшествовала химическая эволюция, которая включала ряд этапов.

Переход от неживого к живому – биопоэз.

Учитель: Cпасибо всем.Активно работали:( перечислить). Мало отвечали (перечислить).

Выставлено: 9 -«5», 12-«4», 3-«3».

Список литературы:

  1. Иванова Т.В., Калинова Г.С., Мягкова А.Н.. «Общая биология». Учебник для 10 класса общеобразовательных учреждений. Под реакцией Г.М. Дымшица. Москва: Просвещение, 2001 год.
  2. Беляев Д.К. «Общая биология». Учебник для 10-11 классов общеобразовательных учреждений. Под ред.Дымшица.- Москва, Просвещение, 2001 год.
  3. Мягкова А.Н., Комиссаров Б.Д. «Методика обучения общей биологии». Пособие для учителей. Москва: Просвещение, 1973 год.
  4. Кулев А.В. «Общая биология» 10 класс, методическое пособие. Санкт-Петербург: Паритет, 2001 год.
  5. Опарин АИ. «Происхождение жизни». Москва: Молодая гвардия, 1954г.
  6. Мэтьюс Руперт «Как начиналась жизнь». Из серии книг «Что было до нашей эры». Волгоград: «Книга», 1992 год.

Теория происхождения жизни А. И. Опарина реферат по биологии

Теория происхождения жизни А. И. Опарина Реферат Минск 2008 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. 1894 — 1980 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

«Теория А.И.Опарина,опыты С.Миллера. Теория происхождения протобиополимеров»

Урок № 7

Дата:

Тема урока:  Теория А.И.Опарина,опыты С.Миллера. Теория происхождения протобиополимеров.

Цели урока : изучить основные аспекты современной теории возникновения жизни на Земле — гипотезы А.И.Опарина- Дж. Холдейна. Сформировать у учащихся систему знаний об условиях и этапах возникновения жизни на Земле в ходе биохимической эволюции. Совершенствовать у школьников умение сравнивать и анализировать различные гипотезы

Ход урока

I. Организационный момент :

II.Проверка усвоения материала и активизация знаний по предыдущей теме :

1. Как долго существовали представления о самозарождении организмов. В чем заслуга Франческо Реди в этом вопросе?

Ответ: Представления сохранялись до 19 века. Но в 17-18 веках ученные пытались с помощью опытов доказать невозможность самозарождения жизни. В 17 веке Франческо Реди проделал опыты:

Сырое мясо в четырех сосудах было открыто, в 4х-прикрыто кисеёй. Кисея (ударение на букву «я»)- это легкая полупрозрачная хлопчатобумажная ткань. Результат: в открытых сосудах завелись личинки мясной мухи, а в закрытых самозарождения не произошло.

2. В 1859 году Парижская академия наук учредила премию за попытку осветить по-новому вопрос о зарождении жизни на Земле. Кто и когда получил эту премию? В чем была его заслуга?

Ответ: Премия была учреждена за попытку осветить по-новому вопрос о зарождении жизни на Земле. Премию получил в 1862 году Луи Пастер. Опыт Пастера: в сосуде с S- образным горлышком бульон хранился долгое время и оставался стерильным, так как микроорганизмы оседали на стенках изогнутой трубки и в бульон не попадали. Однако стоило обмыть изгиб трубки бульоном, как начиналось гниение, вызванное микроорганизмами. Л.Пастер доказал невозможность самопроизвольного зарождения жизни

1. Все многообразие гипотез сводится к двум взаимоисключающим точкам зрения. Каким? Назовите их. Ответ: Биогенез-«живое из живого». Абиогенез-« живое из неживого».

2. Кроме того, основные идеи, объясняющие происхождение жизни на Земле можно классифицировать по пяти направлениям. Каким? Учитель рекомендует обратиться к

3. Назовите основные идеи. Объясняющие происхождение жизни на Земле?

Ответ: Метафизическая (жизнь создана Богом).

Теория панспермии (жизнь занесена из космоса).

Теория самозарождения.

Биохимическая гипотеза А.И. Опарина.

Гипотеза геологической вечности жизни.

4. Каковы были взгляды на происхождение жизни в древности?

Ответ: в древнем мире была распространена идея самозарождения. Аристотель: черви появляются из гниющего мяса под влиянием «жизненной силы». Древнеримский философ Тит Лукреций Кар в I веке до нашей эры в произведении «О природе вещей» писал:

«Видеть бывает легко.
Как из кучи зловонной навоза,
Черви живые ползут, зарождаясь…».

5. Расскажите о гомункулюсе?

Ответ: Средневековый алхимик Парацельс в 16 веке предложил рецепт создания маленького живого человека. Он рекомендовал выдержать разлагающуюся мочу определенное время в тыкве, а затем поместить ее в лошадиный желудок, где и будет развиваться гомункулюс. В поэтической форме эти идеи отражены в гениальном произведении И.В. Гете «Фауст»

6. Какова заслуга М.М. Тереховского?

Ответ: Мартын Матвеевич в 1775 году запаял сосуд с бульоном и прокипятил его. Бульон хранился очень долго, но микроорганизмы в нем не появились.

8. Как вопросы происхождения жизни были связаны с семьей Ч. Дарвина?

Ответ: самозарождение допускал и Эразм Дарвин (дед Ч.Дарвина ), спор разгорелся в 1859 году после выхода в свет трактата медика Пуше о самозарождении организмов. В том же году вышла книга «Происхождение видов» Ч. Дарвина и возник вопрос «Как возникла жизнь на Земле?»

10. Что такое пастеризация? Почему так назван этот процесс?

Ответ: Это способ уничтожения микробов в жидкостях и пищевых продуктах однократным нагреванием до температуры обычно 60-70 ° C с различной выдержкой от 15 до 30 минут. Такое название связано с именем учёного, сделавшего это открытие. Луи Пастер.

11. Что вам известно о гипотезе вечности жизни?

Ответ: Шведский ученый Сванте Август Аррениус и Владимир Иванович Вернадский считали, что жизнь и ее зачатки занесены из космоса. Она называется теорией панспермии. Основатель немецкий химик Юстус Либих предполагал, что простейшие организмы или споры переносятся с планеты на планету метеоритами.

III. Изучение нового материала :

Прежде, чем говорить о возникновении жизни на Земле, давайте вспомним о происхождении нашей планеты.

Работа в группах

1 гр. Теория А.И.Опарина

2гр.Опыты С.Миллера

Составляют кластер, защита своей работы

Рассказать о концепции Отто Юльевича Шмидта.

В соответствии с концепцией О.Ю. Шмидта более 5 млрд. лет назад в результате Большого взрыва из газово-пылевого облака образовалось Солнце. Из оставшейся части облака, вращающегося вокруг Солнца, формировались планеты Солнечной системы, в том числе и Земля. Первоначально Земля была холодной, но благодаря распаду радиоактивных элементов она разогрелась, температура в ее недрах достигла выше 1000° C. В результате твердые породы начали плавиться и распределяться определенным образом: в центре – самые тяжелые. А на поверхности — самые легкие. Под влиянием высокой температуры вещества вступали в химические реакции.

Атмосфера Земли в то время была бескислородной. В ее состав входили азот, водяной пар, углекислый газ, сероводород, аммиак, метан и др. Свободный кислород, который выделялся из мантии, быстро расходовался на процессы окисления.

Затем наступил период охлаждения планеты. Температура на поверхности Земли снизилась до 100° C. Началась конденсация водяного пара в атмосфере, пошли проливные дожди, продолжавшиеся тысячелетия. Горячая вода заполняла впадины земной поверхности.

Эту концепцию развили или углубили в своих работах в 1924 году А.И. Опарин, в 1929 году английский биолог Дж. Холдейн и в 1947 году английский физик Джон Бернал.

Процесс формирования первых органических соединений на Земле называют химической эволюцией. 4.На возникновение сложного комплекса нуклеиновых кислот и белков, в котором нуклеиновые кислоты воспроизводят себя и контролируют синтез белка, потребовалось еще около 1 млрд лет.

