Происхождение и начальные этапы развития жизни на земле: Основные этапы развития жизни на Земле кратко в таблице

Содержание

Урок по биологии по теме «Происхождение и начальные этапы развития жизни на Земле»

План работы

дата

Тема раздела: Раздел 4. Происхождение и развитие жизни на земле. Эволюционное учение.

№ урока 4.1

Тема урока: Происхождение и начальные этапы развития жизни на Земле.

Цели урока: Обобщить знания учащихся о сущности современных взглядов на происхождение Земли и появление жизни на ней

Межпредметные: Развитие умений обобщать, выделять главное, делать логические выводы, синтезировать знания их сменных учебных предметов; развить умения работать с различной литературой, обрабатывать собранный материал.

Личностные: Развитие навыков применять знания по биологии, химии, физике, астрономии при объяснении вопросов происхождение жизни на земле и углубить диалектно – материалистические взгляды на эволюцию форм движения материи;

Предметные: Доказать несостоятельность религиозных и идеологических взглядов на происхождение Земли и жизни на ней; показать интерпретационный характер современной науки и роль российских ученых в решении изученной проблемы.

Методы: словесно — наглядные, частично-поисковые.

Форма урока: комбинированный.

Тип урока: урок усвоения новых знаний.

Дополнительные источники: 1. «Биология», 10 класс, Пономарева И.Н., Корнилова О.А., Лощилина Т.Е

Ход работы:

Организационный момент: Приветствие, проверка готовности учащихся к уроку, наличие принадлежностей, проверка присутствующих.
Проверка качества знаний:

Участок молекулы ДНК, содержащий информацию о первичной структуре одного белка. Ген Признак, проявляющийся у гибридов первого поколения при скрещивании представителей чистых линий. Доминантный признак
Признак, который не проявляется у гибридов первого поколения при скрещивании представителей чистых линий. Рецессивный признак
Клетка или организм, содержащие одинаковые аллели одного и того же гена (АА или аа). Гомозигота Клетка или организм, содержащие разные аллели одного и того же гена (Аа). Гетерозигота Совокупность всех генов организма. Генотип
Совокупность признаков организма, формирующихся при взаимодействии генотипа и среды. Фенотип

Изучение нового материала:

Теории возникновения жизни на Земле

Как возникла жизнь на Земле? Все теории возникновения жизни вообще и в частности на Земле можно разделить на две группы: одни утверждают, что живые организмы созданы высшей силой, другие — что жизнь появилась естественным путем.

Креационисты верят в то, что жизнь создана высшей силой, Творцом; сторонники теории самозарождения (витализма) утверждали, что возможно самозарождение живых организмов. Теория панспермии предполагает, что жизнь на Землю попала из космоса, споры микроорганизмов распространяются в космическом пространстве и могли попасть на древнюю Землю. Теория биохимической эволюции показывает возможный путь зарождения жизни на Земле естественным путем, когда химическая эволюция создает предпосылки для появления живых организмов при наличии определенных условий.

Теория самозарождения. Эта теория была господствующей в средние века. Даже философы древней Греции (Аристотель и другие) утверждали, что лягушки родятся из ила, черви и насекомые — заводятся сами собой в почве. Ученые того времени предлагали рецепты, с помощью которых можно было получить животных или даже маленьких человечков. Алхимик Ван Гельмонт (17 век) предлагал простой рецепт зарождения мышей: «Положи в горшок зерна, заткни его грязной рубашкой и жди». Через двадцать один день из испарений зерна и грязной рубашки зародятся мыши.

Парацельс написал рецепт, с помощью которого можно было изготовить маленького человечка — гомункулуса. Зарождение происходит с помощью vis vitalis — жизненной силы, которая заселяет питательные вещества.

1665 год. Франческо Реди (врач) доказал что мухи не могут зарождаться на мясе, как считали ранее. Он провел опыт с сосудами, в которые положил мясо, рыбу, змею. Часть сосудов он оставил открытыми, часть закрыл кисеей (марлей). В открытых сосудах мухи отложили яички и там появились личинки мух, в закрытых сосудах личинок не было.

Антони Ван Левенгук открыл мир микроорганизмов. Стоило положить клочок сена в воду, как уже через несколько дней в настое было огромное количество инфузорий и еще более мелких существ. Они появились из неживого, утверждали некоторые ученые, другие считали, что живое появляется только от живого.

Теория панспермии. Согласно этой теории живые организмы попали на Землю из космоса. В самом деле, космическое тело, попав в мировой океан, могло занести споры микроорганизмов на нашу планету. Есть ряд сообщений о том, что в метеоритах найдены примитивные формы жизни, но эти сообщения на сегодняшний день не кажутся ученым убедительными. И, самое главное, эта гипотеза не дает ответ на главный вопрос — как же все таки из неживого появилось живое.

Теория биохимической эволюции.

Для ответа на этот вопрос очень продуктивной оказалась гипотеза советского академика А.И.Опарина. Возраст Земли составляет 5 — 7 млрд. лет. Все планеты проходят стадию раскаленного тела, температура на поверхности Земли в это время была более 4000ºС. Когда температура снизилась и стала меньше 100ºС, вода, находившаяся в первичной атмосфере Земли образовала мировой океан. В первичной атмосфере не было кислорода, атмосфера была «восстановительной». В ней были пары воды, аммиак, сероводород, метан, двуокись углерода, водород.

В 1924 году А.И.Опарин предположил, что появлению живых организмов предшествует абиогенное образование в атмосфере и океане органических соединений за счет энергии мощных грозовых разрядов, жесткого ультрафиолетового и радиоактивного излучения.

Ученые считают, что первые примитивные клетки (прокариоты) появились в водной среде Земли 3,0 – 3,5 млрд. лет назад. Они питались синтезированными абиогенно органическими веществами или менее удачливыми своими собратьями; энергетические потребности удовлетворяли за счет брожения, т.е. были анаэробными гетеротрофами. Отбор среди клеток велся на способность получать энергию и вещества из окружающей среды более эффективным путем и обращать их на создание потомства.

При увеличении численности гетеротрофных прокариотических клеток запас органических соединений в первичном океане истощался. В этих условиях значительное преимущество при отборе должны были приобрести организмы, способные к автотрофности, т.е. к синтезу органических веществ из неорганических за счет реакций окисления и восстановления. Видимо, первыми автотрофными организмами были хемосинтезирующие бактерии. Следующим этапом было развитие реакций с использованием солнечного света – фотосинтез.

Для первых фотосинтезирующих бактерий источником электронов был сероводород (h3S). Значительно позже у цианобактерий (синезеленых водорослей) развился более сложный процесс получения электронов из воды. В результате в качестве побочного продукта фотосинтеза в земной атмосфере начал накапливаться кислород. Это явилось предпосылкой для возникновения в ходе эволюции аэробного дыхания. Способность синтезировать при дыхании большее количество АТФ позволяла организмам расти и размножаться быстрее, а также усложнять свои структуры и обмен веществ.

Считают, что предками эукариот были прокариотические клетки. Согласно теории клеточного симбиоза, эукариотическая клетка представляет сложную структуру, состоящую из нескольких прокариотических клеток, которые взаимодополняют друг друга в пределах общей клеточной мембраны (рис. 1.5). Целый ряд данных свидетельствует о происхождении митохондрий и хлоропластов, а возможно, и жгутиков от ранних прокариотических клеток, ставших внутренними симбионтами большей по размерам анаэробной клетки.

Объем эукариотических клеток по сравнению с прокариотическими, как правило, в 1000 раз больше. Соответственно в эукариотических клетках больше разнообразного клеточного материала.

Глубокие преобразования в строении и функционировании значительно увеличили эволюционные возможности эукариот, которые, появившись всего 0,9 млрд. лет назад, смогли достигнуть многоклеточного уровня и сформировать современную флору и фауну. Для сравнения следует сказать, что с момента появления первых прокариотических клеток (3,5 млрд. лет назад) до появления первых эукариотических клеток потребовалось около 2,5 млрд. лет.

Закрепление изученного материала:

1. Напишите, какой тип питания и почему был присущ первым клеточным формам (прокариотам).
Тип питания – гетеротрофы.
Причина: в атмосфере и первичном бульоне не было свободного кислорода, поэтому они использовали готовые соединения, растворенные в водах первичного океана.

2. Выберите и впишите пропущенное в утверждении слово.
Первым простейшим живым организмам был присущ (анаэробный, аэробный, смешанный) тип обмена.

3. Выберите и подчеркните правильный вариант второй части утверждения.
В соответствии с современными представлениями возникновение и прогрессивная эволюция первичных фотосинтезирующих прокариот была обусловлена истощением запасов органических веществ в океане;

4. Выберите и подчеркните правильный вариант окончания утверждения. Аргументируйте свой выбор.

В основу фотосинтетического механизма многоклеточных растений лег:
А) фотосинтез синезеленых водорослей;
Б) бактериальный фотосинтез.
Именно синезеленые водоросли впервые стали выделять кислород в атмосферу, усваивая, как и растения, СО2.

5. Назовите организмы, которые первыми на планете стали выделять при фотосинтезе свободный кислород.
Синезеленые водоросли.

6. Укажите важнейшие последствия накопления кислорода в атмосфере Земли для эволюции живых существ.
Во-первых, кислород, находящийся в верхних слоях атмосферы, превращается в озон, который поглощает вредное ультрафиолетовое излучение. Во-вторых, в присутствии кислорода, возникли аэробные бактерии, а от них – остальные организмы.

7. Известно, что молекулы воды и многих органических веществ (тем более, живые организмы) разрушаются под действием коротковолнового ультрафиолетового излучения. Ответьте, какой защитный геофизический механизм сформировался на раннем этапе эволюции жизни на Земле.
Возникновение озонового слоя.

8. Изложите кратко сущность современной точки зрения на происхождение эукариотических одноклеточных организмов.
Эукариоты возникли в результате совместного взаимополезного сосуществования (симбиоза) различных прокариот. Аэробные бактерии играли роль современных митохондрий, цианеи – хлоропластов. Ядро возникло из нуклеоида бактерий.

9. Охарактеризуйте плоидность генома первых эукариотических одноклеточных организмов и отметьте его прогрессивные черты по сравнению с таковым для прокариот.
Плоидность генома прокариот – диплоидный.
Преимущества такого генома: это увеличило генетическое разнообразие потомков, образующихся в результате полового размножения.

10. Напишите, что такое половой процесс, какова его генетическая основа и значение для дальнейшей эволюции эукариот.
Половой процесс – процесс слияния двух гаплоидных половых клеток (гамет), приводящий к образованию диплоидной зиготы.
Генетическая основа: половые клетки имеют одинарный набор генов, зигота – двойной, новое поколение имеет рекомбинированный набор генов, доставшийся от родительских клеток.
Эволюционное значение: увеличение разнообразия живых организмов благодаря созданию новых комбинаций генов.

11. Изложите сущность гипотезы И. И. Мечникова о происхождении многоклеточных организмов.
Многоклеточные произошли от колониальных одноклеточных организмов – жгутиковых. В ходе эволюции шла специализация клеток колонии, образовывались ткани, постепенно колония превращалась в примитивный одноклеточный организм.

12. Укажите основные отличия гипотезы происхождения многоклеточных Э. Геккеля от гипотезы И. И. Мечников.
Геккель считал, что дифференцировка функций клеток колонии на ткани произошла вследствие впячивания группы клеток внутрь колонии. Мечников считал, что внутренняя пищеварительная ткань в колонии образовалась путем фагоцитоза – клетки захватывали добычу и перемещались внутрь колонии для переваривания.

Подведение итогов. Выставление оценок
Д/з конспекты.

Начальные этапы развития жизни на Земле

Как полагают, первые примитивные клетки появились в водной среде Земли 3,0–3,5 млрд. лет назад – анаэробные, гетеротрофные прокариоты, они питались синтезированными абиогенно органическими веществами или менее удачливыми своими собратьями; энергетические потребности удовлетворяли за счет брожения.

При увеличении численности гетеротрофных прокариотических клеток запас органических соединений в первичном океане истощался. В этих условиях значительное преимущество при отборе должны были приобрести организмы, способные к автотрофности, т.е. к синтезу органических веществ из неорганических. Видимо, первыми автотрофными организмами были хемосинтезирующие бактерии. Следующим этапом было развитие реакций с использованием солнечного света – фотосинтез.

Для первых фотосинтезирующих бактерий источником электронов был сероводород. Значительно позже у цианобактерий (синезеленых водорослей) развился более сложный процесс получения электронов из воды. В качестве побочного продукта фотосинтеза в земной атмосфере начал накапливаться кислород. Это явилось предпосылкой для возникновения в ходе эволюции аэробного дыхания. Способность синтезировать при дыхании большее количество АТФ позволяла организмам расти и размножаться быстрее, а также усложнять свои структуры и обмен веществ.

Считают, что предками эукариот были прокариотические клетки. Согласно теории клеточного симбиогенеза, эукариотическая клетка представляет сложную структуру, состоящую из нескольких прокариотических клеток, которые взаимодополняют друг друга.

Целый ряд данных свидетельствует о происхождении митохондрий и хлоропластов, а возможно, и жгутиков от ранних прокариотических клеток, ставших внутренними симбионтами большей по размерам анаэробной клетки. Глубокие преобразования в строении и функционировании значительно увеличили эволюционные возможности эукариот, которые, появившись всего 0,9 млрд. лет назад, смогли достигнуть многоклеточного уровня и сформировать современную флору и фауну. Для сравнения следует сказать, что с момента появления первых прокариотических клеток (3,5 млрд. лет назад) до появления первых эукариотических клеток потребовалось 2,5 млрд. лет

7.4. Генетика и эволюция

Генетика – наука, изучающая наследственность и изменчивость.

Единицей наследственной информации является ген, ответственный за формирование какого-либо элементарного признака. Гены располагаются в локусах (участках) хромосом. Гены в одинаковых локусах гомологичных хромосом и отвечающие за развитие вариантов какого-либо признака, называют аллельными. Их принято обозначать буквами латинского алфавита. Аллельные гены могут быть доминантными (А, В) или рецессивными (a, b).

Фенотип – совокупность всех признаков и свойств организма.

Генотип – совокупность всех генов организма.

Генофонд – совокупность генов популяции.

Кариотип – совокупность морфологических признаков хромосом вида (размер, форма, детали строения, число и т. д.).

Закономерности наследования

Первый закон Менделя (закон единообразия): при скрещивании гомозиготных особей, все гибриды первого поколения единообразны. Например, при скрещивании растений с желтыми семенами АА и растений с зелеными семенами аа, гибриды первого поколения оказываются все с желтыми семенами Аа (рис. 7.2).

Второй закон Менделя (закон расщепления): при моногибридном скрещивании гетерозиготных особей во втором поколении наблюдается расщепление по фенотипу 3:1 и по генотипу 1:2:1.

Третий закон Менделя (закон независимого наследования): гены разных аллельных пар и соответствующие им признаки наследуются независимо.

Рис. 7.2. Первый закон Менделя

Закон Моргана (закон сцепленного наследования): гены, локализованные в одной хромосоме наследуются сцеплено. Признаки, гены которых находятся в половых хромосомах, наследуются сцеплено с полом (гемофилия – несвертываемость крови, дальтонизм – неспособность различать красный и зеленый цвета).

Происхождение и начальные этапы развития жизни на Земле

1. Происхождение и начальные этапы развития жизни на Земле.

2. План урока

1. Гипотезы происхождения жизни
1.1 . Абиогенеза
1.2. Биогенеза
1.3. Креационизма
1.4. Стационарного состояния
1.5. Панспермии
1.6. Биохимической эволюции
2. Развитие жизни на Земле в Архейскую,
Протерозойскую, Палеозойскую, Мезозойскую
и Кайнозойскую эры.
Гипотеза самозарождения, или абиогенеза
Жизнь зарождается из неживой материи
Гипотеза самозарождения, или абиогенеза
Эксперименты Франческо Реди нанесли удар по гипотезе
абиогенеза
Гипотеза биогенеза
Гипотеза биогенеза
Данная гипотеза не отвечает на вопрос о
первоначальном зарождении жизни
Опровержение гипотезы абиогенеза
Опытным путем доказали, что в прокипяченном мясном
бульоне, закрытом крышкой, жизнь не зарождается.
Но их опыт посчитали недостаточно достоверным,
т.к. полагали, что из-за крышки в бульон не проникает
Опыт Луи Пастера
(1822-1895)
французский ученый

12. Гипотеза креационизма

— представления о возникновении жизни, как
акте Творца (воле Бога). Эту гипотезу можно
принимать на веру, но с научной точки
зрения ее рассматривать нельзя.
Эта гипотеза
существует до сих
пор.
Гипотезы стационарного состояния
Гипотезы стационарного состояния
Теория биохимической эволюции
Теория биохимической эволюции

18. Основоположники теории биохимической эволюции

Независимо друг от друга считали, что органические вещества
возникли из неорганических под действием коротковолнового УФ

20. Стэнли Миллер проиллюстрировал 1-ую стадию биопоэза

21. Установка Стэнли Миллера

22. Этап химической эволюции

Длительность – десятки миллионов лет
h3 h3O
CO2 Ch5
Nh4

23. Этап предбиологической эволюции

коацерват
пробионт
4 млрд. лет назад

25. Этап биологической эволюции

• Атмосфера обогатилась кислородом
• Озоновый экран защищал Землю от губительных УФ лучей
1. Анаэробы –
гетеротрофы прокариоты
2. Анаэробы –
автотрфы прокариоты
3. Аэробы – гетеротрофы и автотрофы – прокариоты
4. Аэробы – гетеротрофы и автотрофы — эукариоты

26. Русские ученые в начале 20 века развили гипотезу о симбиозе бесхлорофилльной клетки с клеткой сине-зеленой водоросли

27. Возникновение многоклеточности по гипотезе И. И. Мечникова

энтодерма
эктодерма
фагоцителла

28. Гипотеза Эрнста Геккеля о дифференцировке клеток колонии

Архей (1 млрд лет): атмосфера не содержала кислорода;
возникло все разнообразие прокариот, в том числе
фотосинтезирующих.

34. В Протерозое (2 млрд лет) появилось ядро, половой процесс и многоклеточные, водоросли, озоновый слой, первые наземные лишайники

и первые хордовые.
Сформировались все царства живой природы.
Губки,
кишечнополостные,
черви
Появились рыбы, земноводные, пресмыкающиеся и
большое количество членистоногих. Эволюция растений
от псилофитов до голосеменных.

37. Кембрий и Ордовик: расцвет медуз, кораллов, древних членистоногих — трилобитов, бесчелюстные рыбообразные, головоногие

моллюски.