Сначала исходная предбиологическая среда обладала зеркальной симметрией, т.е. содержала равное количество «правых» и «левых» изомеров. Затем под влиянием внешних воздействий и в силу иных причин происходит нарушение зеркальной симметрии в «первичном бульоне» и формирование хирально чистой органической среды: остались только левые аминокислоты и правые сахара. Этот этап исключительно важен, он отправная точка для последующей химической эволюции, так как образование даже сравнительно коротких цепочек белков и нуклеиновых кислот могло идти только в хирально чистой среде.

5.Как же осуществлялся на Земле синтез биологических полимеров: белков и нуклеиновых кислот? Для этого необходима реакция поликонденсации – соединение аминокислот в полипептидную цепочку, и при этом выделялись молекулы Н2О – ее надо удалять путем нагревания. В водной среде это невозможно! Поэтому, вопреки принятой прежде гипотезе о сплошной водной оболочке, новейшие данные геохимии, геологии все больше подтверждают мнение, что формирование биополимеров происходит не в открытом океане, а в пересыхающих морских лагунах. Адсорбируясь на илистом дне лагуны, различные мономеры подвергались полимеризации, конденсации, дегидратации под воздействием энергии Солнца. Образующиеся полимеры смывались волнами океана, обогащая «первичный бульон». Абиогенно синтез белков и нуклеиновых кислот в общих чертах воспроизведен в лабораторных условиях. Американский ученый С.Фокс в 1953 году не только синтезировал почти все аминокислоты, но и на основе полимеризации получил белковоподобные вещества, которые расщеплялись ферментами и сами обладали слабой каталитической активностью.

Через абиогенный синтез он получил и мононуклеотиды, нагревание которых в присутствии полифосфорной кислоты привело к образованию коротких цепочек нуклеиновой кислоты.

Основные экспериментальные исследования показали, что белковоподобные и простейшие нуклеиновые кислоты могли возникнуть в сравнительно простых условиях первичной Земли. Таким образом, химическая эволюция – закономерный естественный процесс, закладывали основы жизни.

А.И.Опарин предположил, что переход от химической эволюции к биологической связан с возникновением простейших органических систем – пробионтов, способных использовать из окружающей среды вещества и энергию и на этой основе осуществлять важнейшие функции – расти, подвергаться естественному отбору. Такой системой является открытая система.

Моделью для пробионта явилась коацерватная капля.

Коацерват – это сгусток, образовавшийся в первичном мировом океане при концентрировании раствора, состоящего из органических веществ.

Приближение коацерватных капель к организации живых систем возможным только тогда, когда она приобрела характер открытой системы. При встряхивании коацервата он разбивается на мелкие капельки. Исследования А.И.Опарина показали, что капельки коацерватов способны поглощать из окружающего раствора различные вещества (питаться), увеличиваться в размерах (расти). Вещества, поглощенные коацерватом, могут вступать между собой в реакции, а продукты реакций выделяться в окружающую среду (выделение). Между капельками коацервата происходит борьба за существование – выживают наиболее устойчивые, наиболее приспособленные к окружающей среде.

Вопрос: Можно ли коацерваты называть живыми существами?

Ответ: Нет, так как у них отсутствует главный признак живого организма – воспроизведение себе подобных, нет системы к самовоспроизведению и самообновлению.

Как же осуществился переход коацервата к простой системе, способной к самовоспроизведению?

Для формирования коацерватов достаточна концентрация 0,01 – 0,001% белка или другого полимер. Считается, что в первичном океане могло содержаться до 10% растворимых органических соединений, а в лагунах – еще больше. Процесс образования коацерватов осуществляется под влиянием межмолекулярных сил взаимодействия. И хотя в них нет совершенного обмена веществ, но их уже можно назвать самоорганизующимися системами, способными к осуществлению некоторых процессов, сходных с жизнедеятельностью клетки.

Подлинное начало биологической эволюции ознаменовано возникновением пробионтов с кодовыми отношениями между белками и нуклеиновыми кислотами. Их взаимодействие обусловило возникновение таких свойств живого, как самовоспроизведение, сохранение наследственной информации и ее передача последующими поклонениям.

Вероятно, на более ранних этапах преджизни существовали независимые друг от друга молекулярные системы белков и нуклеиновых кислот с весьма несовершенным обменом веществ и механизмом самовоспроизведения. Огромный шаг произошел именно в тот момент, когда они объединились. Способность к самовоспроизведению нуклеиновых кислот дополнилась каталитической активностью белков.

Пробионты, у которых обмен веществ сочетался со способностью к самовоспроизведению, имели наибольшую перспективу сохраниться в предбиологической эволюции, которая осуществлялась на протяжении не менее 3,5 млрд лет.

Можно предположить, что первые полинуклеотиды были проще, чем современные, содержали всего один — два десятка звеньев. Процесс редупликации проходил медленно. Однако образование на молекуле такой же по составу структуры другой молекулы возможно только на основе матричного синтеза. А это уже характерно для живой системы.

Следует отметить, что уже на ранних этапах жизни возник естественный отбор, а в процессе естественного отбора возник биогенный синтез органических веществ из неорганических.

Абиогенное вещество – органическое соединение, возникшее без участия живых организмов в результате усложнения веществ в период, предшествующий появлению жизни.

Биогенное вещество – органическое соединение, синтезированное живыми организмами. Биогенный синтез привел к появлению автотрофных организмов. Первые исходные формы, образовавшиеся в период химической эволюции, развивались в анаэробной среде, использовали готовые органические соединения – это были гетеротрофные организмы. После того как происходило обеднение первичного бульона, стали возникать другие способы обмена, основанные на энергии химических связей, — это были хемоавтотрофы (железобактерии, серобактерии).

Следующий этап – возникновение процесса фотосинтеза, который существенно изменил состав атмосферы – из восстановительной она превратилась в окислительную. Благодаря этому стало возможным кислородное расщепление органических веществ, при котором получается во много раз больше энергии, чем при бескислородном.

Вслед за прокариотами появляются эукариоты – клетки, содержащие обособленное ядро. А затем возникают специализированные клетки высших многоклеточных организмов.

Существуют и другие гипотезы о происхождении жизни на земле. Об этом нам рассказывали учащиеся на прошлых уроках

Гипотезы вечности жизни.

Кроме виталистического учения, было еще очень много гипотез происхождения жизни на Земле. Так возникло представление о вечности жизни во Вселенной. Появилась гипотеза панспермии, которую выдвинул немецкий химии Ю.Либих. Согласно этой гипотезе жизнь существует вечно и переносится с планеты на планету метеоритами. Простейшие организмы и их споры («семена жизни»), попадая на новую планету и найдя здесь благоприятные условия, размножаются, давая начало эволюции от простейших форм к сложным. Сторонником гипотезы панспермии был выдающийся естествоиспытатель В.И.Вернадский. особенно активно развивал теорию панспермии шведский физик – химик Сванте Аррениус, создатель ТЭД (1907 г.). В опытах русского физика П.Н.Лебедева, открывшего давление светового потока, С.Аррениус увидел доказательство возможного переноса спор микроорганизмов с планеты на планету. Жизнь переносится, предполагал он, не в виде микроорганизмов на метеоритах, раскалывающихся при вхождении в плотные слои атмосферы, — сами споры могут перемещаться в мировом пространстве, движимые давлением солнечного света.

В дальнейшем и этот взгляд был отвергнут: в условиях космоса зачатие жизни в тех формах, которые известны на Земле, по-видимому, не могут существовать, и все попытки обнаружить в космосе какие-либо формы жизни не дали пока положительных результатов.

Тем не менее многие современные ученые высказывали гипотезы о внеземном происхождении жизни.

Так, американские ученые Ф.Крик и Л.Оргел полагают, что Земля была «заселена» какими-то разумными существами, обитателями тех планетных системе, развитие жизни на которых опередило нашу Солнечную систему на миллиарды лет.

Но даже если бы было доказано, что жизнь занесена на Землю с других планет, то каким же образом возникла жизнь на этих планетах? По данным космологии, истории возникновения и развития планет очень близки между собой. Они проходят стадию раскаленных тел, и существование белков и жизни в таких условиях невозможно!!!

Каким же образом возникла жизнь на планетах? Приняв, таким образом, гипотезу переселения жизни с планеты на планету, мы уходим от вопроса о происхождении жизни на Земле.

Вот почему эта гипотеза не пользуется признанием биологов, хотя не лишена правдоподобия.

Выводы.

1.Жизнь возникла на Земле абиогенным путем. Биологической эволюции предшествовала длительная химическая эволюция.

2.Возникновение жизни – это этап эволюции материи во Вселенной.

3.Закономерность основных этапов возникновения жизни может быть проверена экспериментально в лаборатории и выражена в следующей схеме: атомы – простые молекулы – макромолекулы – ультрамолекулярные системы (пробионты) – одноклеточные организмы.

4.Первичная атмосфера Земли имела восстановительный характер. В силу этого первые живые организмы были гетеротрофами.

5.Дарвиновские принципы естественного отбора и выживания наиболее приспособленных можно перенести на предбиологические системы.

6.В настоящее время живое происходит только от живого (биогенно). Возможность повторного возникновения жизни на земле исключена.

1. Небиологический, или абиогенный (от греческого «а» — отрицательная частица, «БИОС»- жизнь, «генезис»- происхождение). На этом этапе в атмосфере Земли и в водах первичного океана, насыщенных разнообразными неорганическими веществами, в условиях интенсивного солнечного излучения происходили химические реакции. В ходе этих реакций из неорганических веществ могли сформироваться простые органические вещества- аминокислоты, простые углеводы, спирты, жирные кислоты, азотистые основания.

Возможность синтеза органических веществ из неорганических в водах первичного океана подтвердилась в опытах американского ученого С.Миллера и отечественных ученых А.Г. Пасынского и Т.Е.Павловской.

Миллер сконструировал установку, в которую помещалась смесь газов: метана, аммиака, водорода, паров воды. Эти газы могли входить в состав первичной атмосферы. В другой части аппарата находилась вода, которая доводилась до кипения. Газы и водяной пар, циркулировавшие в аппарате под высоким давлением, в течение недели подвергались воздействию электрических разрядов. В результате в смеси образовалось около 150 аминокислот, часть из которых входит в состав белков.

IV. Закрепление Вопросы учебника

V. Задание на дом : Изучение материала учебника

Происхождение жизни на Земле

Цели обучения

  1. Опишите требования к происхождению жизни (источник углерода, энергия, отделение молекул от окружающей среды, наследственный механизм)
  2. Опишите этапы, которые привели к возникновению жизни (образуются органические молекулы, макромолекулы полимеризуются, развивается наследственный механизм, образуются протоклетки, заключенные в мембраны).
  3. Примените принципы эволюции путем естественного отбора к предбиотическим сценариям.

Происхождение жизни — загадка, окончательная головоломка с курицей и яйцом (R Service, 2015). Когда вы и сокурсники вместе обсуждали определяющие характеристики жизни, вы, вероятно, включали воспроизводство и наследственную информацию, преобразование энергии, рост и реакцию на окружающую среду. Вы также могли сказать, что, по крайней мере, на Земле, вся жизнь состоит из клеток с мембранами, которые образуют границы между клеткой и окружающей средой, и что клетки состоят из органических молекул (состоящих из углерода, водорода, азота, кислорода, фосфат, а сера — ЧНОПС).Загадка состоит в том, что сегодня на Земле вся жизнь происходит из уже существовавшей жизни. Эксперименты Пастера опровергли спонтанное зарождение микробов из кипяченого питательного бульона. Еще ни одному ученому не удалось создать живую клетку из органических молекул. Так как же могла возникнуть жизнь на Земле около 3,8 миллиарда лет назад? (Не забывайте о шкале времени, о которой мы говорим здесь — Земле 4,6 миллиарда лет, поэтому химической эволюции потребовалось почти миллиард лет, чтобы привести к биологической жизни.) Как можно ответить на этот вопрос, используя процесс научного исследования?

Исследования происхождения жизни

Хотя ученые не могут напрямую определить, как возникла жизнь на Земле, они могут сформулировать и проверить гипотезы о естественных процессах, которые могли бы объяснить различные промежуточные стадии, в соответствии с геологическими данными. В 1920-х годах Александр Опарин и Дж. Б. С. Холдейн независимо друг от друга выдвинули почти идентичные гипотезы происхождения жизни на Земле. Их гипотеза теперь называется гипотезой Опарина-Холдейна, и ключевые шаги:

  1. образование органических молекул, строительных блоков клеток (например,г., аминокислоты, нуклеотиды, простые сахара)
  2. образование полимеров (более длинные цепи) органических молекул, которые могут функционировать как ферменты для проведения метаболических реакций, кодирования наследственной информации и, возможно, репликации (например, белков, цепей РНК),
  3. образование протоклеток; концентрации органических молекул и полимеров, которые осуществляют метаболические реакции в замкнутой системе, отделенной от окружающей среды полупроницаемой мембраной, такой как двухслойная липидная мембрана

Гипотеза Опарина-Холдейна постоянно проверялась и пересматривалась, и любая гипотеза о том, как зародилась жизнь, должна учитывать 3 основных универсальных требования для жизни: способность воспроизводить и воспроизводить наследственную информацию; заключение в мембраны для образования клеток; использование энергии для достижения роста и воспроизводства.

1. Как органические молекулы образовались на предбиотической Земле?

Эксперимент Миллера-Юри
Стэнли Миллер и Гарольд Ури проверили первый шаг гипотезы Опарина-Холдейна, исследуя образование органических молекул из неорганических соединений. Их эксперимент 1950-х годов произвел ряд органических молекул, включая аминокислоты, которые производятся и используются живыми клетками для роста и размножения.

Эксперимент Миллера-Юри, иллюстрация Адриана Хантера на Wikimedia Commons

Миллер и Юри использовали экспериментальную установку, чтобы воссоздать условия окружающей среды на ранней Земле.Газовая камера имитировала атмосферу с восстановителями (донорами электронов), такими как метан, аммиак и водород. Электрические искры имитировали молнию для выработки энергии. Всего за неделю этот простой аппарат вызвал химические реакции, в результате которых образовались различные органические молекулы, некоторые из которых являются основными строительными блоками жизни, например, аминокислоты. Хотя ученые больше не верят, что на докиотической Земле была такая восстановительная атмосфера, такие восстановительные среды можно найти в глубоководных гидротермальных жерлах, которые также имеют источник энергии в виде тепла из жерл.Кроме того, более поздние эксперименты, в которых использовались условия, которые, как считается, лучше отражают условия ранней Земли, также дали множество органических молекул, включая аминокислоты и нуклеотиды (строительные блоки РНК и ДНК) (McCollom, 2013).

Видео ниже дает хороший обзор обоснования, установки и результатов эксперимента Миллера-Юри (хотя в нем неверно преувеличено, что Дарвин показал , что относительно простые существа могут постепенно давать начало более сложным существам).

Органические молекулы от метеоров

Каждый день Землю бомбардируют метеоритами и кометной пылью. Анализ космической пыли и метеоров, упавших на Землю, показал, что они содержат много органических молекул. Падение кометной пыли и метеоритов было намного больше, когда Земля была молодой (4 миллиарда лет назад). Многие ученые считают, что такое внеземное органическое вещество внесло значительный вклад в органические молекулы, доступные в то время, когда на Земле зародилась жизнь.На приведенном ниже рисунке из Бернштейна 2006 показаны 3 основных источника органических молекул на Земле до появления жизни: атмосферный синтез с помощью химии Миллера-Юри, синтез в глубоководных гидротермальных источниках и падение органических молекул, синтезированных в космическом пространстве.

2. Образование органических полимеров

При достаточно высокой концентрации этих основных органических молекул, при определенных условиях они будут связываться вместе с образованием полимеров (цепочек молекул, ковалентно связанных друг с другом).Например, аминокислоты соединяются вместе, образуя полипептидные цепи, которые складываются в молекулы белка. Рибоза, 5-углеродный сахар, может связываться с азотистым основанием, а фосфат — с нуклеотидом. Нуклеотиды соединяются вместе, образуя нуклеиновые кислоты, такие как ДНК и РНК. Хотя сейчас это осуществляется ферментами в живых клетках, полимеризация органических молекул также может катализироваться с помощью определенных типов глины или других типов минеральных поверхностей. Эксперименты, проверяющие эту модель, дали молекулы РНК длиной до 50 единиц всего за 1-2 недели (Ferris, 2006).