38. Силур: развитие ракоскорпионов, массовое распространение панцирных рыб, на сушу выходят псилофиты – первые наземные споровые

растения и
древние паукообразные.

39. Девон: на смену панцирным рыбам приходят древние хрящевые – акулы и скаты, появляются первые костные рыбы; в мелких водоемах –

кистеперые рыбы;
к концу Девона – стегоцефалы – первые земноводные,
многоножки, древовидные папоротники.

40. Карбон: распространяются леса из гигантских хвощей, плаунов и папоротников; крылатые насекомые; к концу карбона появляются

первые пресмыкающиеся.

41. Пермь: продолжается похолодание, сокращается разнообразие земноводных, распространяются пресмыкающиеся, появляются голосеменные

(гинкго и
араукарии встречаются и сейчас).
Появились классы млекопитающих и птиц , в царстве
растений — отдел покрытосеменных.

43. Триас: начало расцвета динозавров, появляются крокодилы и черепахи; важнейшим достижением является появление теплокровности и

первых
млекопитающих, резко сокращается видовое
разнообразие амфибий и почти полностью вымирают
семенные папоротники

44. Юра: господствуют голосеменные растения и пресмыкающиеся, в появившемся Атлантическом океане развиваются головоногие моллюски;

в конце
периода появляются археоптериксы.

45. Мел: характеризуется образованием высших млекопитающих и настоящих птиц; появляются и быстро распространяются покрытосеменные

растения,
некоторые сохранились до наших дней – дубы, ивы,
эвкалипты, пальмы; в конце периода массовое вымирание
динозавров.

47. Палеоген климат более континентальный, ледяные шапки на полюсах, бурный расцвет млекопитающих и птиц, первые приматы, в воздухе

господствовали
птицы, в морях – костистые рыбы, расцвет головоногих
моллюсков

48. Неоген: климат стал более сухим, леса отступили, степи, саванны, злаки, парнокопытные, непарнокопытные, все хищники, 4,5 млн

лет назад – австралопитек, 2,5 млн лет
назад – человек прямоходящий – прямой предок человека

49. Антропоген: климат стал холоднее, мамонты, шерстистые носороги, пещерные медведи, саблезубые тигры, овцебыки, человек-разумный,

потепление климата,
вымирание крупных млекопитающих

50. Трилобиты

51. Стегоцефал

52. Стегозавр

53. Птерадонт

54. Мегалодон

55. Цинодонт

56. Блиц-опрос по теме «Развитие жизни на Земле».

1.Перечислите эры хронологической таблицы
Земли.
2.Сколько лет назад сформировалась Земля?
3.В какой эре появились первые живые
существа?
4.В какой эре появились первые многоклеточные
существа?
5.Назовите крупные ароморфозы в эволюции
растений.
6.Назовите крупные ароморфозы в эволюции
животных.

57. Блиц-опрос по теме «Развитие жизни на Земле».

1.Назовите первых многоклеточных растений.
2.Назовите первых многоклеточных животных.
3.Первыми растениями на суше были.
4.Первыми беспозвоночными животными на
суше были.
5.Первыми позвоночными животными на суше
были.

58. Блиц-опрос по теме «Развитие жизни на Земле».

1. Назовите этапы эволюции растений.
2.В какой эре появились папоротники?
3. В какой эре появились голосеменные?
4. В какой эре появились цветковые?
5.Назовите этапы эволюции беспозвоночных.
6.В какой эре появились все типы
многоклеточных животных?
7.Назовите этапы эволюции позвоночных.
8.В какой эре появились хордовые?
9.В какой эре появились позвоночные?
10.В какой эре (периоде) появились
млекопитающие?
11.В какой эре (периоде) появились птицы?

60. Практическая работа

Эра,
перио
д
Жизнь в море
Жизнь на суше
беспозво позвоноч растения беспозвоно позвоночн
ночные
ные
чные
ые
растения
Главные катаклизмы в истории развития жизни на Земле
Эра, период
Катаклизмы

Происхождение и начальные этапы развития жизни на Земле | Тест по биологии (11 класс) на тему:

Происхождение и начальные этапы развития жизни на Земле. Ι вариант.

Живое отличается от неживого

а – составом неорганических соединений

б – наличием катализаторов

в – взаимодействием молекул друг с другом

г – обменными процессами, обеспечивающими постоянство структурно-

функциональной организации системы

2. Первыми живыми организмами на нашей планете были :

а – анаэробные гетеротрофы

б – аэробные гетеротрофы

в — автотрофы

г – организмы-симбионты

3. Гипотеза – это

а – логическое обобщение опыта

б – научно поставленный опыт

в – научное предположение

г – изучение изменений, происходящих в природе

4. Биологической системой называют

а – органы живого организма

б – несколько рядом расположенных органов

в – объединение однородных клеток

г – биологические объекты разной степени сложности, имеющие несколько

уровней организации

5. Химическая эволюция на древней Земле завершилась

а – абиогенным синтезом биологических мономеров

б – образованием полипептидов

в – синтезом биополимеров

г – случайно возникшим объединением белков и нуклеиновых кислот

6. Опыты Л. Пастера доказали возможность

а – самозарождения жизни

б – появления живого из живого

в – занесения «семян жизни»

г – биохимической эволюции

7. Для биологической эволюции на Земле решающую роль сыграли космические, планетарные и химические условия, обеспечившие наличие воды:

а – в газообразном состоянии

б – в твёрдом состоянии

в – в жидком состоянии

г – в виде водной «рубашки», окружающей органические молекулы

8. Половым процессом в истории Земли первыми обладали:

а – протобионты

б – аэробные бактерии

в – эукариоты

г – прокариоты

9. Первые эукариоты, давшие начало животным, получали энергию, необходимую для жизнедеятельности

а – образуя пирофосфат

б – поглотив аэробные бактерии

в – «заключив союз» с первичными фотосинтетиками

г – используя ультрафиолетовое излучение

10. Коацерват – это

а – пузырьки жидкости, окруженные белковыми плёнками

б – фазообособленная система, взаимодействующая с внешней средой по типу

открытой системы

в – высокомолекулярное органическое соединение

г – молекулы, окруженные водной оболочкой

Происхождение и начальные этапы жизни на Земле. Ι Ι вариант

Согласно теории самопроизвольного зарождения жизнь:

а – возникала неоднократно из неживого вещества

б – занесена на нашу планету из вне

в – была создана сверхъестественным существом в определённое время

г – возникла в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам

2.Окончательно в 1861 г. доказал опытным путём невозможность появления живого из неживого

(абиогенез) на Земле:

а – Ф. Реди в – А. Левенгук

б – Л. Пастер г – Л. Спалланцани

3. Впервые в 1924 г. высказал предположение об абиогенном происхождении органических

веществ на Земле и сформулировал коацерватную гипотезу:

а – Дж. Холдейн в – С. Миллер

б – А. Опарин г – Дж. Бернал

4. Согласно современным представлениям, необходимыми для возникновения жизни на Земле являлись:

а – определённые химические соединения и отсутствие газообразного кислорода

б – наличие источника энергии, определённые химические соединения и безгранично долгое время

в — безгранично долгое время, определённые химические соединения и отсутствие газообразного кислорода

г — определённые химические соединения, наличие источника энергии, отсутствие газообразного кислорода, безгранично долгое время

5. Впервые в 1953 г. экспериментально осуществили абиогенный синтез органических веществ из неорганических:

а – С. Миллер, Г. Юри в – С. Фокс, С.Миллер

б – А. Опарин, Дж. Холдейн г — Дж. Холдейн, Г. Юрии

6. Самопроизвольное зарождение жизни на Земле в наше время представляется маловероятным потому, что:

а – на Земле слишком мало действующих вулканов

б – не хватает ультрафиолетового излучения, чтобы обеспечить процесс энергией

в – электрическая активность атмосферы является недостаточной для синтеза соединений

г – химические соединения, из которых могла бы возникнуть жизнь, мгновенно были бы

окислены или поглощены существующими организмами

7. Согласно коацерватной гипотезе, коацерваты обладали свойствами живого потому, что они:

а – состояли из белковых молекул и избирательно поглощали вещества

б – обладали способностью к воспроизводству и самообновлению химического состава

в – избирательно поглощали вещества, увеличивали свой объём и распадались при определённых условиях на более мелкие

г – реагировали на изменение химического состава окружающей среды и сами выделяли соединения, изменяющие её

8. Первые живые организмы (пробионты), появившиеся на Земле, по способу питания были:

а – анаэробными гетеротрофами в – аэробными хемотрофами

б – анаэробными фототрофами г – аэробными гетеротрофами

9.Согласно теории биохимической эволюции жизнь:

а – существовала всегда

б — возникала неоднократно из неживого вещества

в — занесена на нашу планету из вне

г — возникла в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам

10. Согласно теории панспермии жизнь

а — возникала неоднократно из неживого вещества

б — занесена на нашу планету из вне

в — была создана сверхъестественным существом в определённое время

г — возникла в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам

Урок биологии в 9 классе по теме «Начальные этапы развития жизни»

Урок биологии в 9 классе по теме «Начальные этапы развития жизни»

Нефедова Е. В.,учитель

биологии МОУ

«Гимназия № 58» г. Саратов

Цель урока: изучить причины и следствия развития жизни на Земле.

Задачи:

образовательная: рассмотреть основные этапы биологической эволюции, выяснить ее причины, и значение;
развивающая: продолжить формирование умений анализировать, выявлять причинно – следственные связи, формировать выводы.

Методы: беседа, сообщения учащихся.

Оборудование: компьютер, интерактивная доска, таблицы, карточки.

План урока

Организационный момент.
Опрос домашнего задания (карточки, вопросы, тесты).
Изучение нового материала:

Прокариоты – первые одноклеточные организмы (презентация).
Появление эукариот (сообщение учащегося).
Появление многоклеточных организмов (сообщение учащегося).

Закрепление.
Подведение итогов. Выставление оценок. Домашнее задание.

Ход урока

Организационный момент.
Опрос домашнего задания «Современные представления о возникновении жизни» можно начать с вопросов:

Какие химические элементы и их соединения были в первичной атмосфере Земли?
Укажите условия, необходимые для абиогенного образования органических соединений.
Какие соединения были распространены в водах первичного океана?
Что такое коацерваты?
В чем сущность химической эволюции на ранних этапах существования Земли?
Какое событие положило начало биологической эволюции?
Когда на Земле появились первые клеточные организмы?

В это же время некоторые ученики работают по карточкам.

Закончить опрос домашнего задания можно тестами:

Тесты для повторения темы : «Возникновение жизни на Земле»

Выберите правильные варианты ответов:

1. Кто из названных ученых окончательно опроверг теорию самозарождения организмов?

а) Дарвин

б) Пастер

в) Ламарк

2. Суть теории самозарождения заключается в том, что она поддерживает идею:

а) возникновение живых организмов из неживых тел

б) возникновение живого от живого

в) создания живого высшими силами

3. Согласно биохимической теории жизнь:

а) существовала всегда

б) занесена на нашу планету из вне

в) возникла в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам

4. В смеси Миллера содержались аммиак и метан. Почему эти вещества были необходимы для опыта?

а) он хотел доказать, что эти вещества содержались в составе первичной атмосферы Земли.

б) он хотел доказать невозможность зарождения жизни в первичной атмосфере Земли.

в) он хотел доказать возможность синтеза органических соединений в условиях первичной атмосферы Земли.

5. Какая реакция лежит в основе образования аммиака?

а) реакция углекислого газа с азотом

б) реакция воды с азотом

в) реакция водорода с азотом

6. Суть гипотезы А.И. Опарина заключается :

а) в признании абиогенного синтеза органических соединений.

б) в отрицании абиогенного синтеза органических соединений.

в) в утверждении, что жизнь была привнесена из вне.

7.Почему коацерваты могли считаться прообразами живых систем?

а) они могли поглощать одни вещества из внешней среды и выделять в нее другие.

б) они были отграничены от водной среды подобием мембраны.

в) по всем указанным причинам.

8. Одним из важнейших этапов возникновения жизни можно считать:

а) появление аминокислот

б) появление углеводов

в) появление нуклеиновых кислот

9. Какое свойство органических молекул позволило им стать «основой жизни»?

а) способность к разнообразным химическим реакциям

б) способность к самоорганизации и воспроизведению

в) сложность их строения

10. Согласно космической теории жизнь :

а) возникала неоднократно из неживого вещества

б) занесена на нашу планету из вне

в) была создана сверхъестественным существом в определенное время.

Правильные ответы: 1 – б, 2 – а, 3 – в, 4 – в, 5 – в, 6 – а, 7 – в, 8 – в, 9 – б,

10 – б.

Изучение нового материала «Начальные этапы развития жизни на Земле

Прокариоты – первые одноклеточные организмы (презентация).
Появление эукариот (сообщение учащегося).
Появление многоклеточных организмов (сообщение учащегося).

После объяснения материала ребята выполняют работу в тетради на печатной основе (А.Ю. Цибулевский Биология- 9. Рабочая тетрадь к учебнику).

Закрепление:

1.Тесты для закрепления темы «Начальные этапы развития жизни»

Выберите правильные варианты ответов:

1. Первые живые организмы (пробионты), появившиеся на Земле, по способу дыхания и способу питания были;

а) анаэробными гетеротрофами;

б) анаэробными фототрофами;

в) аэробными гетеротрофами.

2. Организмы, появившиеся на Земле при истощении запаса абиогенных органических веществ, по способу дыхания и способу питания были;

а) анаэробными гетеротрофами;

б) анаэробными фототрофами;

в) аэробными гетеротрофами.

3. Накопление в атмосфере первичной Земли кислорода и появление озонового экрана привело к:

а) началу абиогенного синтеза органических веществ и прекращению ультрафиолетового излучения;

б) началу абиогенного синтеза органических веществ и усилению ультрафиолетового излучения;

в) прекращение абиогенного синтеза органических веществ и защите первых организмов от ультрафиолетового излучения.

4. Началом биологической эволюции на Земле принято считать момент возникновения первых:

а) органических веществ, синтезированных абиогенным путем;

б) коацерватных капель, микросфер и других агрегатов из органических веществ;

в) одноклеточных прокариотических организмов – пробионтов;

5. С момента начала биологической эволюции на Земле скорость эволюционного процесса:

а) не изменялась;

б) постоянно возрастала;

в) постоянно убывала;

6. Крупнейшим ароморфозом, оказавшим существенное воздействие на ранние этапы эволюции жизни на Земле, стало:

а) появление новых клеток – прокариот;

б) появление первых клеток – эукариот;

в) возникновение фотосинтеза у анаэробных прокариот;

7. Первые многоклеточные эукариотические организмы на Земле произошли в ходе эволюции от:

а) одноклеточных прокариот;

б) одноклеточных эукариот;

в) многоклеточных прокариот.

Правильные ответы: 1 –а, 2 – б, 3 – в, 4 – в, 5 – б, 6 – в, 7 –б.

2. Работа с учебником (закончите предложение):

У первых одноклеточных организмов – прокариотов – наследственный материал не был окружен мембраной, а находился…( прямо в цитоплазме).

Они были гетеротрофами, т.е. использовали в качестве источника энергии (пищи)… (готовые органические соединения, находящиеся в растворенном виде в водах первичного океана).

Поскольку в атмосфере Земли свободного кислорода не было, они имели анаэробный (бескислородный) тип обмена, эффективность которого… (невелика).

Появление большого количества гетеротрофов приводило к истощению вод первичного океана: в нем оставалось все меньше… (готовых органических веществ).

Первыми фотосинтезирующими организмами, выделяющими в атмосферу О₂ , были…( синезеленые водоросли).

Со временем в результате взаимополезного сосуществования (симбиоза) различных прокариот возникли… (эукариоты, у которых появилось настоящее ядро, окруженное оболочкой).

Появление двойного набора генов сделало возможным…( обмен полными копиями генов между разными организмами, принадлежащими к одному виду, — возник половой процесс).

На рубеже архейской и протерозойской эр половой процесс привел к… (значительному увеличению разнообразия живых организмов благодаря созданию новых многочисленных комбинаций генов).

Около 2,6 млрд. лет тому назад появились… (многоклеточные организмы).

3. Вопросы:

1. Как питались первые живые организмы?

2.Что такое фотосинтез? Какую роль в развитии жизни на Земле сыграло его появление?

3. Какие организмы впервые стали выделять в атмосферу свободный кислород?

4. Какое значение для эволюции имело появление полового процесса?

Подведение итогов. Выставление оценок. Домашнее задание.

Презентация на тему: Происхождение и начальные этапы развития жизни на Земле

Первый слайд презентации: Происхождение и начальные этапы развития жизни на Земле

Изображение слайда

Слайд 2: План урока

Гипотезы происхождения жизни 1.1. Абиогенеза 1.2. Биогенеза 1.3. Креационизма 1.4. Стационарного состояния 1.5. Панспермии 1.6. Биохимической эволюции 2. Развитие жизни на Земле в Архейскую, Протерозойскую, Палеозойскую, Мезозойскую и Кайнозойскую эры.

Изображение слайда

Слайд 3

Изображение слайда

Слайд 4

Гипотеза самозарождения, или абиогенеза Жизнь зарождается из неживой материи

Изображение слайда

Слайд 5

Гипотеза самозарождения, или абиогенеза

Изображение слайда

Слайд 6

Эксперименты Франческо Реди нанесли удар по гипотезе абиогенеза

Изображение слайда

Слайд 7

Гипотеза биогенеза

Изображение слайда

Слайд 8

Гипотеза биогенеза Данная гипотеза не отвечает на вопрос о первоначальном зарождении жизни

Изображение слайда

Слайд 9

Изображение слайда

Слайд 10

Опровержение гипотезы абиогенеза Опытным путем доказали, что в прокипяченном мясном бульоне, закрытом крышкой, жизнь не зарождается. Но их опыт посчитали недостаточно достоверным, т.к. полагали, что из-за крышки в бульон не проникает жизненная сила из воздуха.