Ферментативная активность и наследственная информация в одном полимере: гипотеза мира РНК

Открытие Томасом Чехом того факта, что некоторые молекулы РНК могут катализировать свое собственное сайт-специфическое расщепление, привело к Нобелевской премии (Чех и Альтман), названию « рибозимов » для обозначения каталитических молекул РНК и возрождению гипотезы о том, что Молекулы РНК были исходными наследственными молекулами, предшествующими ДНК. Для исследователей происхождения жизни здесь была возможность того, что молекулы РНК могут как кодировать наследственную информацию, так и катализировать собственную репликацию.ДНК как первая наследственная молекула представляла реальные проблемы для исследователей происхождения жизни, потому что для репликации ДНК требуются белковые ферменты (ДНК-полимеразы) и праймеры РНК (см. Страницу о репликации ДНК), поэтому трудно представить, как такая сложная наследственная система могла иметь развивалась с нуля. С помощью каталитических молекул РНК отдельная молекула или семейство подобных молекул потенциально может хранить генетическую информацию и воспроизводить себя без необходимости в белках на начальном этапе.

Популяции таких каталитических молекул РНК претерпят молекулярную эволюцию, концептуально идентичную биологической эволюции путем естественного отбора.Молекулы РНК будут копировать друг друга, совершая ошибки и генерируя варианты. Варианты, которые были наиболее успешны в репликации (распознают идентичные или очень похожие молекулы РНК и наиболее эффективно их реплицируют), будут чаще встречаться в популяции каталитических молекул РНК. Гипотеза мира РНК предполагает этап в зарождении жизни, на котором самовоспроизводящиеся молекулы РНК в конечном итоге привели к эволюции наследственной системы в первых клетках или протоклетках.Система молекул РНК, которые кодируют кодоны, определяющие аминокислоты, и тРНК-подобные молекулы, передающие соответствующие аминокислоты, и каталитические РНК, которые создают пептидные связи, будут составлять наследственную систему, очень похожую на сегодняшние клетки, без ДНК.

В какой-то момент в линии, ведущей к Последнему универсальному общему предку, ДНК стала предпочтительной молекулой для длительного хранения генетической информации. Молекулы ДНК химически более стабильны, чем РНК (дезоксирибоза химически более инертна, чем рибоза).Наличие двух комплементарных цепей означает, что каждая цепь ДНК может служить шаблоном для репликации своей партнерской цепи, обеспечивая некоторую врожденную избыточность. Эти и, возможно, другие черты дали клеткам с наследственной системой ДНК избирательное преимущество, так что вся клеточная жизнь на Земле использует ДНК для хранения и передачи генетической информации.

Тем не менее, даже сегодня рибозимы играют универсальную и центральную роль в обработке клеточной информации. Рибосома — это большой комплекс РНК и белков, который считывает генетическую информацию в цепи РНК для синтеза белков.Ключевая каталитическая активность, образование пептидных связей, связывающих две аминокислоты вместе, катализируется молекулой рибосомной РНК. Рибосома — это гигантский рибозим. Поскольку рибосомы универсальны для всех клеток, такие каталитические РНК должны были присутствовать в Последнем Универсальном Общем Предке всей нынешней жизни на Земле.

Посетите страницу http://exploringorigins.org/ribozymes.html, чтобы увидеть первый рибозим из тетрахимены, открытый Томом Чехом, и структуру рибосомных РНК.

На странице http://exploringorigins.org/nucleicacids.html есть видеоролики о полимеризации РНК из нуклеотидов, матричном синтезе РНК и модели саморепликации РНК.

Видео ниже объясняет логику гипотезы о мире РНК и кратко описывает некоторые результаты различных экспериментов с миром РНК.

3. Протоклетки: самовоспроизводящиеся и метаболические ферменты в пакете

Вся жизнь на Земле состоит из клеток.Клетки имеют липидные мембраны, которые отделяют их внутреннее содержимое, цитоплазму, от окружающей среды. Липидные мембраны позволяют клеткам поддерживать высокие концентрации таких молекул, как нуклеотиды, необходимые для более эффективного функционирования самореплицирующихся РНК. Клетки также поддерживают большие различия в концентрации (градиенты концентрации) ионов через мембрану, чтобы управлять транспортными процессами и энергетическим метаболизмом клеток.

Липиды гидрофобны и спонтанно самоорганизуются в воде с образованием мицелл или липидных двухслойных везикул.Везикулы, которые содержат самореплицирующиеся РНК и другие ферменты, принимают реагенты через мембрану, экспортируют продукты, растут за счет аккреции липидных мицелл и делятся путем деления везикулы, называются прото-клетками или протобионтами и могут быть предшественниками клеточная жизнь.

См. Http://exploringorigins.org/protocells.html для видео-анимации прото-ячеек.

Видео ниже исследует различия между химической и биологической эволюцией и выделяет прото-клетки как пример химической эволюции.

В какой момент эволюционные процессы, такие как естественный отбор, начнут определять происхождение первых клеток?

Биологическая эволюция ограничена живыми организмами. Таким образом, как только первые клетки, укомплектованные наследственной системой, будут сформированы, они будут подвержены эволюционным процессам, и естественный отбор будет стимулировать адаптацию к их локальной среде, а популяции в различных средах будут претерпевать видообразование, поскольку поток генов становится ограниченным между изолированными популяциями. .

Однако гипотеза мира РНК предполагает эволюционные процессы, управляющие популяциями самовоспроизводящихся молекул РНК или прото-клеток, содержащих такие молекулы РНК. Молекулы РНК, которые реплицируются неидеально, производят дочерние молекулы с немного отличающейся последовательностью. Те, которые лучше реплицируются или улучшают репликацию роста своих прото-клеток-хозяев, будут иметь больше потомства. Следовательно, молекулярная эволюция самореплицирующихся молекул РНК или популяций протоклеток, содержащих самореплицирующиеся молекулы РНК, будет способствовать окончательному образованию первых клеток.

Ссылки и ресурсы

Статья Пателя и др. О химии HCN. 2015 г. со статьей Р.Сервиса в журнале Science News.

Bernstein M 2006. Пребиотические материалы на Земле и за ее пределами. Philos Trans
R Soc Lond B Biol Sci. 361: 1689-700; обсуждение 1700-2. PubMed
PMID: 17008210; PubMed Central PMCID: PMC1664678.

Изучение истоков жизни: http://exploringorigins.org/index.html

В ретроспективе: происхождение жизни

Клиффорд П.Брэнгвинн и Энтони А. Хайман отмечают первую книгу, которая правдоподобно показывает, как началась жизнь.

Происхождение жизни

; Пер. Сергий Моргулис Макмиллан: 1938.

«Ни одна религиозная или философская система, ни один выдающийся мыслитель никогда не игнорировали этот вопрос серьезно». Так писал Александр Опарин более 75 лет назад о типичной загадке того, как жизнь само собиралась из неодушевленных компонентов.Ответ советского биохимика — его книга Происхождение жизни (1936). Эта книга, основанная примерно на брошюре, опубликованной им в 1924 году, является огромным вкладом в наше понимание невероятных начал жизни. В нем Опарин утверждает, что условия на ранней Земле способствовали синтезу аминокислот и их сборке в протоклетки.

Несмотря на то, что по образованию он был биохимиком, Опарин изучал химический состав земной коры, а также других планет Солнечной системы и Солнца.Он понял, что ранняя атмосфера Земли была сильно восстановительной средой, богатой метаном, водой и аммиаком. Он утверждал, что со временем и при наличии энергии, такой как молния или геотермальная активность, эти простые компоненты сформируют сложные строительные блоки жизни. А после того, как в 1938 году был опубликован английский перевод, идеи Опарина стали хорошо известны на Западе.

Александр Опарин (сидит) утверждал, что жизнь возникла из соединений в атмосфере ранней Земли. Предоставлено: Ю.БЕРЛИНЕР / РИА Новости

Спустя почти 20 лет после публикации книги — и 60 лет назад в этом году — Стэнли Миллер и Гарольд Ури проверили гипотезу Опарина в лаборатории Чикагского университета в Иллинойсе. Они пропустили непрерывный электрический ток через стеклянный сосуд, содержащий воду, водород, метан и аммиак. В течение недели значительное количество углерода превратилось в сложные макромолекулы, включая многие аминокислоты. Этот эксперимент «Миллера-Юри» подтвердил значимость идей Опарина, и Миллер должным образом сослался на The Origin of Life .

Таким образом, работы Опарина сыграли важную роль в формулировании наших современных представлений о концепции жизни. Его идеи об организации ячеек и первых проблесках жизни продолжали привлекать важную аудиторию. В 1957 году в Москве состоялась большая международная встреча (на которой присутствовал Миллер) для обсуждения происхождения жизни, из материалов которой стало ясно, что книга Опарина имела огромное влияние. И все же, несмотря на его выдающиеся достижения, Опарин сегодня в значительной степени забыт широким научным сообществом, особенно в Соединенных Штатах.Почему?

Есть две причины. Во-первых, после Второй мировой войны биология на Западе отошла от мышления о клетке в физико-химических терминах к редукционистскому подходу молекулярной биологии с ДНК-центричной точкой зрения.

Вторая причина заключается в столкновении науки и политики в период «холодной войны». Опарин окончил Московский государственный университет в 1917 году, в год Октябрьской революции в России, и его идеи формировались в этом радикальном контексте. Он объясняет, например, что вопрос о происхождении жизни «всегда был в центре острой философской борьбы, которая отражала лежащую в основе борьбу социальных классов».Как видный советский ученый, пользующийся полной поддержкой государства, Опарин основывался на марксистской философии, согласно которой происхождение жизни — это «всего лишь один шаг в ее историческом развитии».

Неудивительно, что из-за разногласий времен холодной войны многие ученые США уволили Опарина. Нобелевский лауреат Герман Мюллер, считавший, что жизнь возникла как ген, раскритиковал плохой статус ДНК в представленной Опарином картине ранней жизни. (Опарин, по-видимому, заявил: «ДНК — это конечный продукт метаболизма, а ядро ​​- это помойка клетки.Материалы конференции 1957 года указывают на растущий раскол между американскими и советскими взглядами. При меньшем научном обмене идеи Происхождение жизни стали маргинальными на Западе.

После смерти Сталина в 1953 году, когда был опубликован эксперимент Миллера-Юри, Опарин подвергся критике в Советском Союзе. Позже он был вынужден уйти с должности секретаря Академии наук, поскольку вместе с остальной частью научного истеблишмента страны поддерживал дискредитированного псевдоученого сельского хозяйства Трофима Лысенко.Позднее Опарин был прощен и в 1979 году, незадолго до своей смерти, получил Золотую медаль имени Ломоносова от Советской академии наук за выдающиеся достижения в естествознании. Его книга сохранила немногочисленных, но преданных поклонников.

Сегодня основным наследием Происхождение жизни является эксперимент Миллера-Юри, но синтез аминокислот занял лишь часть книги. Далее Опарин описал механизм, с помощью которого макромолекулы будут самоорганизовываться в большие жидко-подобные структуры, которые он назвал «сложными коацерватами» — то, что сегодня можно было бы назвать коллоидными сборками.Он предположил, что эти протоклетки были ключевым этапом в происхождении жизни. Однако, учитывая неопределенность в то время относительно природы биологических макромолекул, было неясно, как именно эти коллоиды могут образовываться.

Эта гипотеза коллоидной сборки в значительной степени была вытеснена другими представлениями о происхождении жизни. Например, некоторые считают, что мембраны должны были быть первыми, утверждая, что пребиотический суп содержал молекулы с водоотталкивающими и водоотталкивающими концами, способными к самосборке в клеточно-подобные структуры (липосомы).Интересно, что позже Опарин сам выразил сожаление по поводу того, что сосредоточился на коллоидах, а не на липосомах.

Однако современная клеточная и молекулярная биология дает новый взгляд на возможность существования жизни, начиная с жидко-подобных макромолекулярных ансамблей, предполагая, что Опарин мог быть более правильным, чем он думал. Многие макромолекулы имеют слабые поливалентные взаимодействия с другими макромолекулами, что означает, что у них есть несколько сайтов, в которых может происходить взаимодействие. Сама по себе РНК представляет собой гибкую, протяженную, динамическую молекулярную цепь; взаимодействия между ним и другими молекулами обычно многочисленны и слабы.Этих свойств достаточно для самоорганизации макромолекул в жидкофазные капли, такие как коацерваты Опарина. Недавние исследования компартментализации и катализа РНК в каплях жидкости обеспечивают дополнительную поддержку концепции Опарина о примитивных протоклетках в изначальном «мире РНК».

Опарин принадлежит к пантеону величайших ученых двадцатого века как основа для понимания ранней молекулярной эволюции. Он считал, что естественный отбор «полностью стер с лица Земли все промежуточные формы организации первичных коллоидных систем и простейших живых существ».За три четверти века до Опарина Чарльз Дарвин заметил, что такие примитивные формы жизни не будут соответствовать современным высокоразвитым формам. Но Дарвин также писал, что относительно менее развитые виды — «аномальные формы… живые окаменелости» — часто, несмотря ни на что, исчезают на протяжении веков.

Подобно древним митохондриальным организмам, обнаруженным в каждой из наших клеток, внутриклеточные капли РНК могут отражать еще более древнюю линию сборки сложной клеточной структуры.Коацерваты опарина могут оставаться живыми и здоровыми, в безопасности внутри наших клеток, как мухи в эволюционирующем янтаре.

Информация об авторе

Принадлежности

  1. Тони Хайман — клеточный биолог и директор Института молекулярной биологии и генетики Макса Планка в Дрездене.

    Тони Хайман

  2. Клифф Брангвинн — биофизик и доцент Принстонского университета.

    Клифф Брангвинн

Авторы, ответственные за переписку

Переписка с Тони Хайман или Клифф Брэнгвинн.

Об этой статье

Цитируйте эту статью

Хайман, Т., Брангвинн, К. Оглядываясь назад: происхождение жизни. Nature 491, 524–525 (2012). https://doi.org/10.1038/491524a

Ссылка для скачивания

Поделиться этой статьей

Все, с кем вы поделитесь следующей ссылкой, смогут прочитать это содержание:

Получить ссылку для совместного использования

Извините, ссылка для совместного использования в настоящее время отсутствует доступно для этой статьи.

Предоставлено инициативой по обмену контентом Springer Nature SharedIt

Дополнительная литература

  • Входящая жидкая конденсатная фаза белков стабилизируется гидрофобными и неионными взаимодействиями.

    • Георг Крайнер
    • , Тимоти Дж.Welsh
    • , Jerelle A. Joseph
    • , Jorge R. Espinosa
    • , Sina Wittmann
    • , Ella de Csilléry
    • , Akshay Sridhar
    • , Zenon Toprakcioglu
    • 00050006, Giedaleka Guda , William E. Arter
    • , Jordina Guillén-Boixet
    • , Titus M. Franzmann
    • , Seema Qamar
    • , Peter St George-Hyslop
    • , Anthony A. Hyman
    • , Rosana Collepardo-Guevara
    • Альберти
    • и Туомас П.Дж. Ноулз

    Nature Communications (2021 год)

  • Диалектическая методология практики биологии

    Основы науки (2021 год)

  • Влияние смешанных растворителей на комплексы полиэлектролитов с солью

    • Siqi Meng
    • , Yueming Liu
    • , Jihyeon Yeo
    • , Jeffrey M.Тинг
    • и Мэтью В. Тиррелл

    Наука о коллоидах и полимерах (2020)

  • Прионоподобные явления, опосредующие режимы индивидуации

    • Вефа Каратай
    • и Ягмур Денижан

    Биосемиотика (2018)

Вековая модель происхождения жизни получает существенное обоснование — ScienceDaily

В 1924 году русский биохимик Александр Опарин утверждал, что жизнь на Земле возникла в результате постепенных химических изменений органических молекул в «изначальном супе», который, вероятно, существовал на Земле. миллиард лет назад.По его мнению, сложная комбинация безжизненных молекул, объединяющих силы в небольших масляных капельках, может обрести жизненные способности — самовоспроизведение, отбор и эволюцию. Эти идеи были восприняты со значительными сомнениями, которые сохраняются и сегодня.