Изображение слайда

Слайд 11

Опыт Луи Пастера (1822-1895) французский ученый

Изображение слайда

Слайд 12: Гипотеза креационизма

Изображение слайда

Слайд 13

Гипотезы стационарного состояния

Изображение слайда

Слайд 14

Гипотезы стационарного состояния

Изображение слайда

Слайд 15

Изображение слайда

Слайд 16

Теория биохимической эволюции

Изображение слайда

Слайд 17

Теория биохимической эволюции

Изображение слайда

Слайд 18: Основоположники теории биохимической эволюции

Независимо друг от друга считали, что органические вещества возникли из неорганических под действием коротковолнового УФ

Изображение слайда

Слайд 19

Изображение слайда

Слайд 20: Стэнли Миллер проиллюстрировал 1-ую стадию биопоэза

Изображение слайда

Слайд 21: Установка Стэнли Миллера

Изображение слайда

Слайд 22: Этап химической эволюции

H 2 H 2 O CO 2 CH 4 NH 3 Длительность – десятки миллионов лет

Изображение слайда

Слайд 23: Этап предбиологической эволюции

пробионт коацерват

Изображение слайда

Слайд 24

4 млрд. лет назад

Изображение слайда

Слайд 25: Этап биологической эволюции

Анаэробы – гетеротрофы — прокариоты Анаэробы – автотрфы — прокариоты Атмосфера обогатилась кислородом Озоновый экран защищал Землю от губительных УФ лучей 3. Аэробы – гетеротрофы и автотрофы – прокариоты 4. Аэробы – гетеротрофы и автотрофы — эукариоты

Изображение слайда

Слайд 26: Русские ученые в начале 20 века развили гипотезу о симбиозе бесхлорофилльной клетки с клеткой сине-зеленой водоросли

Изображение слайда

Слайд 27: Возникновение многоклеточности по гипотезе И. И. Мечникова

фагоцителла энтодерма эктодерма

Изображение слайда

Слайд 28: Гипотеза Эрнста Геккеля о дифференцировке клеток колонии

Изображение слайда

Слайд 29

Изображение слайда

Слайд 30

Изображение слайда

Слайд 31

Изображение слайда

Слайд 32

Изображение слайда

Слайд 33

Архей (1 млрд лет): атмосфера не содержала кислорода; возникло все разнообразие прокариот, в том числе фотосинтезирующих.

Изображение слайда

Слайд 34: В Протерозое (2 млрд лет) появилось ядро, половой процесс и многоклеточные, водоросли, озоновый слой, первые наземные лишайники и первые хордовые

Сформировались все царства живой природы. Губки, кишечнополостные, черви

Изображение слайда

Слайд 35

Изображение слайда

Слайд 36

Появились рыбы, земноводные, пресмыкающиеся и большое количество членистоногих. Эволюция растений от псилофитов до голосеменных.

Изображение слайда

Слайд 37: Кембрий и Ордовик : расцвет медуз, кораллов, древних членистоногих — трилобитов, бесчелюстные рыбообразные, головоногие моллюски

Изображение слайда

Слайд 38: Силур: развитие ракоскорпионов, массовое распространение панцирных рыб, на сушу выходят псилофиты – первые наземные споровые растения и древние паукообразные

Изображение слайда

Слайд 39: Девон: на смену панцирным рыбам приходят древние хрящевые – акулы и скаты, появляются первые костные рыбы; в мелких водоемах – кистеперые рыбы; к концу Девона – стегоцефалы – первые земноводные, многоножки, древовидные папоротники

Изображение слайда

Слайд 40: Карбон: распространяются леса из гигантских хвощей, плаунов и папоротников; крылатые насекомые; к концу карбона появляются первые пресмыкающиеся

Изображение слайда

Слайд 41: Пермь: продолжается похолодание, сокращается разнообразие земноводных, распространяются пресмыкающиеся, появляются голосеменные ( гинкго и араукарии встречаются и сейчас)

Изображение слайда

Слайд 42

Появились классы млекопитающих и птиц, в царстве растений — отдел покрытосеменных.

Изображение слайда

Слайд 43: Триас: начало расцвета динозавров, появляются крокодилы и черепахи; важнейшим достижением является появление теплокровности и первых млекопитающих, резко сокращается видовое разнообразие амфибий и почти полностью вымирают семенные папоротники

Изображение слайда

Слайд 44: Юра: господствуют голосеменные растения и пресмыкающиеся, в появившемся Атлантическом океане развиваются головоногие моллюски; в конце периода появляются археоптериксы

Изображение слайда

Слайд 45: Мел: характеризуется образованием высших млекопитающих и настоящих птиц; появляются и быстро распространяются покрытосеменные растения, некоторые сохранились до наших дней – дубы, ивы, эвкалипты, пальмы; в конце периода массовое вымирание динозавров

Изображение слайда

Слайд 46

Изображение слайда

Слайд 47: Палеоген климат более континентальный, ледяные шапки на полюсах, бурный расцвет млекопитающих и птиц, первые приматы, в воздухе господствовали птицы, в морях – костистые рыбы, расцвет головоногих моллюсков

Изображение слайда

Слайд 48: Неоген: климат стал более сухим, леса отступили, степи, саванны, злаки, парнокопытные, непарнокопытные, все хищники, 4,5 млн лет назад – австралопитек, 2,5 млн лет назад – человек прямоходящий – прямой предок человека

Изображение слайда

Слайд 49: Антропоген: климат стал холоднее, мамонты, шерстистые носороги, пещерные медведи, саблезубые тигры, овцебыки, человек-разумный, потепление климата, вымирание крупных млекопитающих

Изображение слайда

Слайд 50: Трилобиты

Изображение слайда

Слайд 51: Стегоцефал

Изображение слайда

Слайд 52: Стегозавр

Изображение слайда

Слайд 53: Птерадонт

Изображение слайда

Слайд 54: Мегалодон

Изображение слайда

Слайд 55: Цинодонт

Изображение слайда

Слайд 56: Блиц-опрос по теме «Развитие жизни на Земле»

Перечислите эры хронологической таблицы Земли. Сколько лет назад сформировалась Земля? В какой эре появились первые живые существа? В какой эре появились первые многоклеточные существа? Назовите крупные ароморфозы в эволюции растений. Назовите крупные ароморфозы в эволюции животных.

Изображение слайда

Слайд 57: Блиц-опрос по теме «Развитие жизни на Земле»

Назовите первых многоклеточных растений. Назовите первых многоклеточных животных. Первыми растениями на суше были. Первыми беспозвоночными животными на суше были. Первыми позвоночными животными на суше были.

Изображение слайда

Слайд 58: Блиц-опрос по теме «Развитие жизни на Земле»

Назовите этапы эволюции растений. В какой эре появились папоротники? В какой эре появились голосеменные? В какой эре появились цветковые? Назовите этапы эволюции беспозвоночных. В какой эре появились все типы многоклеточных животных? Назовите этапы эволюции позвоночных. В какой эре появились хордовые? В какой эре появились позвоночные? В какой эре (периоде) появились млекопитающие? В какой эре (периоде) появились птицы?

Изображение слайда

Слайд 59

Изображение слайда

Последний слайд презентации: Происхождение и начальные этапы развития жизни на Земле: Практическая работа

Эра, период Жизнь в море Жизнь на суше беспозвоночные позвоночные растения беспозвоночные позвоночные растения Главные катаклизмы в истории развития жизни на Земле Эра, период Катаклизмы

Изображение слайда

Этапы развития растительного и животного мира. Биология, Общие биологические закономерности (9–11 класс): уроки, тесты, задания.

1.	Предок — потомок Сложность: лёгкое	1
2.	Появление групп организмов Сложность: лёгкое	1
3.	Появление и расцвет групп организмов Сложность: лёгкое	2
4.	Ранние этапы эволюции жизни на Земле Сложность: среднее	2
5.	Эволюция растительного мира Сложность: среднее	3
6.	Эволюция животного мира Сложность: среднее	3
7.	Последовательность появления животных Сложность: сложное	4
8.	Развитие растительного мира Сложность: сложное	4
9.	Ароморфозы животных Сложность: сложное	4

История жизни на Земле

В начале

Сегодня мы считаем само собой разумеющимся, что живем среди различных сообществ животных, которые питаются друг другом. Наши экосистемы построены на основе кормовых отношений, например, касатки, поедающие тюленей, кальмаров и криль. Этим и другим животным требуется кислород для извлечения энергии из пищи. Но раньше жизнь на Земле была совсем другой.

В окружающей среде, лишенной кислорода и с высоким содержанием метана, на протяжении большей части своей истории Земля не была бы гостеприимным местом для животных.Самые ранние формы жизни, о которых мы знаем, были микроскопическими организмами (микробами), которые оставляли сигналы о своем присутствии в породах возрастом примерно 3,7 миллиарда лет. Сигналы представляли собой молекулы углерода, производимые живыми существами.

Доказательства наличия микробов сохранились также в созданных ими твердых структурах («строматолитах»), которые датируются 3,5 миллиардами лет назад. Строматолиты представляют собой липкие маты из ловушек микробов, которые связывают отложения слоями. Минералы осаждаются внутри слоев, создавая прочные структуры, даже когда микробы отмирают.Ученые изучают сегодняшние редкие живые строматолитовые рифы, чтобы лучше понять самые ранние формы жизни на Земле.

Кислородная атмосфера

Когда цианобактерии эволюционировали по крайней мере 2,4 миллиарда лет назад, они подготовили почву для замечательной трансформации. Они стали первыми на Земле фото-синтезаторами, которые производили пищу с использованием воды и энергии Солнца и в результате выделяли кислород. Это стало катализатором внезапного резкого повышения уровня кислорода, что сделало окружающую среду менее благоприятной для других микробов, которые не могли переносить кислород.

Свидетельством этого Великого окислительного события являются изменения в породах морского дна. Когда кислород находится рядом, железо химически реагирует с ним (окисляется) и удаляется из системы. Скалы, относящиеся к периоду до события, покрыты полосами железа. Скалы, датируемые после этого события, не имеют металлических полос, что указывает на присутствие кислорода.

После первоначального импульса кислорода он стабилизировался на более низких уровнях, где он будет оставаться еще пару миллиардов лет.Фактически, когда цианобактерии умирали и перемещались по воде, разложение их тел, вероятно, привело к снижению уровня кислорода. Таким образом, океан по-прежнему не был подходящей средой для большинства форм жизни, нуждающихся в достаточном количестве кислорода.

Многоклеточная жизнь

Однако происходили и другие нововведения. Хотя они могут обрабатывать множество химикатов, у микробов не было специализированных клеток, которые необходимы для сложных тел. В теле животных есть различные клетки — кожа, кровь, кости, — которые содержат органеллы, каждая из которых выполняет свою работу.Микробы — это просто отдельные клетки без органелл и ядер для упаковки их ДНК.

Произошло нечто революционное, когда микробы начали жить внутри других микробов, функционируя для них как органеллы. Митохондрии, органеллы, перерабатывающие пищу в энергию, возникли в результате этих взаимовыгодных отношений. Кроме того, впервые ДНК была упакована в ядра. Новые сложные клетки («эукариотические клетки») могут похвастаться специализированными частями, играющими особые роли, которые поддерживают всю клетку.

Клетки тоже начали жить вместе, вероятно, потому, что можно было получить определенные преимущества. Группы клеток могут питаться более эффективно или получить защиту от простого увеличения. Живя коллективно, ячейки начали поддерживать потребности группы, выполняя определенную работу каждой ячейки. Некоторым клеткам было поручено создавать соединения, чтобы удерживать группу вместе, в то время как другие клетки вырабатывали пищеварительные ферменты, которые могли расщеплять пищу.

Первые животные

Эти кластеры специализированных взаимодействующих клеток в конечном итоге стали первыми животными, которые, согласно данным ДНК, эволюционировали около 800 миллионов лет назад.Губки были одними из самых ранних животных. Хотя химические соединения губок сохраняются в породах возрастом 700 миллионов лет, молекулярные данные указывают на то, что губки развивались еще раньше.

Уровень кислорода в океане был все еще низким по сравнению с сегодняшним днем, но губки способны переносить условия с низким содержанием кислорода. Хотя, как и другим животным, им для метаболизма требуется кислород, им не нужно много, потому что они не очень активны. Они питаются, сидя на месте, извлекая частицы пищи из воды, которая прокачивается через их тела специализированными клетками.

Простое строение губки состоит из слоев клеток вокруг полостей, заполненных водой, поддерживаемых твердыми частями скелета. Эволюция все более сложных и разнообразных строений тела в конечном итоге приведет к появлению отдельных групп животных.

Инструкции по сборке строения тела животного заложены в его генах. Некоторые гены действуют как дирижеры оркестра, контролируя экспрессию многих других генов в определенных местах и в определенное время, чтобы правильно собрать компоненты. Хотя они не были разыграны сразу, есть свидетельства того, что части инструкций для сложных тел присутствовали даже у самых ранних животных.

Благодаря своим твердым скелетам губки стали первыми строителями рифов на Земле. Такие ученые, как доктор Клаус Рютцлер из Смитсоновского института, работают над пониманием эволюции тысяч видов губок, живущих сегодня на Земле.

Эдиакарская биота

Примерно 580 миллионов лет назад (эдиакарский период), помимо губок, произошло распространение других организмов. Эти разнообразные существа морского дна — с телами в форме листьев, лент и даже одеял — жили вместе с губками в течение 80 миллионов лет.Их окаменелости можно найти в осадочных породах по всему миру.

Однако строение тела большинства эдиакарских животных не было похоже на современные группы. Доктор Дуглас Эрвин из Смитсоновского института, используя сравнительные данные о развитии, исследовал, были ли какие-либо из окаменелых эдиакарских животных родственниками современных животных.

К концу эдиакарана уровень кислорода повысился, приблизившись к уровням, достаточным для поддержания жизни, основанной на кислороде. Первые губки, возможно, действительно помогли увеличить количество кислорода, поедая бактерии, удаляя их из процесса разложения.Следы организма под названием Dickinsonia costata предполагают, что он мог перемещаться по морскому дну, предположительно питаясь матами из микробов.

Конец эдиакарского вымирания

Однако около 541 миллиона лет назад большинство эдиакарских существ исчезло, что свидетельствует о серьезном изменении окружающей среды, над пониманием которого Дуглас Эрвин и другие ученые все еще работают. Возможно, определенную роль сыграли эволюция строения тела животных, взаимоотношений с кормлением и экологической инженерии.

Норы, найденные в летописи окаменелостей, датируемые концом эдиакарского периода, показывают, что червеобразные животные начали раскапывать дно океана. Эти первые инженеры-экологи беспокоили и, возможно, аэрировали отложения, нарушая условия жизни других эдиакарских животных. По мере того, как условия окружающей среды ухудшались для одних животных, они улучшались для других, потенциально способствуя смене видов.

Кембрийский взрыв

Кембрийский период (541–485 миллионов лет назад) стал свидетелем бурного взрыва новых форм жизни.Наряду с новым стилем жизни в норках появились твердые части тела, такие как раковины и шипы. Твердые части тела позволили животным более радикально изменять среду обитания, например рыть норы. Также произошел сдвиг в сторону более активных животных с определенными головами и хвостами для направленного движения, чтобы преследовать добычу. Активное питание хорошо вооруженных животных, таких как трилобиты, могло еще больше разрушить морское дно, на котором жили мягкие эдиакарские существа.

(Посмотрите видео «Кембрийский взрыв жизни с палеонтологом Кармой Нанглу».»)

Уникальные стили кормления разделили окружающую среду, освободив место для большего разнообразия жизни. В 1909 году четвертый секретарь Смитсоновского института Чарльз Дулитл Уолкотт обнаружил окаменелости сланцевых отложений Берджесса, которые выявили беспрецедентное биоразнообразие кембрийской жизни. Пока Waptia рыскали по дну океана, приапулидные черви зарывались в отложения, Wiwaxia прикреплялись к губкам, а Anomalocaris курсировали выше.

Многие из этих странно выглядящих организмов были эволюционными экспериментами, например, пятиглазая опабиния . Однако некоторые группы, такие как трилобиты, процветали и доминировали на Земле в течение сотен миллионов лет, но в конце концов вымерли. Строматолитовые рифообразующие бактерии также уменьшились, а рифы, созданные организмами, называемыми брахиоподами, возникли по мере того, как условия на Земле продолжали меняться. Сегодняшние доминирующие строители рифов, твердые кораллы, появились лишь через пару сотен миллионов лет спустя

Однако, несмотря на все изменения, которые должны были произойти, к концу кембрия почти все существующие типы или типы животных (моллюски, членистоногие, кольчатые червяки и т. Д.)) были созданы, и появились пищевые сети, формирующие основу экосистем на Земле сегодня.

BBC — Земля — Секрет зарождения жизни на Земле

Эта история входит в список лучших хитов года BBC Earth «Лучшее из 2016». Просмотрите полный список.

Как началась жизнь? Вряд ли может быть более серьезный вопрос. На протяжении большей части истории человечества почти все верили, что «это сделали боги». Другое объяснение было немыслимо.

Это уже не так. За последнее столетие несколько ученых пытались выяснить, как могла возникнуть первая жизнь. Они даже пытались воссоздать этот момент Genesis в своих лабораториях: создать новую жизнь с нуля.

Пока никому не удалось, но мы прошли долгий путь. Сегодня многие ученые, изучающие происхождение жизни, уверены, что они на правильном пути, и у них есть эксперименты, подтверждающие их уверенность.

Это история нашего стремления раскрыть наше изначальное происхождение.Это история одержимости, борьбы и блестящего творчества, которая включает в себя некоторые из величайших открытий современной науки. Стремление понять зарождение жизни отправило мужчин и женщин в самые далекие уголки нашей планеты. Некоторые из вовлеченных ученых были превращены в чудовищ, в то время как другим пришлось выполнять свою работу под пятой жестоких тоталитарных правительств.

Это история зарождения жизни на Земле.

Жизнь стара. Динозавры, пожалуй, самые известные вымершие существа, зародившиеся 250 миллионов лет назад.Но жизнь началась намного раньше.

Возраст самых старых известных окаменелостей составляет около 3,5 миллиардов лет, что в 14 раз превышает возраст самых старых динозавров. Но летопись окаменелостей может простираться еще дальше. Например, в августе 2016 года исследователи обнаружили окаменелые микробы, возраст которых составляет 3,7 миллиарда лет.

Сама Земля ненамного старше, сформировавшись 4,5 миллиарда лет назад.

Если мы предположим, что жизнь образовалась на Земле — что кажется разумным, учитывая, что мы еще не нашли ее где-либо еще — тогда это должно было произойти за миллиард лет между появлением Земли и сохранением самых старых известных окаменелостей.

Мы можем не только сузить круг, когда началась жизнь, но и сделать обоснованное предположение о том, что это было.

Начиная с XIX века биологам известно, что все живые существа состоят из «клеток»: крошечных мешочков с живым веществом, которые бывают разных форм и размеров. Клетки были впервые обнаружены в 17 веке, когда были изобретены первые современные микроскопы, но потребовалось более века, чтобы кто-нибудь осознал, что они являются основой всей жизни.

Использование только материалов и условий, существующих на Земле более 3.5 миллиардов лет назад мы должны были создать клетку.

Возможно, вы не думаете, что сильно похожи на сома или тираннозавра , но микроскоп покажет, что все вы состоите из очень похожих типов клеток. А также растения и грибы.