Тридцать лет спустя, когда была расшифрована структура ДНК, стало понятно, что эта молекула способна к самовоспроизведению, по-видимому, разгадывая загадку происхождения жизни, не прибегая к каплям Опарина. Но критики утверждали, что для управления метаболизмом жизни необходимы не только репликаторы, но и ферментные катализаторы.Еще 30 лет прошло до открытия, что РНК, ключевой компонент передачи информации от ДНК к белкам, также может быть ферментом. Так родилась концепция «Мира РНК», согласно которой жизнь началась, когда из первобытного супа родился рибозим, который может как воспроизводить, так и контролировать метаболизм.

Несмотря на это, сомнения оставались, потому что реплицирующаяся рибосома — очень сложная молекула, с пренебрежимо малой вероятностью спонтанного появления в супе. Это привело к альтернативной концепции — взаимно каталитическим сетям, позволяющим копировать целые молекулярные ансамбли.Эта идея перекликается с эволюционирующей сложной комбинацией простых молекул, каждая из которых с высокой вероятностью может появиться в супе. Осталось только создать подробную химическую модель, которая поможет поддержать такое повествование.

Проф. Дорон Ланцет и его коллеги из Института Вейцмана, кафедры молекулярной генетики, предложили такую ​​модель. Во-первых, необходимо было определить соответствующий тип молекул, которые могут срастаться вместе и эффективно образовывать сети взаимных взаимодействий, аналогичные каплям Опарина.Ланцет предложил липиды, маслянистые соединения, которые спонтанно образуют агрегированные мембраны, покрывающие все живые клетки. Липидные пузыри (пузырьки) могут расти и расщепляться подобно живым клеткам. Так два десятилетия назад «Ланцет» породил концепцию «Липидный мир».

Для анализа задействованных молекулярных сетей они использовали инструменты системной биологии и вычислительной химии, которые позволяют привнести строгость в несколько эфемерную концепцию взаимно каталитических сетей.

Сначала они подробно рассматривают назойливый вопрос о том, как липидные сборки могут хранить и передавать информацию от одного поколения с расщепленным ростом к другому.Они приходят к редко изученному до сих пор представлению о том, что распространяется именно композиционная информация, и показывают с помощью детального компьютерного моделирования, как это происходит. Кроме того, они указывают на глубокое сходство такого копирования состава со способом, которым растущие и пролиферирующие живые клетки сохраняют свою эпигенетическую информацию, которая не зависит от репликации ДНК.

В статье, только что появившейся в журнале Journal of the Royal Society Interface Lancet и его коллеги сообщают об обширном обзоре литературы, показывающем, что липиды могут вызывать ферментоподобный катализ, аналогичный рибозимам.Это свойство имеет решающее значение для формирования сетей взаимного взаимодействия. Впоследствии авторы показывают, используя инструменты системной биологии и вычислительной химии, что маслянистые капли могут накапливать и хранить информацию о составе, а при делении передавать информацию потомству.

На основе разработанной ими компьютерной модели ученые продемонстрировали, что определенные липидные композиции, называемые «композитами», могут подвергаться композиционным мутациям, подвергаться естественному отбору в ответ на изменения окружающей среды и даже подвергаться дарвиновскому отбору.Профессор Ланцет отмечает, что такая информационная система, основанная на композициях, а не на последовательности химических «букв», как в ДНК, напоминает область эпигенетики, где признаки наследуются независимо от последовательности ДНК. Это подтверждает предположение ученых о том, что жизнь могла возникнуть до появления ДНК и РНК. В своей статье они фактически очерчивают химический путь, ведущий к появлению генетического материала в каркасе маслянистых капель.

Концепция «Липидного мира» компании Lancet зависит от вопроса о том, было ли в изначальном супе достаточно маслоподобных молекул, «ненавидящих воду».Здесь также ученые описывают обширный литературный поиск, согласно которому такие молекулы с большой вероятностью могут присутствовать на ранней Земле. Этот вывод был подтвержден совсем недавним исследованием, показывающим, что Энцелад, одна из лун Сатурна, имеет подледниковый океан (изначальный океан), изобилующий соединениями, «ненавидящими воду», некоторые из которых могут образовывать капли типа липидного мира. Профессор Ланцет утверждает, что эти результаты, наряду с инновационными расчетами на основе моделей, показывают, что вероятность возникновения жизни относительно высока, включая захватывающую возможность того, что Энцелад в настоящее время является местом обитания некоторых ранних форм жизни на основе липидов.

8.1B: Элементы жизни — Биология LibreTexts

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  1. ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ
  2. КЛЮЧЕВЫЕ ВЫВОДЫ
  3. Ключевые моменты
  4. Ключевые термины

Ключевые элементы были необходимы для того, чтобы ранняя жизнь зародилась на Земле.

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

Определите ключевые элементы жизни

ОСНОВНЫЕ ВХОДЫ

Ключевые моменты

  • Хотя точные заместители для образования в раннем возрасте до конца не согласованы, большинство теорий сходятся во мнении, что метан, аммиак, вода, сероводород, диоксид углерода или монооксид углерода и фосфат были необходимы в отсутствие молекулярного кислорода и озона.
  • В супе первозданной земли ведутся споры о том, были ли РНК или белок первыми молекулами, необходимыми для зарождения простой жизни, поскольку оба могут катализировать их самосборку.
  • После того, как простые молекулы сформировались на исконной Земле, их можно было затем подвергнуть селективному давлению для репликации, что положило начало эволюции первых форм жизни на Земле.

Ключевые термины

  • фосфолипид : любой липид, подобный лецитину или цефалину, состоящий из диглицерида, объединенного с фосфатной группой, и простой органической молекулы, такой как холин или этаноламин; они являются важными составляющими биологических мембран
  • рибозим : фрагмент РНК, который может действовать как фермент.

Не существует «стандартной модели» происхождения жизни. Однако большинство общепринятых в настоящее время моделей извлекают по крайней мере некоторые элементы из структуры, заложенной в гипотезе Опарина-Холдейна. Гипотеза Опарина-Холдейна предполагает, что атмосфера ранней Земли могла быть химически восстановительной по своей природе и состояла в основном из метана (CH 4 ), аммиака (NH 3 ), воды (H 2 O), сероводород (H 2 S), диоксид углерода (CO 2 ) или монооксид углерода (CO) с фосфатом (PO 4 3-), молекулярным кислородом (O 2 ) и озоном (O 3 ) либо редки, либо отсутствуют.

В такой восстановительной атмосфере электрическая активность может катализировать создание некоторых основных небольших молекул (мономеров) жизни, таких как аминокислоты. Это было продемонстрировано в эксперименте Миллера-Юри Стэнли Л. Миллера и Гарольда К. Юри в 1953 году. Фосфолипиды (соответствующей длины) могут образовывать липидные бислои, основной компонент клеточной мембраны.

Рисунок: Эксперимент Миллера-Юри : Схема аппарата, используемого Миллером и Юри. Используя этот аппарат и условия, которые, как считалось, приближались к условиям на предбиотической земле, они смогли катализировать молекулы жизни, такие как аминокислоты.

Фундаментальный вопрос касается природы первой самовоспроизводящейся молекулы. Поскольку репликация осуществляется в современных клетках за счет кооперативного действия белков и нуклеиновых кислот, основные школы мысли о том, как возник этот процесс, можно в широком смысле классифицировать как «сначала белки» и «сначала нуклеиновые кислоты». Основная идея аргумента «сначала нуклеиновые кислоты» заключаются в следующем:

  1. Полимеризация нуклеотидов в случайные молекулы РНК могла привести к самовоспроизводящимся рибозимам (гипотеза мира РНК).
  2. Давление отбора для каталитической эффективности и разнообразия могло привести к появлению рибозимов, которые катализируют перенос пептидила (следовательно, образование малых белков), поскольку олигопептиды образуют комплекс с РНК с образованием лучших катализаторов. Первая рибосома могла быть создана в результате этого процесса, что привело к более распространенному синтезу белка.
  3. Синтезированные белки могут затем превзойти рибозимы по каталитической способности, таким образом, стать доминирующим биополимером, отводя нуклеиновые кислоты к их современному использованию в качестве носителя геномной информации.

Биолог Джон Десмонд Бернал ввел термин «биопоэзис» для этого процесса и предположил, что существует ряд четко определенных «стадий», которые можно распознать при объяснении происхождения жизни:

  • Этап 1: Происхождение биологических мономеров
  • Этап 2: Происхождение биологических полимеров
  • Этап 3: эволюция от молекул к клетке

Как началась жизнь? | New Scientist

Вопрос о том, как зародилась жизнь, является одним из самых глубоких в науке, и, хотя существует множество теорий, ученые до сих пор не могут прийти к единому ответу.Это продолжает оставаться темой для дискуссий, поскольку понимание происхождения жизни поможет нам понять свое место во Вселенной, а также направит наши поиски внеземной жизни.

Первой идеей, привлекшей внимание ученых, был «изначальный суп»: представление о том, что когда Земля была молодой, океаны были заполнены простыми химическими веществами, важными для жизни. В конечном итоге они сами соберутся в простые живые клетки. Эта идея была предложена в 1920-х годах двумя независимыми исследователями: Александром Опариным из СССР и британским генетиком Дж.Б. С. Холдейн.

Гипотеза первобытного супа получила решительную поддержку в 1953 году, когда молодой американский аспирант по имени Стэнли Миллер под руководством лауреата Нобелевской премии Гарольда Юри провел знаменитый эксперимент. Миллер смешал четыре простых химиката в стеклянных трубках, которые нагревали и поражали электрическими искрами, имитирующими молнию. В ходе эксперимента было получено несколько аминокислот, строительных блоков белков. Эксперимент Миллера-Юри показал, что химические вещества жизни могут образовываться естественным образом.

Однако создание жизни с нуля оказалось намного сложнее, чем предполагал эксперимент Миллера. На протяжении десятилетий было предложено несколько конкурирующих гипотез, и сегодня эта область сильно поляризована. Ученые расходятся во мнениях относительно того, какие химические компоненты жизни появились первыми, какие жизненные процессы возникли первыми и где на Земле впервые возникла жизнь.

Под вопросом даже время возникновения жизни. Все, что мы знаем наверняка, это то, что это произошло после того, как Земля сформировала 4.5 миллиардов лет назад, и до 3,4 миллиарда лет назад — время самых старых подтвержденных окаменелостей. Многие палеонтологи пытались сузить кругозор, идентифицируя более старые следы жизни, но эти результаты оспариваются.

Что касается местоположения, многие по-прежнему предпочитают море, но не обязательно открытое море: немногие исследователи считают, что жизнь зародилась в щелочных каналах на морском дне. Другие думают, что жизнь зародилась в прудах на суше, возможно, в геотермальных бассейнах, подобных тем, что в Йеллоустоне. Было предложено много других мест, например, лед.Меньшая часть ученых утверждает, что жизнь, должно быть, зародилась где-то во Вселенной и была перенесена на Землю, и эта идея известна как «панспермия». Тем не менее, большинство исследователей считают, что это не подходит для бритвы Оккама, тем более что внеземной жизни обнаружено не было.

Процесс, создавший жизнь

Самый сложный вопрос — это механизм, с помощью которого зародилась жизнь. Какие из многих процессов, происходящих в живых организмах, возникли первыми?

Одна из первых идей, популяризированных биохимиком Сидни Фоксом после эксперимента Миллера-Юри, заключалась в том, что аминокислоты собираются в простые белки.В современных организмах белки выполняют огромный спектр функций, в том числе действуют как ферменты, ускоряющие основные химические реакции. Однако эта гипотеза о белках в значительной степени потеряла популярность.

Гораздо более популярным является представление о том, что жизнь началась с РНК, близкого родственника ДНК, в «мире РНК». РНК может нести гены и копировать себя так же, как ДНК, но она также может сворачиваться и действовать как фермент, как белок. Идея заключалась в том, что сначала возникли организмы, основанные исключительно на РНК, и только позже они развили ДНК и белок.

Мир РНК собрал множество подтверждающих данных, но неясно, достаточно ли одной РНК. В последние годы некоторые исследователи предположили, что РНК действительно раскрывает свой потенциал только тогда, когда она соединяется с белками — и что обе должны существовать, чтобы жизнь зародилась.

Третья школа мысли состоит в том, что первые организмы были простыми каплями или пузырями. Эти «протоклетки» напоминали современные клетки в одном ключевом атрибуте: они действовали как контейнеры для всех других компонентов жизни.Более совершенные протоклетки, разработанные лауреатом Нобелевской премии биологом Джеком Шостаком, также содержат самовоспроизводящуюся РНК.

Последняя гипотеза состоит в том, что жизнь началась с серии химических реакций, которые извлекали энергию из окружающей среды и использовали эту энергию для создания молекул жизни. Эту идею «прежде всего метаболизм» отстаивал в конце 1980-х годов Гюнтер Вехтерсхойзер, немецкий химик, ставший патентным юристом. Вехтерсхойзер предвидел серию химических реакций, протекающих в кристаллах железного пирита («золото дураков»), схему, которую он назвал «миром железа и серы».Однако в наши дни эта идея была вытеснена предположением Майкла Рассела о том, что первая жизнь питалась токами электрически заряженных протонов в щелочных каналах на морском дне.

Хотя мы не можем точно знать, какой из этих сценариев разыгрался на нашей планете, успешное создание жизни из химических веществ в лаборатории, по крайней мере, скажет нам, какой из предложенных механизмов действительно работает. Майкл Маршалл

Какова научная теория происхождения жизни?

Большинство ученых признают, что биогенез произошел, потому что биогенез необходим для натуралистического мировоззрения.Как и где произошел биогенез, ведутся споры.

Дарвин впервые предположил, что жизнь возникла случайно в теплом первобытном пруду. Эта идея была проверена экспериментом Миллера Юри. Используя теорию о том, что ранняя атмосфера Земли была сильно восстановительной, подобной составу Вселенной, Миллер и Юри смогли синтезировать органические молекулы, которые были бы необходимы для жизни.

Однако предположения о восстановительной атмосфере оказались неверными.Эксперименты Миллера Юри, хотя и широко используемые в учебниках, были отвергнуты большинством ученых как действенное средство объяснения происхождения жизни.

Теория теплого пруда была по сути своей концепцией, основанной на белках. Идея заключалась в том, что белки спонтанно образуются в растворе и образуют протоклетки. Эти клетки использовали энергию органических молекул в растворе, чтобы поддерживать себя. проблема в том, что у белков не было бы средств самовоспроизводиться.
Информация, необходимая для репликации и поддержания жизни, не может быть сформирована в белках.

У теорий первых ДНК еще больше проблем. ДНК, обладая информацией, необходимой для жизни, не будет иметь защиты от окружающей среды, необходимой для продолжения жизни. Также ДНК должна использовать белки для воспроизведения информации в ДНК. специализированных белков не существовало бы. y

РНК первая — наиболее вероятный кандидат на происхождение жизни. РНК — это информационный код, который некоторые вирусы используют для размножения. РНК также имеет ограниченную ферментативную активность. Эта РНК может функционировать как белок, и как ДНК делает ее наиболее вероятным кандидатом.Однако такие белки, как ферментативная активность РНК, очень ограничены и недостаточны для репликации РНК. Перенос РНК, которая может кратковременно существовать в окислительной среде, на ДНК, которая может существовать только в неокислительной среде, является проблемой, на которую нет ответа.

Короче говоря, не существует правдоподобного объяснения того, как жизнь могла возникнуть из неживого в результате полностью естественных случайных событий. Доказательство того, что высоко восстановительной атмосферы, необходимой для экспериментов Миллера Юри, никогда не существовало, было ударом по теориям биогенеза.

Происхождение жизни на Земле: теории и объяснения — видео и стенограмма урока

Этапы ранней жизни на Земле

Теперь, когда у нас есть представление о том, как могла выглядеть Земля, давайте посмотрим, какие шаги, по предположениям ученых, привели к ранней жизни. Ученые согласны с тем, что существует четыре основных этапа возникновения жизни из неживых существ.