Но самые многочисленные формы жизни — это микроорганизмы, каждая из которых состоит всего из одной клетки. Бактерии — самая известная группа, и они встречаются повсюду на Земле.

В апреле 2016 года ученые представили обновленную версию «древа жизни»: своеобразное генеалогическое древо для каждого живого вида.Практически все ветви — бактерии. Более того, форма дерева предполагает, что бактерия была общим предком всего живого. Другими словами, все живые существа — включая вас — в конечном итоге произошли от бактерии.

Это означает, что мы можем более точно определить проблему происхождения жизни. Используя только материалы и условия, обнаруженные на Земле более 3,5 миллиардов лет назад, мы должны создать клетку.

Ну как это может быть сложно?

Глава 1.Первые эксперименты

На протяжении большей части истории не считалось необходимым спрашивать, как зародилась жизнь, потому что ответ казался очевидным.

До 1800-х годов большинство людей верило в «витализм». Это интуитивная идея, что живые существа были наделены особым магическим свойством, которое отличало их от неодушевленных предметов.

Химические вещества жизни могут быть созданы из более простых химикатов, которые не имеют ничего общего с жизнью

Витализм часто был связан с заветными религиозными убеждениями.Библия говорит, что Бог использовал «дыхание жизни», чтобы оживить первых людей, а бессмертная душа — это форма витализма.

Есть только одна проблема. Витализм — это явная ошибка.

К началу 1800-х годов ученые обнаружили несколько веществ, которые казались уникальными для жизни. Одним из таких химических веществ была мочевина, которая была обнаружена в моче и была выделена в 1799 году.

Это все еще было совместимо с витализмом. Казалось, только живые существа могут производить эти химические вещества, так что, возможно, они были наполнены жизненной энергией, и именно это делало их особенными.

Но в 1828 году немецкий химик Фридрих Велер нашел способ получения мочевины из обычного химического вещества, называемого цианатом аммония, которое не имело очевидной связи с живыми существами. Другие пошли по его стопам, и вскоре стало ясно, что все химические вещества жизни могут быть сделаны из более простых химикатов, которые не имеют ничего общего с жизнью.

Это был конец витализма как научной концепции. Но людям было очень трудно отказаться от этой идеи. Для многих утверждение о том, что в химических веществах жизни нет ничего «особенного», казалось, лишало жизнь ее магии, превращая нас в простые машины.Это также, конечно, противоречило Библии.

Тайна происхождения жизни игнорировалась десятилетиями

Даже ученые пытались избавиться от витализма. Еще в 1913 году английский биохимик Бенджамин Мур горячо продвигал теорию «биотической энергии», которая, по сути, была витализмом под другим названием. Идея имела сильную эмоциональную окраску.

Сегодня идея цепляется за самые неожиданные места. Например, существует множество научно-фантастических историй, в которых «жизненная энергия» человека может быть увеличена или истощена.Подумайте об «энергии регенерации», используемой Повелителями времени в Doctor Who , которую можно даже пополнить, если она иссякнет. Это кажется футуристическим, но это глубоко старомодная идея.

Тем не менее, после 1828 года у ученых были законные причины искать безбожное объяснение того, как образовалась первая жизнь. Но они этого не сделали. Это кажется очевидным предметом для исследования, но на самом деле загадка происхождения жизни игнорировалась десятилетиями. Возможно, все еще были слишком эмоционально привязаны к витализму, чтобы сделать следующий шаг.

Вместо этого большим биологическим прорывом 19 века стала теория эволюции, разработанная Чарльзом Дарвином и другими.

Дарвин знал, что это серьезный вопрос.

Теория Дарвина, изложенная в книге О происхождении видов в 1859 году, объясняла, как огромное разнообразие жизни могло возникнуть от одного общего предка. Вместо того, чтобы каждый из различных видов был создан Богом индивидуально, все они произошли от первобытного организма, который жил миллионы лет назад: последнего универсального общего предка.

Эта идея оказалась очень противоречивой, снова, потому что противоречит Библии. Дарвин и его идеи подверглись яростным нападкам, особенно со стороны возмущенных христиан.

Теория эволюции ничего не говорит о том, как возник этот первый организм.

Дарвин знал, что это серьезный вопрос, но — возможно, опасаясь начинать еще одну борьбу с Церковью — он, кажется, обсуждал этот вопрос только в письме, написанном в 1871 году. Его возбужденный язык показывает, что он знал глубокое значение вопрос:

Первая гипотеза происхождения жизни была изобретена в дикой тоталитарной стране

«Но если бы (и о, какое большое« если ») мы могли бы зачать ребенка в каком-нибудь теплом маленьком пруду со всеми видами аммиака и фосфорной кислоты. соли — свет, тепло, электричество и т. д. — указывают на то, что химически образовалось белковое соединение, готовое к еще более сложным изменениям… «

Другими словами, что, если бы когда-то был небольшой водоем, заполненный простыми органическими соединениями и залитый солнечным светом. Некоторые из этих соединений могли бы объединиться, чтобы сформировать похожее на жизнь вещество, такое как белок, который мог бы затем начать развиваться и усложняться.

Это была отрывочная идея. Но она стала основой первой гипотезы о том, как зародилась жизнь.

Эта идея возникла из неожиданного места. Вы можете подумать, что эта смелая часть бесплатного мышление было бы развито в демократической стране с традициями свободы слова: возможно, в Соединенных Штатах.Но на самом деле первая гипотеза происхождения жизни была изобретена в дикой тоталитарной стране, где свободное мышление было искоренено: в СССР.

В сталинской России все находилось под контролем государства. Это включало идеи людей, даже по таким предметам, как биология, которые кажутся не связанными с коммунистической политикой.

Опарин представил себе, какой была Земля, когда она была только что сформирована.

Известно, что Сталин фактически запретил ученым изучать традиционную генетику.Вместо этого он насаждал идеи сельскохозяйственного рабочего по имени Трофим Лысенко, которые, по его мнению, больше соответствовали коммунистической идеологии. Ученые, занимающиеся генетикой, были вынуждены публично поддержать идеи Лысенко, иначе они рисковали попасть в трудовой лагерь.

Именно в этой репрессивной среде Александр Опарин проводил свои исследования в области биохимии. Он мог продолжать работать, потому что был верным коммунистом: он поддерживал идеи Лысенко и даже получил орден Ленина — высшую награду, которую только можно было наградить живущим в СССР.

В 1924 году Опарин опубликовал свою книгу Происхождение жизни . В нем он изложил видение зарождения жизни, поразительно похожее на теплый маленький пруд Дарвина.

Опарин представил себе, какой была Земля, когда она только что сформировалась. Поверхность была обжигающе горячей, когда камни из космоса падали на нее и ударялись. Это был беспорядок из полурасплавленных горных пород, содержащих огромное количество химикатов, в том числе многие на основе углерода.

Если вы посмотрите на коацерваты под микроскопом, они будут вести себя пугающе, как живые клетки.

В конце концов Земля остыла настолько, что водяной пар конденсировался в жидкую воду, и выпал первый дождь.Вскоре на Земле появились горячие океаны, богатые углеродными химическими веществами. Теперь могут произойти две вещи.

Во-первых, различные химические вещества могут вступать в реакцию друг с другом с образованием множества новых соединений, некоторые из которых будут более сложными. Опарин предположил, что жизненно важные молекулы, такие как сахара и аминокислоты, могли образоваться в водах Земли.

Во-вторых, некоторые химические вещества начали образовывать микроскопические структуры. Многие органические химические вещества не растворяются в воде: например, масло образует слой поверх воды.Но когда некоторые из этих химикатов контактируют с водой, они образуют сферические глобулы, называемые «коацерваты», которые могут достигать 0,01 см (0,004 дюйма) в поперечнике.

Если вы посмотрите на коацерваты под микроскопом, они будут вести себя пугающе, как живые клетки. Они растут и меняют форму, а иногда делятся на две части. Они также могут поглощать химические вещества из окружающей воды, поэтому в них могут концентрироваться химические вещества, похожие на живые. Опарин предположил, что коацерваты были предками современных клеток.

Идея о том, что живые организмы, образованные чисто химическим путем, без бога или даже «жизненной силы», была радикальной.

Пять лет спустя, в 1929 году, английский биолог Дж.Б. С. Холдейн независимо предложил некоторые очень похожие идеи в короткой статье, опубликованной в « Rationalist Annual ».

Холдейн уже внес огромный вклад в эволюционную теорию, помогая интегрировать идеи Дарвина с развивающейся наукой генетикой.

Он также был персонажем грандиозным. Однажды он получил перфорированную барабанную перепонку из-за некоторых экспериментов с декомпрессионными камерами, но позже написал, что «барабан обычно заживает; и если в нем остается дыра, хотя кто-то несколько глухой, можно выдувать табачный дым из помещения. рассматриваемое ухо, что является социальным достижением.«

Как и Опарин, Холдейн описал, как органические химические вещества могут накапливаться в воде» [пока] примитивные океаны не достигли консистенции горячего разбавленного супа ». Это подготовило почву для« первых живых или полуживых существ ».

Это говорит о том, что из всех биологов в мире именно Опарин и Холдейн предложили эту идею. без бога или даже «жизненной силы» было радикальным.Как и предыдущая теория эволюции Дарвина, она бросила вызов христианству.

Возникла одна проблема. Не было экспериментальных доказательств, подтверждающих это.

Это вполне устраивало СССР. Советский режим был официально атеистическим, и его лидеры стремились поддержать материалистические объяснения таких глубоких явлений, как жизнь. Холдейн также был атеистом и при этом преданным коммунистом.

«В то время принятие или неприятие этой идеи зависело в основном от личностей: были ли они религиозными или поддерживали левые или коммунистические идеи», — говорит эксперт по происхождению жизни Армен Мулкиджанян из Университета Оснабрюка в Германии.«В Советском Союзе их приняли с радостью, потому что они не нуждались в Боге. В западном мире, если вы посмотрите на людей, которые думали в этом направлении, все они были левыми, коммунистами и так далее».

Идея о том, что жизнь образовалась в изначальном супе из органических химикатов, стала известна как гипотеза Опарина-Холдейна. Это было красиво и убедительно, но была одна проблема. Не было экспериментальных доказательств, подтверждающих это. Этого не было почти четверть века.

К тому времени, когда Гарольд Юри заинтересовался происхождением жизни, он уже получил Нобелевскую премию 1934 года по химии и помог создать атомную бомбу.Во время Второй мировой войны Юри работал над Манхэттенским проектом, собирая нестабильный уран-235, необходимый для ядра бомбы. После войны он боролся за то, чтобы ядерные технологии оставались под гражданским контролем.

В 1952 году Миллер начал самый известный эксперимент по происхождению жизни, который когда-либо предпринимался.

Он также заинтересовался химией космического пространства, особенно тем, что происходило, когда Солнечная система только формировалась. Однажды он прочитал лекцию и указал, что, вероятно, в атмосфере Земли не было кислорода, когда она только образовалась.Это обеспечило бы идеальные условия для образования изначального супа Опарина и Холдейна: хрупкие химические вещества были бы разрушены при контакте с кислородом.

Докторант по имени Стэнли Миллер был в аудитории и позже подошел к Юри с предложением: могут ли они проверить эту идею? Юри был настроен скептически, но Миллер его уговорил.

Итак, в 1952 году Миллер начал самый известный эксперимент по происхождению жизни, который когда-либо проводился.

Настройка была простой.Миллер соединил серию стеклянных колб и распространил четыре химиката, которые, как он подозревал, присутствовали на ранней Земле: кипящая вода, газообразный водород, аммиак и метан. Он подвергал газы многократным ударам электрическим током, чтобы имитировать удары молнии, которые так давно были обычным явлением на Земле.

Вы можете выйти из простой атмосферы и произвести множество биологических молекул

Миллер обнаружил, что «вода в колбе стала заметно розовой после первого дня, а к концу недели раствор стал темно-красным и мутным. «.Очевидно, образовалась смесь химикатов.

Когда Миллер проанализировал смесь, он обнаружил, что она содержит две аминокислоты: глицин и аланин. Аминокислоты часто называют строительными блоками жизни. Они используются для образования белков, которые контролируют большинство биохимических процессов в нашем организме. Миллер с нуля создал два самых важных компонента жизни.

Результаты были опубликованы в престижном журнале Science в 1953 году. Юри, совершив самоотверженный поступок, необычный для высокопоставленных ученых, вычеркнул свое имя из статьи, отдав должное Миллеру.Несмотря на это, исследование часто называют «экспериментом Миллера-Юри».

«Сила Миллера-Юри в том, чтобы показать, что можно выйти из простой атмосферы и произвести множество биологических молекул», — говорит Джон Сазерленд из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже, Великобритания.

Жизнь была сложнее, чем кто-либо думал

Детали оказались неверными, поскольку более поздние исследования показали, что атмосфера ранней Земли имела другой состав газов.Но это почти не относится к делу.

«Это было широко культовым, стимулировало воображение публики и до сих пор широко цитируется», — говорит Сазерленд.

После эксперимента Миллера другие ученые начали искать способы создания простых биологических молекул с нуля. Решение загадки происхождения жизни казалось близким.

Но потом стало ясно, что жизнь сложнее, чем кто-либо думал. Оказалось, что живые клетки — это не просто мешки с химикатами: это замысловатые маленькие машины.Внезапно создание одного с нуля стало казаться намного более сложной задачей, чем предполагали ученые.

Глава 2. Великая поляризация

К началу 1950-х годов ученые отошли от давнего предположения, что жизнь — это дар богов. Вместо этого они начали исследовать возможность того, что жизнь возникла спонтанно и естественным образом на ранней Земле — и благодаря культовому эксперименту Стэнли Миллера они даже получили некоторую практическую поддержку этой идеи.

Пока Миллер пытался создать материю жизни с нуля, другие ученые выясняли, из чего сделаны гены.

К этому времени было известно много биологических молекул. К ним относятся сахара, жиры, белки и нуклеиновые кислоты, такие как «дезоксирибонуклеиновая кислота» или, для краткости, ДНК.

Их открытие было одним из величайших научных открытий 20 века.

Сегодня мы считаем само собой разумеющимся, что ДНК несет в себе наши гены, но на самом деле это стало шоком для биологов 1950-х годов.Белки сложнее, поэтому ученые думали, что это гены.

Эта идея была опровергнута в 1952 году Альфредом Херши и Мартой Чейз из Института Карнеги в Вашингтоне. Они изучали простые вирусы, которые содержат только ДНК и белок и должны заражать бактерии, чтобы воспроизводиться. Они обнаружили, что в бактерии попала вирусная ДНК, а белки остались снаружи. Ясно, что ДНК была генетическим материалом.

Открытия Херши и Чейза вызвали безумную гонку за выяснением структуры ДНК и, следовательно, того, как она работает.В следующем году проблема была решена Фрэнсисом Криком и Джеймсом Уотсоном из Кембриджского университета, Великобритания, при значительной помощи со стороны их коллеги Розалинды Франклин.

Их открытие было одним из величайших научных открытий 20 века. Это также изменило процесс поиска происхождения жизни, обнаружив невероятную сложность, скрытую внутри живых клеток.

Крик и Ватсон поняли, что ДНК представляет собой двойную спираль, похожую на лестницу, скрученную в спираль.Каждый из двух «полюсов» лестницы состоит из молекул, называемых нуклеотидами.

В конечном итоге ваши гены происходят от предковой бактерии

Эта структура объясняет, как клетки копируют свою ДНК. Другими словами, он показал, как родители копируют свои гены и передают их своим детям.

Ключевым моментом является то, что двойную спираль можно «разархивировать». Это раскрывает генетический код, состоящий из последовательностей генетических оснований A, T, C и G, который обычно заперт внутри «ступенек» лестницы ДНК.Затем каждая нить используется в качестве шаблона для воссоздания копии другой.

Используя этот механизм, гены передаются от родителей к ребенку с самого начала жизни. В конечном итоге ваши гены происходят от наследственной бактерии — и на каждом этапе они копировались с использованием механизма, открытого Криком и Ватсоном.

Изучите структуру ДНК в этом видео:

Крик и Ватсон изложили свои выводы в статье 1953 года в журнале Nature . В течение следующих нескольких лет биохимики пытались выяснить, какую именно информацию несет ДНК и как эта информация используется в живых клетках.Впервые были раскрыты сокровенные тайны жизни.

Внезапно идеи Опарина и Холдейна показались наивно простыми

Оказалось, что ДНК выполняет только одну задачу. Ваша ДНК сообщает вашим клеткам, как производить белки: молекулы, которые выполняют множество важных задач. Без белков вы не смогли бы переваривать пищу, ваше сердце останавливалось, и вы не могли дышать.

Но процесс использования ДНК для создания белков оказался поразительно сложным.Это было большой проблемой для любого, кто пытался объяснить происхождение жизни, потому что трудно представить, как могло начаться что-то столь сложное.

Каждый белок представляет собой длинную цепочку аминокислот, соединенных в определенном порядке. Последовательность аминокислот определяет трехмерную форму белка и, следовательно, то, что он делает.

Эта информация закодирована в последовательности оснований ДНК. Поэтому, когда клетке необходимо произвести определенный белок, она считывает соответствующий ген в ДНК, чтобы получить последовательность аминокислот.

Оказалось, что у ДНК всего одна работа

Но есть нюанс. ДНК драгоценна, поэтому клетки предпочитают хранить ее в безопасном месте. По этой причине они копируют информацию из ДНК на короткие молекулы другого вещества, называемого РНК (рибонуклеиновая кислота). Если ДНК — это библиотечная книга, то РНК — это клочок бумаги с нацарапанным на нем ключевым отрывком. РНК похожа на ДНК, за исключением того, что имеет только одну цепь.

Наконец, процесс преобразования информации в этой цепи РНК в белок происходит в чрезвычайно сложной молекуле, называемой «рибосомой».

Этот процесс происходит в каждой живой клетке, даже в простейших бактериях. Это так же важно для жизни, как еда и дыхание. Любое объяснение происхождения жизни должно показать, как эта сложная троица — ДНК, РНК и рибосомный белок — возникла и начала работать.

Внезапно идеи Опарина и Холдейна показались наивно простыми, в то время как эксперимент Миллера, который производил только несколько аминокислот, используемых для создания белков, выглядел дилетантским. Его основополагающее исследование не только не привело нас к большей части пути к созданию жизни, но и было лишь первым шагом на долгом пути.

Идея о том, что жизнь началась с РНК, окажет огромное влияние.

«ДНК заставляет РНК производить белок, и все это в этом инкапсулированном липидом мешочке с химическими веществами», — говорит Джон Сазерленд. «Вы смотрите на это, и это просто« вау, это слишком сложно ». Как мы собираемся найти органическую химию, которая сделает все это за один присест?»

Первым, кто действительно взялся за дело, был британский химик по имени Лесли Оргел. Он был одним из первых, кто увидел модель ДНК Крика и Ватсона, а позже помогал НАСА с их программой «Викинг», которая отправляла на Марс роботизированные посадочные устройства.

Orgel решил упростить задачу. Написанный в 1968 году и поддержанный Криком, он предположил, что в первой жизни не было белков или ДНК. Вместо этого он почти полностью состоял из РНК. Чтобы это работало, эти первичные молекулы РНК должны были быть особенно универсальными. Во-первых, они должны были создавать копии самих себя, предположительно используя тот же механизм спаривания оснований, что и ДНК.

Идея о том, что жизнь началась с РНК, окажет огромное влияние. Но это также спровоцировало научную войну за сферы влияния, которая длится до наших дней.

Предполагая, что жизнь началась с РНК и чего-то еще, Оргель предполагал, что один важный аспект жизни — ее способность воспроизводить себя — появился раньше всех остальных. В некотором смысле он не просто предлагал, как впервые была устроена жизнь: он говорил что-то о том, что такое жизнь.

Ученые, изучающие происхождение жизни, разделились на лагеря

Многие биологи согласятся с идеей Оргеля «репликация в первую очередь». В теории эволюции Дарвина способность создавать потомство является абсолютно центральной: единственный способ «победить» организм — это оставить много детей.

Но есть и другие особенности жизни, которые кажутся не менее важными. Наиболее очевидным является метаболизм: способность извлекать энергию из окружающей среды и использовать ее для поддержания жизни. Для многих биологов метаболизм, должно быть, был изначальной определяющей чертой жизни, с появлением репликации позже.

Итак, начиная с 1960-х годов, ученые, изучающие происхождение жизни, разделились на лагеря.

«Основной поляризацией был метаболизм, а не генетика», — говорит Сазерленд.

Научные собрания по происхождению жизни часто были спорными делами

Между тем третья группа утверждала, что первое, что появилось, — это контейнер для ключевых молекул, чтобы они не улетали. «Компартментализация должна была быть на первом месте, потому что нет смысла заниматься метаболизмом, если вы не разделены», — говорит Сазерленд. Другими словами, должна быть клетка — как подчеркивали Опарин и Холдейн несколькими десятилетиями ранее — возможно, заключенная в мембрану из простых жиров и липидов.

Все три идеи приобрели приверженцев и сохранились до наших дней. Ученые стали страстно привержены своим любимым идеям, иногда даже слепо.

В результате научные встречи, посвященные происхождению жизни, часто носили непростой характер, и журналистам, освещающим эту тему, ученые из одного лагеря регулярно говорят, что идеи, исходящие из других лагерей, глупы или даже хуже.

Благодаря Оргелу идея о том, что жизнь началась с РНК и генетики, была очень ранней.Затем наступили 80-е годы, и произошло поразительное открытие, которое, казалось, в значительной степени подтвердило это.

Глава 3. Поиск первого репликатора

После 1960-х годов ученые, пытающиеся понять происхождение жизни, разделились на три группы. Некоторые были убеждены, что жизнь началась с образования примитивных версий биологических клеток. Другие считали, что ключевым первым шагом была метаболическая система, а третьи сосредоточили внимание на важности генетики и репликации.Эта последняя группа начала пытаться выяснить, как мог бы выглядеть этот первый репликатор, уделяя особое внимание идее, что он состоит из РНК.

Еще в 1960-х годах у ученых были основания полагать, что РНК является источником всей жизни.

В частности, РНК может делать то, чего не может ДНК. Это одноцепочечная молекула, поэтому в отличие от жесткой двухцепочечной ДНК она может складываться в различные формы.

Вы не смогли бы жить без ферментов

Сворачивание РНК, похожее на оригами, выглядело довольно похоже на поведение белков.Белки также в основном представляют собой длинные цепи, состоящие из аминокислот, а не нуклеотидов, и это позволяет им создавать сложные структуры.

Это ключ к удивительной способности белков. Некоторые из них могут ускорять или «катализировать» химические реакции. Эти белки известны как ферменты.

Многие ферменты находятся в кишечнике, где они расщепляют сложные молекулы пищи на простые, такие как сахара, которые могут использоваться вашими клетками. Вы не можете жить без ферментов.

У Лесли Оргела и Фрэнсиса Крика возникло подозрение. Если бы РНК могла складываться как белок, возможно, она могла бы образовывать ферменты. Если бы это было правдой, РНК могла бы быть исходной — и весьма универсальной — живой молекулой, хранящей информацию, как ДНК сейчас, и катализирующей реакции, как некоторые белки.

Это была отличная идея, но не было доказательств более десяти лет.

Томас Чех родился и вырос в Айове. В детстве он был очарован камнями и минералами. К тому времени, когда он учился в неполной средней школе, он посещал местный университет и стучался в двери геологов, прося показать модели минеральных структур.

Но в конце концов он стал биохимиком, сосредоточившись на РНК.

Теперь представление о том, что жизнь началась с РНК, выглядело многообещающим

В начале 1980-х годов Чех и его коллеги из Университета Колорадо в Боулдере изучали одноклеточный организм под названием Tetrahymena thermophila . Часть его клеточного аппарата включает цепи РНК. Чех обнаружил, что один конкретный участок РНК иногда отделяется от остальных, как если бы что-то вырезало его ножницами.

Когда команда удалила все ферменты и другие молекулы, которые могли действовать как молекулярные ножницы, РНК продолжала делать это. Они открыли первый фермент РНК: короткий кусок РНК, который мог вырезать себя из большей цепи, частью которой он был.

Чех опубликовал результаты в 1982 году. В следующем году другая группа обнаружила второй фермент РНК — или «рибозим», как его окрестили.

Обнаружение двух РНК-ферментов в быстрой последовательности показало, что их гораздо больше.Идея о том, что жизнь началась с РНК, выглядела многообещающей.

Узнайте больше о РНК из этого видео:

Имя этой идее дал Уолтер Гилберт из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс. Физик, увлекшийся молекулярной биологией, Гилберт также был одним из первых сторонников секвенирования генома человека.

Мир РНК — это элегантный способ создать сложную жизнь с нуля

Написав в 1986 году на языке Nature , Гилберт предположил, что жизнь началась в «Мире РНК».

Первая стадия эволюции, утверждал Гилберт, состояла из «молекул РНК, выполняющих каталитическую активность, необходимую для сборки себя из нуклеотидного супа». Нарезая и склеивая вместе разные кусочки РНК, молекулы РНК могут создавать еще более полезные последовательности. В конце концов они нашли способ производить белки и белковые ферменты, которые оказались настолько полезными, что в значительной степени вытеснили версии РНК и дали начало жизни в том виде, в каком мы ее понимаем сегодня.

The RNA World — это элегантный способ создать сложную жизнь с нуля.Вместо того, чтобы полагаться на одновременное образование десятков биологических молекул из изначального супа, одна универсальная молекула могла выполнять работу всех из них.

В 2000 году гипотеза мира РНК получила убедительные доказательства.

Томас Стейтц 30 лет изучал структуру молекул в живых клетках. В 1990-х он взял на себя самую большую задачу: выяснить структуру рибосомы.

Тот факт, что эта важная машина была основана на РНК, сделало мир РНК еще более правдоподобным.

Каждая живая клетка имеет рибосому.Эта огромная молекула считывает инструкции с РНК и связывает аминокислоты в цепочки для образования белков. Рибосомы в ваших клетках составляют большую часть вашего тела.

Известно, что рибосома содержит РНК. Но в 2000 году команда Стейтца создала подробное изображение структуры рибосомы, которое показало, что РНК является каталитическим ядром рибосомы.

Это было критически важно, потому что рибосома настолько важна для жизни и настолько древняя. Тот факт, что эта важная машина была основана на РНК, сделало мир РНК еще более правдоподобным.

Сторонники RNA World были в восторге от открытия, и в 2009 году Стейтц получит долю Нобелевской премии. Но с тех пор сомнения вернулись.

С самого начала у идеи мира РНК было две проблемы. Может ли РНК действительно выполнять все функции жизни сама по себе? И могло ли оно образоваться на ранней Земле?

Они намеревались создать самовоспроизводящуюся РНК для себя

Прошло 30 лет с тех пор, как Гилберт заложил основу для мира РНК, и у нас до сих пор нет убедительных доказательств того, что РНК может делать все то, что теория требует от него.Это удобная маленькая молекула, но может оказаться недостаточно удобной.

Выдалось одно задание. Если жизнь началась с молекулы РНК, эта РНК должна была иметь возможность копировать себя: она должна была самовоспроизводиться.

Но ни одна из известных РНК не может самовоспроизводиться. Не может и ДНК. Требуется батальон ферментов и других молекул, чтобы создать точную копию фрагмента РНК или ДНК.

Итак, в конце 1980-х несколько биологов начали довольно-таки донкихотские поиски. Они решили создать самовоспроизводящуюся РНК.

Джек Шостак из Гарвардской медицинской школы был одним из первых, кто принял участие. В детстве он так увлекался химией, что у него в подвале была лаборатория. Совершенно пренебрегая собственной безопасностью, он однажды устроил взрыв, в результате которого стеклянная трубка вонзилась в потолок.

Они показали, что ферменты РНК могут быть действительно мощными

В начале 1980-х годов Шостак помог показать, как наши гены защищают себя от процесса старения. Это раннее исследование в конечном итоге принесло ему долю Нобелевской премии.

Но вскоре он был очарован ферментами РНК Чеха. «Я думал, что эта работа была действительно классной», — говорит он. «В принципе, у РНК может быть возможность катализировать собственную репликацию».

В 1988 году Чех обнаружил фермент РНК, который мог строить короткую молекулу РНК длиной около 10 нуклеотидов. Шостак намеревался улучшить открытие путем разработки новых ферментов РНК в лаборатории. Его команда создала пул случайных последовательностей и проверила их, чтобы увидеть, какие из них проявляют каталитическую активность.Затем они взяли эти последовательности, настроили их и снова протестировали.

После 10 раундов этого процесса Шостак произвел фермент РНК, который заставил реакцию идти в семь миллионов раз быстрее, чем это было бы естественно. Они показали, что ферменты РНК могут быть действительно мощными. Но их фермент не мог сам себя копировать, даже близко. Шостак ударился о стену.

Следующим крупным достижением стал в 2001 году бывший студент Шостака Дэвид Бартель из Массачусетского технологического института в Кембридже.Бартел создал фермент РНК под названием R18, который мог добавлять новые нуклеотиды к цепи РНК на основе существующей матрицы. Другими словами, это было не просто добавление случайных нуклеотидов: это было правильное копирование последовательности.

Это все еще не самовоспроизводящийся, но приближается к нему. R18 состоял из цепочки из 189 нуклеотидов и мог надежно добавлять 11 нуклеотидов к цепи: 6% от его собственной длины. Была надежда, что несколько настроек позволят ему сделать цепь длиной 189 нуклеотидов — такой же, как она сама.

РНК, похоже, не годится для запуска жизни

Лучшая попытка была предпринята в 2011 году Филиппом Холлигером из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже, Великобритания. Его команда создала модифицированный R18 под названием tC19Z, который копирует последовательности длиной до 95 нуклеотидов. Это 48% от собственной длины: больше R18, но не необходимые 100%.

Альтернативный подход был предложен Джеральдом Джойсом и Трейси Линкольн из Исследовательского института Скриппса в Ла-Хойе, Калифорния.В 2009 году они создали фермент РНК, который косвенно воспроизводит себя.

Их фермент соединяет два коротких фрагмента РНК, чтобы создать второй фермент. Затем он соединяет вместе еще две части РНК, чтобы воссоздать исходный фермент.

Этот простой цикл можно продолжать бесконечно, учитывая сырье. Но ферменты работали, только если им были даны правильные цепи РНК, которые должны были создать Джойс и Линкольн.

Для многих ученых, которые скептически относятся к миру РНК, отсутствие самовоспроизводящейся РНК является фатальной проблемой для этой идеи.Похоже, что РНК не годится для запуска жизни.

Возможно, на ранней Земле существовал какой-то другой тип молекулы.

Дело также было ослаблено неспособностью химиков создать РНК с нуля. По сравнению с ДНК это выглядит как простая молекула, но оказалось, что сделать РНК чрезвычайно сложно.

Проблема в сахаре и основании, из которых состоит каждый нуклеотид. Можно сделать каждый из них в отдельности, но два упорно отказываются связывать друг с другом.

Эта проблема прояснилась уже к началу 1990-х годов. Это оставило многих биологов острым подозрением, что гипотеза мира РНК, хотя и ясна, не может быть совершенно верной.

Вместо этого, возможно, на ранней Земле существовал какой-то другой тип молекулы: что-то более простое, чем РНК, которая действительно могла собраться из первичного бульона и начать самовоспроизведение. Это могло произойти сначала, а затем привело к РНК, ДНК и прочему.

В 1991 году Питер Нильсен из Копенгагенского университета в Дании выдвинул кандидата на роль первичного репликатора.

По сути, это была сильно модифицированная версия ДНК. Нильсен сохранил основания такими же — придерживаясь A, T, C и G, обнаруженных в ДНК, — но сделал основу из молекул, называемых полиамидами, вместо сахаров, обнаруженных в ДНК. Он назвал новую молекулу полиамидной нуклеиновой кислоты, или PNA. Как ни странно, с тех пор она стала известна как пептидная нуклеиновая кислота.

ПНК, в отличие от РНК, могла легко образоваться на ранней Земле.

ПНК никогда не встречалась в природе.Но он во многом похож на ДНК. Нить ПНК может даже заменить одну из нитей в молекуле ДНК, при этом комплементарные основания образуют пары как обычно. Более того, ПНК может свернуться в двойную спираль, как и ДНК.

Стэнли Миллер был заинтригован. Глубоко скептически относясь к миру РНК, он подозревал, что ПНК была более вероятным кандидатом на роль первого генетического материала.

В 2000 году он представил неопровержимые доказательства. К тому времени ему было 70 лет, и он только что перенес первый в серии изнурительных инсультов, из-за которых он в конечном итоге оказался в доме престарелых, но он еще не закончил.Он повторил свой классический эксперимент, который мы обсуждали в первой главе, на этот раз с использованием метана, азота, аммиака и воды — и получил полиамидную основу PNA.

Это говорит о том, что ПНК, в отличие от РНК, могла легко образоваться на ранней Земле.

Другие химики придумали свои собственные альтернативные нуклеиновые кислоты.

У каждой из этих альтернативных нуклеиновых кислот есть свои сторонники: обычно это человек, который ее создал.

В 2000 году Альберт Эшенмозер создал нуклеиновую кислоту треозы (TNA).По сути, это ДНК, но с другим сахаром в основе. Нити ТНК могут соединяться в пары, образуя двойную спираль, и информация может копироваться туда и обратно между РНК и ТНК.

Более того, TNA может складываться в сложные формы и даже связываться с белком. Это намекает на то, что ТНК может действовать как фермент, как и РНК.

Точно так же в 2005 году Эрик Меггерс создал нуклеиновую кислоту гликоля, которая может образовывать спиральные структуры.

У каждой из этих альтернативных нуклеиновых кислот есть сторонники: обычно это человек, который ее создал.Но в природе их нет и следа, поэтому, если первая жизнь действительно их использовала, в какой-то момент она должна была полностью отказаться от них в пользу РНК и ДНК. Это может быть правдой, но нет никаких доказательств.

Все это означало, что к середине 2000-х сторонники Мира РНК оказались в затруднительном положении.

Мир РНК, каким бы аккуратным он ни был, не мог быть всей правдой

С одной стороны, ферменты РНК существовали, и они включали в себя одну из самых важных частей биологического механизма — рибосому.Это было хорошо.

Но самовоспроизводящейся РНК не было обнаружено, и никто не мог понять, как РНК образуется в первичном бульоне. Альтернативные нуклеиновые кислоты могли бы решить последнюю проблему, но не было никаких доказательств того, что они когда-либо существовали в природе. Это было не так хорошо.

Очевидный вывод заключался в том, что мир РНК, каким бы аккуратным он ни был, не мог быть всей правдой.

Между тем конкурирующая теория неуклонно набирала обороты с 1980-х годов. Его сторонники утверждают, что жизнь началась не с РНК, ДНК или любого другого генетического вещества.Вместо этого это началось как механизм использования энергии.

Глава 4. Сила протонов

Мы видели во второй главе, как ученые разделились на три школы мысли о том, как зародилась жизнь. Одна группа была убеждена, что жизнь началась с молекулы РНК, но они изо всех сил пытались понять, как РНК или подобные молекулы могли спонтанно образоваться на ранней Земле, а затем сделать копии самих себя. Поначалу их усилия были захватывающими, но в конечном итоге разочаровывающими.Однако даже в то время, когда это исследование продвигалось, были и другие исследователи происхождения жизни, которые были уверены, что жизнь началась совершенно по-другому.

Теория мира РНК основана на простой идее: самое важное, что может сделать живой организм, — это воспроизвести себя. С этим согласятся многие биологи. Все живые существа, от бактерий до синих китов, стремятся к потомству.

Вехтерсхойзер предположил, что первые организмы «радикально отличались от всего, что мы знаем»

Однако многие исследователи происхождения жизни не верят, что воспроизводство является действительно фундаментальным фактором.Они говорят, что прежде чем организм сможет воспроизводиться, он должен быть самоподдерживающимся. Он должен оставаться в живых. В конце концов, у вас не может быть детей, если вы умрете первым.

Мы сохраняем жизнь за счет еды, а зеленые растения — за счет извлечения энергии из солнечного света. Возможно, вы не думаете, что человек, откусивший сочный стейк, очень похож на лиственный дуб, но когда вы сразу перейдете к нему, оба начнут поглощать энергию.

Этот процесс называется метаболизмом. Во-первых, вы должны получить энергию; скажем, из богатых энергией химических веществ, таких как сахар.Затем вы должны использовать эту энергию для создания полезных вещей, таких как клетки.

Этот процесс использования энергии настолько важен, что многие исследователи полагают, что это было первое, что когда-либо делала жизнь.

Как могли бы выглядеть эти организмы, работающие только с метаболизмом? Одно из самых важных предложений было выдвинуто в конце 80-х годов Гюнтером Вехтерсхойзером. Он был не штатным ученым, а скорее патентным юристом с химическим образованием.

Wächtershäuser предположил, что первые организмы «разительно отличались от всего, что мы знаем».Они не были из клеток. У них не было ферментов, ДНК или РНК.

Все остальные составляющие современных организмов, такие как ДНК, клетки и мозг, появились позже.

Вместо этого Вехтершойзер представил поток горячей воды, вытекающий из вулкана. Вода была богата вулканическими газами, такими как аммиак, и содержала следы минералов из сердца вулкана.

Там, где вода стекала по скалам, начались химические реакции. В частности, металлы из воды помогли простым органическим соединениям превратиться в более крупные.

Переломным моментом стало создание первого метаболического цикла. Это процесс, в котором одно химическое вещество преобразуется в ряд других химикатов, пока, в конце концов, не будет воссоздано исходное химическое вещество. При этом вся система потребляет энергию, которую можно использовать для перезапуска цикла — и для начала выполнения других задач.

Метаболические циклы могут показаться не похожими на жизнь, но они фундаментальны для жизни

Все остальные составляющие современных организмов — такие как ДНК, клетки и мозг — появились позже, на основе этих химических циклов.

Эти метаболические циклы не очень похожи на жизнь. Вехтерсхойзер назвал свои изобретения «организмами-предшественниками» и написал, что их «едва ли можно назвать живыми».

Но метаболические циклы, подобные тем, которые описал Wächtershäuser, лежат в основе каждого живого существа. Ваши клетки — это микроскопические химические перерабатывающие предприятия, которые постоянно превращают одно химическое вещество в другое. Метаболические циклы могут показаться не похожими на жизнь, но они имеют фундаментальное значение для жизни.

В течение 1980-х и 1990-х годов Вехтерсхойзер разработал свою теорию довольно подробно.Он обрисовал в общих чертах, какие минералы подходят для лучших поверхностей и какие химические циклы могут иметь место. Его идеи начали привлекать сторонников.

Но это все еще было теоретически. Вехтерсхойзер нуждался в открытии из реального мира, подтверждающем его идеи. К счастью, это уже было сделано — десятью годами ранее.

В 1977 году группа под руководством Джека Корлисса из Университета штата Орегон совершила погружение на глубину 1,5 мили (2,5 км) в восточную часть Тихого океана. Они обследовали горячую точку Галапагосских островов, где высокие горные хребты возвышаются над морским дном.Они знали, что хребты вулканически активны.

Каждое вентиляционное отверстие было своего рода изначальным диспенсером для супа.

Корлисс обнаружил, что гребни были испещрены, по сути, горячими источниками. Горячая вода, богатая химическими веществами, поднималась из-под морского дна и выкачивалась через отверстия в скалах.

Удивительно, но эти «гидротермальные жерла» были густо заселены странными животными. Были огромные моллюски, блюдца, мидии и трубочники. Вода также была насыщена бактериями.Все эти организмы питались энергией из гидротермальных источников.

Открытие гидротермальных жерл сделало имя Корлисса. Это также заставило его задуматься. В 1981 году он предположил, что подобные жерла существовали на Земле четыре миллиарда лет назад и что они были местом зарождения жизни. Он потратит большую часть остальной части своей карьеры, работая над этой идеей.

Корлисс предположил, что гидротермальные источники могут создавать коктейли из химикатов. Он сказал, что каждое вентиляционное отверстие было своего рода изначальным диспенсером для супа.

Ключевые соединения, такие как сахара, «выживут… в течение нескольких секунд»

По мере того, как горячая вода протекала сквозь камни, тепло и давление заставляли простые органические соединения сливаться в более сложные, такие как аминокислоты, нуклеотиды и сахара. Ближе к границе с океаном, где вода была не такой горячей, они начали связываться в цепочки, образуя углеводы, белки и нуклеотиды, такие как ДНК. Затем, когда вода приблизилась к океану и еще больше остыла, эти молекулы собрались в простые клетки.

Это было аккуратно и привлекло внимание людей. Но Стэнли Миллер, чей экспериментальный эксперимент с происхождением жизни мы обсуждали в первой главе, не убедил его. В 1988 году он утверждал, что вентиляционные отверстия слишком горячие.

Хотя сильная жара может вызвать образование таких химических веществ, как аминокислоты, эксперименты Миллера показали, что она также разрушит их. Ключевые соединения, такие как сахар, «выжили бы… самое большее секунды». Более того, эти простые молекулы вряд ли соединятся в цепочки, потому что окружающая вода разорвет цепочки почти сразу.

Тут в бой вступил геолог Майк Рассел. Он думал, что теорию вентиляции можно заставить работать. Более того, ему казалось, что вентиляционные отверстия были идеальным домом для организмов-предшественников Wächtershäuser. Это вдохновение привело его к созданию одной из наиболее широко признанных теорий происхождения жизни.

Если Рассел был прав, жизнь зародилась на дне моря

Рассел провел свои ранние годы, занимаясь производством аспирина, разведкой ценных минералов и — в одном примечательном инциденте в 1960-х годах — координацией реакции на возможное вулканическое воздействие. высыпание, несмотря на отсутствие тренировок.Но его настоящий интерес заключался в том, как поверхность Земли менялась за эоны. Эта геологическая перспектива сформировала его представления о происхождении жизни.

В 1980-х годах он нашел ископаемые свидетельства менее экстремального типа гидротермального источника, где температура была ниже 150 ° C. Он утверждал, что такие более мягкие температуры позволят молекулам жизни выжить гораздо дольше, чем предполагал Миллер.

Более того, в окаменелостях этих вентиляционных отверстий было что-то странное.Минерал под названием пирит, состоящий из железа и серы, образовал трубки диаметром около 1 мм.

В своей лаборатории Рассел обнаружил, что пирит также может образовывать сферические капли. Он предположил, что первые сложные органические молекулы образовались внутри этих простых структур пирита.

Примерно в это же время Вехтерсхойзер начал публиковать свои идеи, основанные на потоке горячей, богатой химическими веществами воды, текущей по минералу. Он даже предположил, что речь идет о пирите.

Его идея основывалась на работе одного из забытых гениев современной науки

Итак, Рассел сложил два и два.Он предположил, что гидротермальные источники в глубоком море, достаточно прохладные для образования структур пирита, являются местом обитания организмов-предшественников Вехтершойзера. Если Рассел был прав, жизнь зародилась на дне моря — и сначала появился метаболизм.

Рассел изложил все это в статье, опубликованной в 1993 году, через 40 лет после классического эксперимента Миллера. Это не получило такого же восторженного освещения в СМИ, но, возможно, было важнее. Рассел объединил две, казалось бы, отдельные идеи — метаболические циклы Вехтерсхойзера и гидротермальные источники Корлисса — во что-то действительно убедительное.

Чтобы сделать это еще более впечатляющим, Рассел также предложил объяснение того, как первые организмы получали свою энергию. Другими словами, он выяснил, как мог работать их метаболизм. Его идея опиралась на работы одного из забытых гениев современной науки.

В 1960-х биохимик Питер Митчелл заболел и был вынужден уйти из Эдинбургского университета. Вместо этого он создал частную лабораторию в удаленном особняке в Корнуолле. Изолированный от научного сообщества, его работа частично финансировалась стадом дойных коров.Многие биохимики, в том числе поначалу Лесли Оргел, чьи работы по РНК мы обсуждали во второй главе, считали его идеи совершенно нелепыми.

Теперь мы знаем, что процесс, идентифицированный Митчеллом, используется всеми живыми существами на Земле

Менее чем через два десятилетия Митчелл добился окончательной победы: Нобелевской премии по химии 1978 года. Его имя никогда не было нарицательным, но его идеи есть в каждом учебнике биологии.

Митчелл провел свою карьеру, выясняя, что организмы делают с энергией, которую они получают из пищи.Фактически, он спрашивал, как все мы живем от момента к моменту.

Он знал, что все клетки хранят свою энергию в одной и той же молекуле: аденозинтрифосфате (АТФ). Решающим моментом является цепочка из трех фосфатов, прикрепленных к аденозину. Добавление третьего фосфата требует много энергии, которая затем блокируется в АТФ.

Когда клетке нужна энергия — скажем, если мышце нужно сокращаться — она отщепляет третий фосфат от АТФ. Это превращает его в аденозиндифосфат (АДФ) и высвобождает накопленную энергию.

Его имя никогда не было нарицательным.

Митчелл хотел узнать, как именно клетки производят АТФ. Как они сконцентрировали достаточно энергии на АДФ, чтобы прикрепился третий фосфат?

Митчелл знал, что фермент, производящий АТФ, находится на мембране. Поэтому он предположил, что клетка перекачивает заряженные частицы, называемые протонами, через мембрану, так что протонов было много с одной стороны и почти не было — с другой.

Протоны затем попытались бы течь обратно через мембрану, чтобы уравновесить количество протонов с каждой стороны, но единственное место, через которое они могли пройти, — это фермент.Проходящий поток протонов давал ферменту энергию, необходимую для производства АТФ.

Посмотрите, как клетки используют энергию в этом видео:

Митчелл впервые высказал эту идею в 1961 году. Он провел следующие 15 лет, защищая ее от всех желающих, пока доказательства не стали неопровержимыми. Теперь мы знаем, что процесс, идентифицированный Митчеллом, используется всеми живыми существами на Земле. Это происходит прямо сейчас внутри ваших клеток. Как и ДНК, она имеет фундаментальное значение для жизни, какой мы ее знаем.

Вентиляционные отверстия Корлисса не годятся

Ключевой момент, который понял Рассел, — это градиент протонов Митчелла: наличие большого количества протонов на одной стороне мембраны и нескольких — на другой.Всем клеткам нужен протонный градиент для хранения энергии.

Современные клетки создают градиенты, перекачивая протоны через мембрану, но при этом задействован сложный молекулярный механизм, который не мог просто возникнуть. Итак, Рассел сделал еще один логический скачок: жизнь должна была образоваться где-то с естественным протонным градиентом.

Где-то вроде гидротермального источника. Но это должен быть особый тип вентиляции. Когда Земля была молодой, моря были кислыми, а в кислой воде было много протонов, плавающих внутри.Чтобы создать протонный градиент, вода из вентиляционного отверстия должна быть с низким содержанием протонов: она должна быть щелочной.

Вентиляционные отверстия Корлисса не подходят. Они были не только слишком горячими, но и кислыми. Но в 2000 году Дебора Келли из Вашингтонского университета открыла первые щелочные вентили.

Келли пришлось сражаться, чтобы стать ученым. Ее отец умер, когда она заканчивала среднюю школу, и ей пришлось много работать, чтобы прокормить себя до учебы в колледже.

Он убедился, что жерла, подобные тем, что в Затерянном городе, были тем местом, где зародилась жизнь

Но ей это удалось, и она была очарована как подводными вулканами, так и обжигающими горячими гидротермальными жерлами. Эта любовь близнецов в конечном итоге привела ее к середине Атлантического океана. Там земная кора разрывается, и из морского дна поднимается горный хребет.

На этом хребте Келли нашла поле гидротермальных жерл, которое она назвала «Затерянным городом». Они не такие, как те, что нашел Корлисс.Температура воды, вытекающей из них, составляет всего 40-75 ° C, и она слабощелочная. Карбонатные минералы из этой воды собрались в крутые белые «дымоходы», которые поднимаются со дна моря, как органные трубы. Их внешний вид жутковат и похож на призраков, но это обманчиво: они являются домом для плотных сообществ микроорганизмов, которые процветают в вытяжной воде.

Эти щелочные вентили идеально подходили для идей Рассела. Он убедился, что в вентиляционных каналах, подобных тем, что в Затерянном городе, началась жизнь.

Но у него была проблема.Будучи геологом, он недостаточно знал о биологических клетках, чтобы сделать свою теорию действительно убедительной.

Итак, Рассел объединился с биологом Уильямом Мартином, драчливым американцем, который большую часть своей карьеры провел в Германии. В 2003 году пара представила улучшенную версию более ранних идей Рассела. Это, пожалуй, самая конкретная история о том, как началась жизнь.

Эта история теперь рассматривается как одна из главных гипотез происхождения жизни

Благодаря Келли они теперь знали, что камни щелочных отверстий были пористыми: они были покрыты крошечными отверстиями, заполненными водой.Они предположили, что эти маленькие карманы действуют как «клетки». Каждый карман содержал необходимые химические вещества, включая такие минералы, как пирит. В сочетании с естественным протонным градиентом из вентиляции они были идеальным местом для начала метаболизма.

По словам Рассела и Мартина, как только жизнь использовала химическую энергию вытяжной воды, она начала создавать молекулы, подобные РНК. В конце концов он создал свою собственную мембрану и превратился в настоящую клетку, вырвавшись из пористой породы в открытую воду.

Эта история сейчас считается одной из главных гипотез происхождения жизни.

Это нашло мощную поддержку в июле 2016 года, когда Мартин опубликовал исследование, реконструировавшее некоторые особенности «последнего универсального общего предка» (LUCA). Это организм, который жил миллиарды лет назад и от которого произошла вся существующая жизнь.

Сторонники RNA World говорят, что у теории вентиляции есть две проблемы

Мы, вероятно, никогда не найдем прямых ископаемых свидетельств LUCA, но мы все же можем сделать обоснованное предположение о том, как он мог выглядеть и вести себя, глядя на микроорганизмы, которые выжить сегодня.Это то, что сделал Мартин.

Он исследовал ДНК 1930 современных микроорганизмов и идентифицировал 355 генов, которые были почти у всех из них. Это, возможно, является доказательством того, что эти 355 генов передавались из поколения в поколение с тех пор, как эти 1930 микробов имели общего предка — примерно в то время, когда LUCA была жива.

Среди этих 355 генов были некоторые для использования протонного градиента, но не гены для его генерации — в точности, как предсказывали теории Рассела и Мартина.Более того, похоже, что LUCA адаптирована к присутствию химических веществ, таких как метан, что позволяет предположить, что он населял вулканически активную среду — например, вентиляционное отверстие.

Несмотря на это, сторонники RNA World говорят, что у теории вентиляции есть две проблемы. Одно потенциально могло быть исправлено: другое могло быть фатальным.

Первая проблема состоит в том, что нет экспериментальных свидетельств описываемых Расселом и Мартином процессов. У них есть пошаговая история, но ни один из шагов не был замечен в лаборатории.

«Люди, которые думают, что репликация была первой, они постоянно предоставляют новые экспериментальные данные», — говорит эксперт по происхождению жизни Армен Мулкиджанян. «Люди, которые предпочитают метаболизм в первую очередь, этого не делают».

Химический состав всех этих молекул несовместим с водой

Это может измениться благодаря коллеге Мартина Нику Лейну из Университетского колледжа Лондона. Он построил «реактор происхождения жизни», который будет имитировать условия внутри щелочной вентиляции. Он надеется наблюдать метаболические циклы и, возможно, даже такие молекулы, как РНК.Но это еще не все.

Вторая проблема — расположение жерл в глубоком море. Как указал Миллер в 1988 году, длинноцепочечные молекулы, такие как РНК и белки, не могут образовываться в воде без ферментов, которые им помогают.

Для многих исследователей это несостоятельный аргумент. «Если у вас есть химический опыт, вы не можете купить идею глубоководных жерл, потому что вы знаете, что химический состав всех этих молекул несовместим с водой», — говорит Мулкиджанян.

Несмотря на это, Рассел и его союзники остаются оптимистичными.

Но в последнее десятилетие на первый план вышел третий подход, подкрепленный серией необычных экспериментов. Это обещает то, что до сих пор не удалось ни миру РНК, ни гидротермальные источники: способ создать целую клетку с нуля.

Глава 5. Как сделать ячейку

К началу 2000-х годов существовало две основные идеи о том, как могла возникнуть жизнь. Сторонники «Мира РНК» были убеждены, что жизнь началась с самовоспроизводящейся молекулы.Тем временем ученые из лагеря «прежде всего метаболизм» разработали подробный рассказ о том, как жизнь могла зародиться в гидротермальных жерлах в глубоком море. Однако вот-вот выдвинулась третья идея.

Все живое на Земле состоит из клеток. Каждая клетка представляет собой мягкий шарик с жесткой внешней стенкой или «мембраной».

Смысл клетки — хранить вместе все необходимое для жизни. Если внешняя стенка разрывается, кишки выплескиваются наружу, и клетка умирает — точно так же, как человеку, которому выпотрошили кишки, обычно не остается долго жить.

В жару и бурю ранней Земли некоторые сырьевые материалы должны были собраться в грубые клетки

Внешняя стенка клетки настолько важна, что некоторые исследователи происхождения жизни утверждают, что это, должно быть, первое, что возникло. Они считают, что попытки «прежде всего генетика», обсуждаемые в третьей главе, и идеи «прежде всего метаболизм», обсуждаемые в четвертой главе, ошибочны. Их альтернатива — «сначала разделение» — имеет своего чемпиона Пьера Луиджи Луизи из Университета Рома Тре в Риме, Италия.

Рассуждения Луизи просты, и с ними трудно спорить. Как вы могли бы настроить рабочий метаболизм или самовоспроизводящуюся РНК, каждая из которых зависит от наличия большого количества химических веществ в одном месте, если у вас сначала нет контейнера для хранения всех молекул?

Если вы согласитесь с этим, жизнь могла начаться только одним способом. Каким-то образом в жару и бурю ранней Земли некоторые виды сырья должны были собраться в сырые клетки или «протоклетки». Задача состоит в том, чтобы сделать это в лаборатории: создать простую живую клетку.

Луизи может проследить свои идеи вплоть до Александра Опарина и зарождения науки о происхождении жизни в СССР, что обсуждается в первой главе. Опарин подчеркнул тот факт, что некоторые химические вещества образуют капли, называемые коацерватами, которые могут удерживать другие вещества в своих ядрах. Он предположил, что эти коацерваты были первыми протоклетками.

Задача заключалась в том, чтобы сделать протоклетки только из подходящего материала.

Любое жирное или маслянистое вещество будет образовывать капли или пленки в воде.Эти химические вещества в совокупности известны как липиды, и идея о том, что они сформировали первую жизнь, получила название «липидный мир».

Но просто формировать капли недостаточно. Капли должны быть стабильными, они должны иметь возможность делиться, образуя «дочерние» капли, и им нужен хотя бы некоторый контроль над тем, что перемещается в них и из них — и все это без сложных белков, которые современные клетки используют для достижения этих целей. .

Задача заключалась в том, чтобы сделать протоклетки только из нужного материала.Несмотря на то, что Луизи испробовал множество веществ за десятилетия, ему так и не удалось сделать ничего достаточно реалистичного, чтобы быть убедительным.

Затем в 1994 году Луизи сделал смелое предложение. Он предположил, что первые протоклетки должны были содержать РНК. Более того, эта РНК должна была реплицироваться внутри протоклетки.

Мы встречались на встречах по происхождению и обсуждали эти длинные споры.

Это был большой вопрос, и это означало отказ от подхода, основанного на чистом разделении.Но у Луизи были веские причины.

Клетка с внешней стенкой, но без генов внутри, не могла ничего сделать. Он мог бы делиться на дочерние клетки, но не мог передавать какую-либо информацию о себе своему потомству. Он мог бы начать развиваться и усложняться, только если бы содержал какие-то гены.

Эта идея скоро получит решающую поддержку в лице Джека Шостака, чью работу над гипотезой мира РНК мы исследовали в третьей главе. В то время как Луизи был членом лагеря, ориентированного на компартментализацию, Шостак поддерживал приоритетность генетики, поэтому в течение многих лет они не встречались лицом к лицу.

«Мы встречались на встречах по происхождению и обсуждали долгие споры о том, что важнее, а что первым», — вспоминает Шостак. «В конце концов мы поняли, что в клетках есть и то, и другое. Мы пришли к консенсусу, что для происхождения жизни критически важно иметь как компартментализацию, так и генетическую систему».

Шостак и двое его коллег объявили о большом успехе

В 2001 году Шостак и Луизи изложили свои аргументы в пользу этого более унифицированного подхода. В статье Nature они утверждали, что должно быть возможно создавать простые живые клетки с нуля, размещая реплицирующиеся РНК в простом жирном пятне.

Это была драматическая идея, и вскоре Шостак решил вложить деньги туда, где ему было нужно. Рассуждая, что «мы не можем выдвинуть эту теорию без каких-либо подтверждений», он решил начать эксперименты с протоклетками.

Два года спустя Шостак и двое его коллег объявили о большом успехе.

Они экспериментировали с пузырьками: сферическими каплями, с двумя слоями жирных кислот снаружи и центральной жидкостью.

Монтмориллонит и подобные ему глины могут иметь важное значение в происхождении жизни

Пытаясь найти способ ускорить создание пузырьков, они добавили маленькие частицы разновидности глины, называемой монтмориллонитом.

Это заставило пузырьки формироваться в 100 раз быстрее. Поверхность глины действовала как катализатор, как и фермент.

Более того, везикулы могут поглощать как частицы монтмориллонита, так и нити РНК с поверхности глины. Эти протоклетки теперь содержали гены и катализатор, все из одной простой установки.

Решение о добавлении монтмориллонита было принято не случайно. Несколько десятилетий работы показали, что монтмориллонит и подобные ему глины могут играть важную роль в происхождении жизни.

Монтмориллонит — обычная глина. В настоящее время его используют для самых разных целей, в том числе для изготовления наполнителя для кошачьих туалетов. Он образуется, когда вулканический пепел разрушается погодой. Поскольку на ранней Земле было много вулканов, вполне вероятно, что монтмориллонита было в изобилии.

Еще в 1986 году химик Джеймс Феррис показал, что монтмориллонит является катализатором, который помогает формированию органических молекул. Позже он обнаружил, что он также ускоряет образование малых РНК.

Это заставило Ферриса предположить, что эта невзрачная глина была местом зарождения жизни.Шостак взял эту идею и реализовал ее, используя монтмориллонит для создания своих протоклеток.

Если протоклетки могли расти, возможно, они также могли бы делиться

Год спустя команда Шостака обнаружила, что их протоклетки могут расти сами по себе.

По мере того, как все больше молекул РНК упаковывалось в протоклетку, внешняя стенка испытывала растущее напряжение. Как будто протоклетка набита желудком и может лопнуть.

Для компенсации протоклетка собрала больше жирных кислот и включила их в свою стенку, что позволило ей набухнуть до большего размера и ослабить напряжение.

Что особенно важно, он взял жирные кислоты из других протоклеток, которые содержали меньше РНК, что привело к их сокращению. Это означало, что протоклетки конкурировали, а те, у которых было больше РНК, побеждали.

Это наводило на мысль о более впечатляющем. Если протоклетки могли расти, возможно, они также могли бы делиться. Могут ли протоклетки Шостака воспроизводиться?

Первые эксперименты Шостака показали способ деления протоклеток. Выдавливание их через маленькие отверстия вытягивало их в трубочки, которые затем распадались на «дочерние» протоклетки.

Протоклетки росли и меняли форму, вытягиваясь в длинные, похожие на веревки нити

Это было аккуратно, потому что не задействовался клеточный механизм: просто приложение давления. Но это не было отличным решением, потому что протоклетки потеряли часть своего содержимого в процессе. Это также означало, что первые клетки могли делиться только в том случае, если их проталкивали через крошечные отверстия.

Есть много способов заставить везикулы делиться: например, добавление сильного потока воды, создающего силу сдвига.Хитрость заключалась в том, чтобы заставить протоклетки делиться, не разрывая кишки.

В 2009 году Шостак и его ученик Тин Чжу нашли решение. Они сделали несколько более сложные протоклетки с несколькими концентрическими внешними стенками, немного похожими на слои луковицы. Несмотря на свою сложность, эти протоклетки все же было легко изготовить.

По мере того, как Чжу кормил их все большим количеством жирных кислот, протоклетки росли и меняли форму, превращаясь в длинные, похожие на веревку нити. Как только протоклетка становится достаточно длинной, небольшого усилия сдвига становится достаточно, чтобы разбить ее на десятки маленьких дочерних протоклеток.

Каждая дочерняя протоклетка содержала РНК от родительской протоклетки, и почти любая РНК была потеряна. Более того, протоклетки могут повторять цикл многократно, при этом дочерние протоклетки растут, а затем делятся сами.

В более поздних экспериментах Чжу и Шостак нашли еще больше способов убедить протоклетки разделиться. По крайней мере, этот аспект проблемы вроде бы решен.

Однако протоклетки все еще недостаточно работали. Луизи хотел, чтобы протоклетки содержали реплицирующуюся РНК, но до сих пор РНК просто сидела в них и ничего не делала.

В этих пыльных бумагах были спрятаны ценные ключи.

Чтобы действительно показать, что его протоклетки могли быть первой жизнью на Земле, Шостаку нужно было убедить РНК внутри них воспроизвести себя.

Это будет нелегко, потому что, несмотря на десятилетия попыток, описанных в главе 3, никому не удалось создать РНК, которая могла бы самовоспроизводиться. Это была та самая проблема, которая загнала Шостака в тупик в его ранней работе над «Миром РНК», и которую никому другому не удалось решить.

Итак, он вернулся и перечитал работу Лесли Оргела, который так долго работал над гипотезой мира РНК. В этих пыльных бумагах были спрятаны ценные улики.

Оргел провел много 1970-х и 1980-х годов, изучая, как копируются цепи РНК.

Так могла первая жизнь копировать свои гены

По сути, это просто. Возьмите одну цепь РНК и пул свободных нуклеотидов. Затем используйте эти нуклеотиды для сборки второй цепи РНК, комплементарной первой.

Например, цепь РНК, которая читается как «CGC», будет давать комплементарную цепь, которая читается как «GCG». Если вы сделаете это дважды, вы получите копию оригинального «CGC» окольным путем.

Оргел обнаружил, что при определенных обстоятельствах цепи РНК могут копироваться таким образом без какой-либо помощи ферментов. Возможно, именно так первая жизнь скопировала свои гены.

К 1987 году Orgel мог взять цепь РНК длиной 14 нуклеотидов и создать дополнительные цепи, которые также были длиной 14 нуклеотидов.Больше ему ничего не удавалось, но этого было достаточно, чтобы заинтриговать Шостака. Его ученица Катаржина Адамала пыталась вызвать эту реакцию в протоклетках.

Они построили протоклетки, которые держатся за их гены, принимая полезные молекулы извне.

Они обнаружили, что для работы реакции необходим магний, что было проблемой, потому что магний разрушил протоклетки. Но было простое решение: цитрат, который почти идентичен лимонной кислоте в лимонах и апельсинах и в любом случае содержится во всех живых клетках.

В исследовании, опубликованном в 2013 году, они добавили цитрат и обнаружили, что он цепляется за магний, защищая протоклетки, позволяя продолжить копирование шаблона.

Другими словами, они достигли того, что Луизи предложил в 1994 году. «Мы начали заниматься химией репликации РНК внутри этих везикул жирных кислот», — говорит Шостак.

Всего за десять лет исследований команда Шостака достигла чего-то выдающегося.

Они построили протоклетки, которые держатся за свои гены, получая полезные молекулы извне.Протоклетки могут расти, делиться и даже соревноваться друг с другом. РНК может реплицироваться внутри них. По любым меркам они поразительно похожи на живые.

Подход Шостака пошел вразрез с 40-летней работой над источником жизни

Они также устойчивы. В 2008 году команда Шостака обнаружила, что протоклетки могут выжить при нагревании до 100 ° C — температуры, которая уничтожит большинство современных клеток. Это подтвердило тот факт, что протоклетки были похожи на первые живые существа, которые должны были выдерживать обжигающий жар от постоянных ударов метеоритов.

«Шостак делает большую работу», — говорит Армен Мулкиджанян.

Однако на первый взгляд подход Шостака противоречил 40-летним исследованиям происхождения жизни. Вместо того, чтобы сосредоточиться на «сначала репликации» или «сначала компартментализации», он нашел способы добиться того, чтобы и то и другое происходило практически одновременно.

Это вдохновило бы на новый единый подход к происхождению жизни, который пытается запустить все функции жизни одновременно. Эта идея «все в первую очередь» уже накопила множество доказательств и потенциально может решить все проблемы с существующими идеями.

Глава 6. Великое объединение

На протяжении второй половины 20 века исследователи происхождения жизни работали в племенах. Каждая группа предпочитала собственное повествование и по большей части отвергала конкурирующие гипотезы. Этот подход, безусловно, оказался успешным, о чем свидетельствуют предыдущие главы, но каждая многообещающая идея происхождения жизни в конечном итоге наталкивается на серьезную проблему. Итак, несколько исследователей сейчас пробуют более унифицированный подход.

Эта идея получила первый большой импульс несколько лет назад в результате результата, который на первый взгляд, казалось, поддерживал традиционный мир РНК, ориентированный на репликацию.

Все ключевые компоненты жизни могли быть сформированы сразу

К 2009 году у сторонников Мира РНК возникла большая проблема. Они не могли создавать нуклеотиды, строительные блоки РНК, так, как это, вероятно, могло произойти на ранней Земле. Это, как мы узнали из третьей главы, заставляло людей подозревать, что первая жизнь вообще не была основана на РНК.

Джон Сазерленд думал об этой проблеме с 1980-х годов. «Я подумал, если бы вы могли продемонстрировать, что РНК способна самостоятельно собираться, это было бы круто», — говорит он.

К счастью для Сазерленда, он получил работу в Лаборатории молекулярной биологии (LMB) в Кембридже, Великобритания. Большинство исследовательских институтов заставляют своих сотрудников постоянно публиковать новые открытия, но LMB этого не делает. Таким образом, Сазерленд мог подумать, почему так сложно создать нуклеотид РНК, и потратить годы на разработку альтернативного подхода.

Его решение привело бы его к предложению радикально новой идеи о происхождении жизни, а именно о том, что все ключевые компоненты жизни могут быть сформированы одновременно.

«Были некоторые ключевые аспекты химии РНК, которые не работали», — говорит Сазерленд. Каждый нуклеотид РНК состоит из сахара, основания и фосфата. Но убедить сахар и основу объединиться не удалось. Просто молекулы имели неправильную форму.

Он считает, что РНК была в большой степени задействована, но это не было единым целым

Итак, Сазерленд начал пробовать совершенно другие вещества.В конце концов его команда остановилась на пяти простых молекулах, включая другой сахар и цианамид, который, как следует из названия, связан с цианидом. Команда провела с этими химическими веществами серию реакций, в результате которых были получены два из четырех нуклеотидов РНК, без образования отдельных сахаров или оснований.

Это был головокружительный успех, и он сделал имя Сазерленда.

Многие наблюдатели интерпретировали полученные данные как дополнительные доказательства существования мира РНК. Но сам Сазерленд совсем этого не видит.

«Классическая» гипотеза мира РНК гласит, что у первых организмов РНК отвечала за все жизненные функции. Но Сазерленд говорит, что это «безнадежно оптимистично». Он считает, что РНК была очень вовлечена в процесс, но это не было единым целым.

Молекулы просто имели неправильную форму

Вместо этого он черпает вдохновение из недавней работы Джека Шостака, который, как обсуждалось в пятой главе, сочетает в себе мир РНК, «ориентированный на репликацию», с «компартментализацией» Пьера Луиджи Луизи. первые «идеи».

Но Сазерленд идет дальше. Его подход — «все в первую очередь». Он стремится собрать целую клетку с нуля.

Его первой подсказкой была странная деталь о его синтезе нуклеотидов, которая поначалу казалась случайной.

Последним шагом в процессе Сазерленда было прикрепление фосфата к нуклеотиду. Но он обнаружил, что лучше всего включать фосфат в смесь с самого начала, потому что это ускоряет более ранние реакции.

На первый взгляд, включение фосфата до того, как он был строго необходим, было неприятным занятием, но Сазерленд обнаружил, что этот беспорядок — это хорошо.

Получите достаточно сложную смесь, и все компоненты жизни могут образоваться сразу

Это заставило его задуматься о том, насколько беспорядочными должны быть его смеси. На ранней Земле, должно быть, существовали десятки или сотни химических веществ, плавающих вместе. Звучит как рецепт приготовления осадка, но, возможно, это был оптимальный уровень беспорядка.

Смеси, которые Стэнли Миллер сделал еще в 1950-х годах, которые мы рассмотрели в первой главе, были гораздо более беспорядочными, чем смеси Сазерленда.Они действительно содержали биологические молекулы, но Сазерленд говорит, что они «были в следовых количествах, и они сопровождались огромным количеством других соединений, которые не являются биологическими».

Для Сазерленда это означало, что установка Миллера была недостаточно хороша. Это было слишком грязно, поэтому полезные химические вещества терялись в смеси.

Итак, Сазерленд решил найти «химию Златовласки»: такую, которая не настолько беспорядочная, что становится бесполезной, но также не настолько проста, чтобы ограничивать свои возможности.Получите достаточно сложную смесь, и все компоненты жизни могут сформироваться одновременно, а затем соединиться.

Другими словами, четыре миллиарда лет назад на Земле был пруд. Он оставался там годами, пока смесь химикатов не стала подходящей. Затем, возможно, через несколько минут появилась первая ячейка.

Это может показаться неправдоподобным, как утверждения средневековых алхимиков. Но свидетельств Сазерленда растет. С 2009 года он показал, что тот же химический состав, что и два его нуклеотида РНК, может также создавать многие другие молекулы жизни.

Весь наш подход к происхождению жизни за последние 40 лет был неправильным

Очевидным следующим шагом было создание большего количества нуклеотидов РНК. Ему пока не удалось это сделать, но в 2010 году он создал близкородственные молекулы, которые потенциально могут превращаться в нуклеотиды.

Точно так же в 2013 году он сделал предшественники аминокислот. На этот раз ему нужно было добавить цианид меди, чтобы реакция пошла.

Химические вещества, связанные с цианидами, оказались общей темой, и в 2015 году Сазерленд пошел еще дальше.Он показал, что тот же самый горшок с химическими веществами может также производить предшественники липидов, молекулы, из которых состоят клеточные стенки. Все реакции были вызваны ультрафиолетовым светом, с участием серы и медью для их ускорения.

«Все строительные блоки [возникают] из общего ядра химических реакций», — говорит Шостак.

Эксперименты были слишком чистыми

Если Сазерленд прав, то весь наш подход к происхождению жизни за последние 40 лет был неправильным.С тех пор, как стала очевидна явная сложность клетки, ученые работали над предположением, что первые клетки должны были создаваться постепенно, по одной части.

Следуя предложению Лесли Оргела о РНК, исследователи «пытались поставить одно перед другим, а затем заставили их изобрести другое», — говорит Сазерленд. Но он считает, что лучший способ — сделать все сразу.

«Мы оспорили идею о том, что слишком сложно сделать все за один раз», — говорит Сазерленд.«Вы, конечно, можете создать строительные блоки для всех систем одновременно».

Шостак теперь подозревает, что большинство попыток создать молекулы жизни и собрать их в живые клетки потерпели неудачу по той же причине: эксперименты были слишком чистыми.

Я действительно вернулся к мысли, что первый полимер был чем-то довольно близким к РНК

Ученые использовали несколько интересующих их химикатов, исключив все остальные, которые, вероятно, присутствовали в ранняя Земля.Но работа Сазерленда показывает, что, добавляя еще несколько химикатов, можно создать более сложные явления.

Шостак испытал это на себе в 2005 году, когда пытался заставить свои протоклетки принимать фермент РНК. Ферменту нужен магний, который разрушает мембраны протоклеток.

Решение оказалось неожиданным. Вместо того, чтобы делать везикулы из одной чистой жирной кислоты, они сделали их из смеси двух. Эти новые нечистые везикулы могли справиться с магнием — а это означало, что они могли стать хозяином для работающих ферментов РНК.

Более того, Шостак говорит, что первые гены тоже могли охватывать беспорядок.

Современные организмы используют чистую ДНК для переноса своих генов, но чистой ДНК, вероятно, поначалу не существовало. Это была бы смесь нуклеотидов РНК и нуклеотидов ДНК.

В 2012 году Шостак показал, что такая смесь может собираться в «мозаичные» молекулы, которые выглядят и ведут себя очень похоже на чистую РНК. Эти перемешанные цепи РНК / ДНК могли даже аккуратно сложиться.

Есть одна проблема, которую ни Сазерленд, ни Шостак не нашли решения для

Это говорит о том, что не имеет значения, если первые организмы не могли производить чистую РНК или чистую ДНК.«Я действительно вернулся к мысли, что первый полимер был чем-то очень похожим на РНК, более сложной версией РНК», — говорит Шостак.

Возможно, даже найдется место для альтернатив РНК, которые были приготовлены в лабораториях, таких как TNA и PNA, с которыми мы познакомились в третьей главе. Мы не знаем, существовали ли какие-либо из них когда-либо на Земле, но если да, то первые организмы вполне могли использовать их вместе с РНК.

Это был не мир РНК: это был «мир Ходжа-Толстяка».

Урок из этих исследований состоит в том, что создание первой ячейки, возможно, было не так сложно, как когда-то казалось.Да, клетки — это сложные машины. Но оказывается, что они все еще работают, хотя и не так хорошо, когда их бросают в заблуждение из того, что есть под рукой.

Казалось бы, такие неуклюжие клетки не выжили бы на ранней Земле. Но у них не было бы большой конкуренции и не было бы угрожающих хищников, так что во многих отношениях жизнь могла быть легче тогда, чем сейчас.

Есть одна проблема, которую ни Сазерленд, ни Шостак не нашли решения, и это большая проблема.У первого организма должна была быть какая-то форма метаболизма. С самого начала жизнь должна была получить энергию, иначе она бы умерла.

Тогда жизнь могла быть проще, чем сейчас.

В этом пункте, хотя бы ни в чем другом, Сазерленд соглашается с Майком Расселом, Биллом Мартином и другими сторонниками теорий четвертой главы «метаболизм — прежде всего». «Пока ребята из РНК боролись с ребятами из области метаболизма, обе стороны были правы», — говорит Сазерленд.

«Истоки метаболизма каким-то образом должны быть там», — говорит Шостак.«Источник химической энергии будет большим вопросом».

Даже если Мартин и Рассел ошибаются в том, что жизнь зарождается в глубоководных жерлах, многие элементы их теории почти наверняка верны. Один из них — важность металлов для зарождения жизни.

В природе многие ферменты имеют в своей основе атом металла. Это часто «активная» часть фермента, с остальной частью молекулы по существу опорной конструкции. В первой жизни не могло быть этих сложных ферментов, поэтому вместо этого она, вероятно, использовала «голые» металлы в качестве катализаторов.

Жизнь не может начаться в глубоком море

Гюнтер Вехтерсхойзер указал на это, когда предположил, что жизнь формируется на железном пирите. Точно так же Рассел подчеркивает, что воды гидротермальных источников богаты металлами, которые могут действовать как катализаторы, а исследование LUCA Мартином обнаружило много ферментов на основе железа.

В свете этого, это говорит о том, что многие химические реакции Сазерленда зависят от меди (и, кстати, от серы, которую также подчеркивал Вехтерсхойзер), и что РНК в протоклетках Шостака нуждается в магнии.

Возможно, гидротермальные источники еще будут иметь решающее значение. «Если вы посмотрите на современный метаболизм, там есть все эти действительно наводящие на размышления вещи, такие как кластеры железо-сера», — говорит Шостак. Это соответствует представлению о том, что жизнь зародилась в вентиляционном отверстии или вокруг него, где вода богата железом и серой.

Тем не менее, если Сазерленд и Шостак находятся на правильном пути, один аспект теории вентиляции определенно неверен: жизнь не могла начаться в глубоком море.

«Обнаруженный нами химический состав настолько зависит от УФ [ультрафиолетового света]», — говорит Сазерленд.Единственный источник ультрафиолетового излучения — Солнце, поэтому его реакции могут происходить только в солнечных местах. «Это исключает сценарий глубоководных источников».

Может быть, жизнь началась на суше, в вулканическом пруду

Шостак согласен с тем, что глубокое море не было рассадником жизни. «Хуже всего то, что он изолирован от химии атмосферы, которая является источником высокоэнергетических исходных материалов, таких как цианид».

Но эти проблемы вовсе не исключают гидротермальные источники.Возможно, вентиляционные отверстия находились просто на мелководье, откуда до них доходили солнечный свет и цианид.

Армен Мулкиджанян предложил альтернативу. Может, жизнь началась на суше, в вулканическом пруду.

Мулкиджанян изучил химический состав клеток: в частности, какие химические вещества они допускают, а какие не пропускают. Оказывается, все клетки, независимо от того, к какому организму они принадлежат, содержат много фосфатов, калия и других металлов, но почти не содержат натрия.

Моим любимым сценарием на данный момент были бы какие-то мелкие озера или пруды на поверхности

В настоящее время клетки достигают этого, закачивая и выкачивая предметы, но первые клетки не могли этого сделать, потому что у них не было бы необходимая техника.Итак, Мулкиджанян предположил, что первые клетки образовались где-то с примерно такой же смесью химических веществ, как и современные клетки.

Это немедленно устраняет океан. Клетки содержат гораздо больше калия и фосфатов, чем когда-либо было в океане, и гораздо меньше натрия.

Вместо этого он указывает на геотермальные пруды, обнаруженные рядом с действующими вулканами. В этих прудах содержится именно тот коктейль металлов, который содержится в клетках.

Шостак фанат. «Я думаю, что мой любимый сценарий на данный момент — это какие-то мелкие озера или пруды на поверхности в геотермически активной зоне», — говорит он.«У вас есть гидротермальные источники, но они не похожи на глубоководные, а больше похожи на те, что есть в вулканических районах, таких как Йеллоустон».

Земля была поражена метеоритами в течение первых полмиллиарда лет своего существования

Химия Сазерленда вполне могла сработать в таком месте. В источниках содержатся подходящие химические вещества, уровень воды колеблется, поэтому некоторые места будут время от времени пересыхать, и есть много ультрафиолетового излучения от Солнца.

Более того, Шостак говорит, что пруды подходят для его протоклеток.

«Протоклетки большую часть времени могут быть относительно холодными, что хорошо для копирования РНК и других видов простого метаболизма», — говорит Шостак. «Но время от времени они ненадолго нагреваются, и это помогает цепям РНК разделиться на части, готовые к следующему раунду репликации». Также будут токи, вызванные потоками горячей воды, которые могут помочь протоклеткам делиться.

Опираясь на многие из тех же аргументов, Сазерленд выдвинул третий вариант: зона падения метеорита.

Земля была поражена метеоритами в течение первых полмиллиарда лет своего существования — и с тех пор периодически на нее падали. Удар приличного размера создаст обстановку, очень похожую на пруды Мулкиджаняна.

Во-первых, метеориты в основном металлические. Зоны воздействия обычно богаты полезными металлами, такими как железо, а также серой. И что особенно важно, удары метеоритов расплавляют земную кору, что приводит к геотермальной активности и горячей воде.

Если окажется, что в одном из сценариев отсутствует ключевое химическое вещество или что-то, что разрушает протоклетки, будет исключено

Сазерленд представляет небольшие реки и ручьи, стекающие по склонам ударного кратера, выщелачивая цианид. химические вещества на основе горных пород, в то время как ультрафиолетовое излучение льется сверху.В каждом потоке будет немного разная смесь химикатов, поэтому будут происходить разные реакции и образоваться целый ряд органических химикатов.

Наконец, потоки впадут в вулканический пруд на дне кратера. Это могло быть в таком пруду, где все части сошлись вместе и образовались первые протоклетки.

«Это очень специфический сценарий», — говорит Сазерленд. Но он выбрал его на основании обнаруженных им химических реакций. «Это единственное, что мы можем придумать, совместимое с химией.«

Шостак в любом случае не уверен, но он согласен с тем, что идея Сазерленда заслуживает пристального внимания.» Я думаю, что сценарий столкновения хорош. Я думаю, что идея вулканических систем тоже может сработать. Есть несколько аргументов в пользу каждого ».

На данный момент эти дебаты, похоже, продолжаются. Но это не будет принято по прихоти. Решение будет зависеть от химии и протоклеток. Если окажется, что это одно из в сценариях отсутствует ключевое химическое вещество или что-то, что разрушает протоклетки, будет исключено.

Это означает, что впервые в истории у нас есть начало исчерпывающего объяснения того, как зародилась жизнь.

«Все выглядит намного более достижимым, — говорит Сазерленд.

Лучшее, что мы когда-либо можем сделать, — это составить историю, которая согласуется со всеми доказательствами.

Пока что подход Шостака и Сазерленда «все и сразу» предлагает только отрывочное повествование. Но те шаги, которые были разработаны, подкреплены десятилетиями экспериментов.

В этой идее также учитывается любой подход к происхождению жизни. Он пытается использовать все их хорошие стороны, в то же время решая все их проблемы. Например, он не столько пытается опровергнуть идеи Рассела о гидротермальных источниках, сколько включить их лучшие элементы.

Мы не можем знать наверняка, что произошло четыре миллиарда лет назад. «Даже если вы сделали реактор и на другой стороне выскочили бы E. coli … вы все равно не сможете доказать, что мы возникли таким образом», — говорит Мартин.

Лучшее, что мы когда-либо можем сделать, — это составить историю, которая согласуется со всеми доказательствами: с экспериментами по химии, с тем, что мы знаем о ранней Земле, и с тем, что биология открывает о древнейших формах жизни. Наконец, после столетия напряженных усилий, эта история стала очевидной.

Это означает, что мы приближаемся к одному из величайших разделов в истории человечества: разрыв между теми, кто знает историю начала жизни, и теми, кто никогда не знал.

Некоторые из ныне живущих людей станут первыми в истории, кто сможет честно сказать, что они знают, откуда они пришли

Каждый человек, умерший до того, как Дарвин опубликовал Происхождение видов в 1859 году, не знал происхождения человечества, потому что они ничего не знали об эволюции.Но все живущие сейчас, за исключением изолированных групп, могут знать правду о нашем родстве с другими животными.

Точно так же каждый, кто родился после того, как Юрий Гагарин облетел Землю в 1961 году, жил в обществе, которое может путешествовать в другие миры. Даже если мы никогда не поедем сами, космические путешествия — это реальность.

Эти факты незаметно меняют наше мировоззрение. Возможно, они делают нас мудрее. Эволюция учит нас ценить все живые существа, потому что они наши кузены. Космические путешествия позволяют нам увидеть наш мир на расстоянии, показывая, насколько он уникален и хрупок.

Некоторые из ныне живущих людей станут первыми в истории, кто сможет честно сказать, что они знают, откуда они пришли. Они узнают, каким был их предок и где он жил.

Эти знания изменят нас. На чисто научном уровне он расскажет нам о вероятности образования жизни во Вселенной и о том, где ее искать. И это расскажет нам кое-что о сущности жизни. Но помимо этого, мы еще не можем знать мудрость, которую откроет происхождение жизни.

Присоединяйтесь к более чем пяти миллионам поклонников BBC Earth, поставив нам лайк на Facebook или подписавшись на нас в Twitter и Instagram.

Если вам понравилась эта история, подпишитесь на еженедельную рассылку новостей bbc.com под названием «Если вы прочитаете только 6 статей на этой неделе». Тщательно подобранная подборка историй из BBC Future, Earth, Culture, Capital, Travel и Autos, которые доставляются вам на почту каждую пятницу.

Происхождение жизни на Земле

А.Цели обучения:

• Обозначьте четыре перекрывающихся этапа, которые, как предполагается, приведут к клеточной жизни, как мы ее сейчас понимаем.

B. Краткое содержание раздела:

Происхождение жизни было ошеломляющей темой, которую ученые давно обсуждали, и было проведено несколько исследований, чтобы теоретизировать происхождение жизни. Как началась жизнь? Одно из научно признанных объяснений происхождения жизни состоит в том, что Земля образовалась 13.7 миллиардов лет 90–120 назад в результате выращивания планетезималей, или объектов, состоящих из пыли, камня и других материалов и имевших чрезвычайно высокую температуру. Спустя 4,6 миллиарда лет от образования Земли, Солнечная система начала формироваться. Примерно , 50 миллионов лет спустя, колоссальная температура Земли снизилась, в конечном итоге образовались океаны, что привело к возникновению диапазона температур, пригодных для существования жизни. Таким образом, с помощью летописи окаменелостей и приведенного выше объяснения ученые определили четыре перекрывающихся этапа потенциального происхождения жизни.

В первой части раздела 22.1 четыре стадии упорядочены следующим образом: Стадия 1 : Сначала были сформированы органические молекулы, такие как аминокислоты и нуклеотиды, и предшественники всего живого, Стадия 2 : Были синтезированы простые органические молекулы в сложные молекулы, такие как нуклеиновые кислоты и белки, Стадия 3 : Сложные молекулы заключены в мембранные структуры, которые приводят к формированию клеточной структуры, и Стадия 4 : Характеристики клеток стали более определенными по мере того, как мембранные структуры стали более химически селективные и развитые уникальные свойства.

Этап 1 обсуждает, как два ученых, Опарин и Халдейн , предположили, что образование или « пребиотический / абиотический синтез » органических молекул происходило из-за благоприятных условий на раннем этапе развития Земли. Холдейн и Опарин назвали вновь синтезированные органические молекулы «изначальным супом», из которого выросли живые клетки. Недавние гипотезы предполагают, что из-за небольшого количества свободного газообразного кислорода для окисления сложных молекул или отсутствия живых организмов для метаболизма сложных молекул постепенное накопление сложных молекул привело к «пребиотическому супу », который вызвал появление жизни.Среди широко обсуждаемых экспериментов с подтверждающими гипотезами, которые проводились с целью понять, как образовались органические молекулы, есть некоторые гипотезы, которые все еще часто обсуждаются.

Одной из обсуждаемых гипотез была гипотеза о восстановлении атмосферы , которая утверждает, что высокие уровни водяного пара, метана, водорода и аммиачных газов в атмосфере вызывают окислительно-восстановительные реакции, при которых низкие уровни кислорода означают, что большее количество метана, а молекулы аммиака могут восстанавливать другие неорганические молекулы, что приводит к образование органических молекул.Ученые Стэнли Миллер и Гарольд Ури разработали эксперимент, подтверждающий эту гипотезу, в котором он произвел цианистый водород и формальдегид, органические молекулы, из водяного пара, метана и газообразного водорода in vitro. Тем самым Миллер и Юри доказали, что пребиотическое образование молекул существует. Тем не менее, ученые все еще спорят о том, точны ли эксперименты Миллера и Юри в поддержку восстановительной атмосферы, потому что недавние эксперименты подтверждают идею о том, что синтез пребиотиков мог происходить в окружающей среде, помимо восстановительной атмосферы.

Другой широко обсуждаемой гипотезой является гипотеза Внеземных цивилизаций , которая утверждает, что углерод, необходимый для образования органических молекул, поступил от астероидов и комет на поверхность Земли, а органические мономеры, такие как аминокислоты, пришли из метеоритов. Из-за отсутствия исчерпывающих доказательств, эта гипотеза до сих пор остается дискуссионным, чтобы его действия.

Наконец, третьей широко обсуждаемой гипотезой является гипотеза Deep Sea Vent , в которой утверждается, что органические молекулы могли появиться из глубоководных отверстий или трещин на поверхности Земли, где перегретая вода, содержащая ионы металлов и сероводород, и холодная морская вода смешиваются. .Эта гипотеза расширена, чтобы заявить, что биологически важные органические молекулы синтезируются из температурного градиента между горячей и холодной водой, окружающей глубоководный канал. Хотя эта гипотеза соблазнительна с научной точки зрения, эта гипотеза все еще является предметом дискуссий, потому что ученые все еще сомневаются в том, как на самом деле возникли органические молекулы пребиотически.

На этапе 2 обсуждается гипотеза ученых о том, что, поскольку гидролиз дополняется дегидратационным синтезом, образование сложных молекул могло происходить на твердой поверхности или испаряющихся приливных бассейнах , а не в водянистом пребиотическом супе.В частности, ученый Джон Бернал заявил, что синтез сложных органических молекул произошел на глине , поскольку было отмечено, что многие глинистые минералы связываются с аминокислотами и нуклеотидами. Некоторые эксперименты доказали взаимодействие органических молекул с глиной, но работа Люка Лемана предполагает иное, что сложные молекулы состоят из водных растворов, что подтверждает гипотезу о том, что пребиотические органические молекулы были созданы в «пребиотическом супе».

Этап 3 обсуждает, как ученые характеризуют формирование границы или мембраны, состоящей из макромолекул, которая изолирует внутреннее содержание нуклеиновых кислот и химические свойства от внешней среды как неживые структуры, называемые « протобионты ».Сложные органические молекулы также обладали информацией, развивали ферментативные функции и, в конечном итоге, развили способность к неспецифической репликации клеток. Исследователи полагают, что протобионты могли иметь такие структуры, как липосомы и коацерваты . Русский ученый Опарин предположил, что живые клетки являются потомками коацерватов или кластеров заряженных полимеров, окруженных водой, которые являются химически селективными. Липосомы представляют собой другой тип структуры протобионта, отличающийся от коацервата тем, что липосомы представляют собой везикулы, окруженные липидными бислоями.В недавнем эксперименте ученые Hanczyc, Fujikawa и Szotak показали, что глина может разрушать липосомы, и обнаружили, что РНК содержится в липосомах, а липосомы обладают способностью к репликации, и предоставили разумное объяснение появлению липосом. первые клеточноподобные структуры.

Этап 4 обсуждает, как ученые считают, что РНК была первой сложной органической молекулой, обнаруженной у протобионтов, потому что РНК могла хранить информацию в своей последовательности, самовоспроизводиться и выполнять несколько ферментативных функций как рибозимов , которые являются характеристиками ДНК и белки не делятся.Ученые отметили, что молекулы пребиотической РНК приобрели свойства и характеристики, которые способствовали выживанию и размножению клеток. Ученые предположили, что популяции нормальной РНК изменялись посредством мутаций постепенно, чтобы стать популяцией мутантной РНК с другим составом нуклеотидных последовательностей, концепция, известная как химический отбор . Считалось, что процесс химического отбора происходит в два этапа: во-первых, мутация заставляет молекулу РНК ферментативно синтезировать молекулу РНК из ранее существовавшей матрицы, таким образом, увеличение количества РНК может выполнять ферментативную функцию.Во-вторых, другая мутация заставляет молекулу РНК синтезировать рибонуклеотиды, и в результате репликации полученная популяция приобретает свойство синтезировать рибонуклеотиды. Таким образом, протобионты, состоящие из содержимого РНК, смогли развиться в живые клетки, что привело к возникновению жизни.

C. Полезные материалы:

	Это видео очень информативное.Это лекция профессора Дэвида Димера в Калифорнийском университете в Санта-Крус. В этой лекции рассказывается о самосборке, полимеризации и репликации. В этой лекции подробно объясняется, как происходит стадия 3, самосборка липосом, стадия 2, полимеризация органических молекул, и почему эти стадии необходимы для существования живых клеток. Перейдите к 1:00, чтобы начать обсуждение Происхождения жизни, и остановитесь на 22:14. Это также подчеркивает и объясняет, почему такие эксперименты, как эксперимент Стэнли Миллера, поддерживающие пребиотический синтез органических молекул, важны для происхождения жизни.Эта лекция действительно интересна даже в более поздних частях, поскольку профессор приводит реальные примеры своей работы, посвященной происхождению клеточной жизни. Надеюсь это поможет.
	Это короткое 6-минутное видео просто потрясающе. Когда я закончил читать о четырех перекрывающихся стадиях, я не совсем понял цель внеземной гипотезы и Стадии 3. Посмотрев эту мини-лекцию профессора Димера, я лучше понял, как внеземная гипотеза и Стадия 3 устроены. имеет отношение к происхождению жизни.Профессор Димер подробно описывает свою работу по самосборке молекул. Крутая часть этого видео заключается в том, что Димер на самом деле объясняет свои различные открытия по всему миру и то, как эти открытия связаны с более