Первый шаг состоит в том, что были созданы небольшие органические молекулы, такие как аминокислоты, из которых производятся белки, и нуклеотиды, из которых состоит ДНК.Хотя эти органические молекулы находятся в живых существах, на самом деле они не являются живыми существами, а представляют собой просто определенные комбинации элементов.

Второй шаг состоит в том, что эти маленькие органические молекулы соединяются вместе, образуя более крупные молекулы. Маленькие молекулы называются мономерами, поскольку они состоят всего из одной единицы. Однако, когда они соединяются вместе, они создают полимеры с множеством повторяющихся звеньев. Вы можете запомнить это из-за префиксов. «Моно» означает «один» — как в словах «монорельс» и «монокль» — в то время как «поли» означает «много» — как в случае с полигоном и полиморфом.Вы также можете представить себе это как соединение скрепок в длинную цепочку. Каждая скрепка — это мономер, но вся длинная цепочка скрепок — это полимер.

Третий этап ранней жизни на Земле — это когда все становится немного сложнее. Полимеры, которые были образованы из мономеров, сгруппировались вместе, чтобы сформировать протобионтов . Протобионты очень важны для понимания ранней жизни. Название «протобионты» буквально означает «ранняя форма жизни», но в основном это маленькие капельки с мембранами, способными поддерживать стабильную внутреннюю среду.Они похожи на знакомые нам клетки тем, что могут воспроизводить, метаболизировать и даже реагировать на окружающую среду. Многие эксперименты показали, что эти предклеточные структуры могут формироваться спонтанно.

Четвертый шаг заключается в том, что эти простые протобионты эволюционировали, чтобы передавать генетическую информацию. Протобионты способны к репликации, то есть могут создавать новых протобионтов. Однако клетки , которые являются основной единицей жизни, уникальны тем, что они могут воспроизводить и передавать генетическую информацию от одного поколения к другому, метаболизировать материю и энергию и могут развиваться.Эти простые клетки были созданы из сложных молекул, которые были созданы из простых молекул, а затем продолжили развиваться в самые разные формы жизни.

Гипотеза Опарина

Русский химик А. Опарин

Теперь, когда мы знаем основные этапы перехода от неживых химических веществ к жизни, вы можете спросить себя, как все это произошло. Хотя у нас нет полной записи того, что на самом деле произошло, на основе доказательств и экспериментов, ученые пришли к соглашению о нескольких вещах.

Первая широко известная идея была предложена русским химиком в 1920-х годах. А.И. Опарин предположил, что ранняя атмосфера Земли была очень реактивной и, наряду с молнией и ультрафиолетовым излучением, могла уменьшать количество веществ. Когда химики говорят о восстановлении веществ, они не имеют в виду их уменьшение, как когда мы сокращаем наш долг. Для химиков восстановление означает добавление электронов к молекулам.

Наряду с этой высокореактивной атмосферой, по мнению Опарина, ранние океаны содержали раствор, богатый органическими веществами.Этот раствор, содержащий множество основных элементов и соединений, обычно называют исконным супом . Основываясь на этом, мы обычно считаем гипотезу Опарина о том, что ранняя жизнь на Земле сформировалась в результате серии реакций, которые постепенно усложняли простые соединения.

Эксперимент Миллера-Юри

Хотя гипотеза Опарина была широко принята, он фактически не проверял ее. Это произошло позже, в 1950-х годах, когда двое мужчин, Стэнли Миллер и Гарольд Ури, создали хитроумное изобретение, чтобы проверить идею восстановительной атмосферы и богатых питательными веществами океанов, создающих жизнь.Хотя это может показаться простой задачей, разработка и реализация эксперимента Миллера-Юри были очень утомительными.

Эксперимент Миллера-Юри включал создание замкнутой атмосферы.

Во-первых, ученым нужно было решить, как создать хитроумное устройство, которое имитирует условия ранней Земли, сохраняя при этом автономность. Они остановились на конструкции, которая выглядит как на картинке справа.Мы видим, что есть области для имитации атмосферы и для богатого питательными веществами первичного супа. В их конструкцию было включено несколько герметичных клапанов, позволяющих размещать газы для атмосферы, а также места для сбора образовавшихся газов и веществ.

Во-вторых, Миллер и Юри должны были решить, что вложить в их изобретение. Основываясь на свидетельствах и предположениях, они решили включить в атмосферу водород (h3), метан (Ch5), аммиак (Nh4) и водяной пар (h3O).Они не включали чистый кислород, поскольку считается, что на ранней Земле не было большого количества кислорода. В их состав входит водород, как простейший элемент. Метан содержит углерод, необходимый для жизни, и является обычным продуктом таких вещей, как извержения вулканов, которые, вероятно, были обычным явлением на ранней Земле. Аммиак также является обычным продуктом извержений вулканов и содержит азот, который необходим для белков и ДНК. Водяной пар обеспечивает кислород, необходимый нам для жизни.

Наряду с этими четырьмя веществами Миллер и Юри решили использовать искры для имитации молнии.Помните, что Опарин предположил, что молния и УФ-излучение обеспечивают энергию, необходимую этим простым веществам, чтобы реагировать и образовывать более сложные соединения.

Наиболее важным аспектом эксперимента Миллера-Юри являются результаты. Хотя в их экспериментах не было произведено живых клеток, они нашли органические молекулы. В частности, образовались аминокислоты и маслянистые углеводороды. Аминокислоты являются строительными блоками белков, а углеводороды содержат в основном водород и углерод.Углеводороды, такие как нефть, обычно используются для получения энергии. Результаты эксперимента Миллера-Юри показывают, что условия, выдвинутые Опарином, действительно могли породить ранние формы жизни.

Дополнительные эксперименты с небольшими вариациями условий ранней Земли привели к производству нуклеиновых кислот, углеводов и липидов. Опять же, хотя эти вещества сами по себе не являются живыми существами, они необходимы для жизни: нуклеиновые кислоты содержат нашу генетическую информацию, углеводы, такие как сахар и крахмал, являются основным источником энергии, а липиды — это жиры.

Краткое содержание урока

Ученые обычно соглашаются относительно нескольких ключевых шагов, касающихся образования жизни из неживых существ на ранней Земле. Мы сначала прошли эти четыре основных шага, прежде чем исследовать работу Опарина и эксперимент Миллера-Юри.

Ранняя Земля была совсем другим местом, чем сегодня. Ученые признают, что для того, чтобы жизнь сформировалась, должно было произойти несколько важных шагов. Во-первых, были созданы небольшие органические молекулы, такие как аминокислоты, из которых производятся белки, и нуклеотиды, из которых состоит ДНК.Во-вторых, эти небольшие мономеры объединились с образованием более крупных и сложных полимеров. В-третьих, эти полимеры были сгруппированы вместе, и образовались протобионты. Помните, что протобионты — это маленькие капельки с мембранами, которые способны поддерживать стабильную внутреннюю среду и в основном являются предшественниками клеток. Четвертый шаг заключается в том, что эти простые протобионты эволюционировали, чтобы передавать генетическую информацию. Реплицирующиеся молекулы, передающие генетическую информацию, были первыми клетками, которые затем превратились в бесчисленное множество других форм жизни.

В 1920-х годах Опарин выдвинул гипотезу об условиях ранней Земли, необходимых для зарождения ранней жизни. Гипотеза Опарина в основном утверждает, что ранняя жизнь на Земле сформировалась в результате серии реакций, которые постепенно усложняли простые соединения. Опарин сказал, что атмосфера уменьшается, то есть к атомам добавляются электроны. Энергия, необходимая для этого, обеспечивалась молниями и ультрафиолетовым излучением. Кроме того, на ранней Земле важными были океаны, богатые органическими веществами, которые обычно называют исконным супом .

В 1950-х Миллер и Юри проверили гипотезу Опарина. Они создали устройство, чтобы увидеть, можно ли создать жизнь из неживых существ. В своем устройстве они использовали искры для имитации молнии и создали атмосферу, содержащую водород, метан, аммиак и водяной пар, напоминающую атмосферу ранней Земли. Эксперимент Miller-Urey привел к созданию органических молекул, таких как аминокислоты и углеводороды.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *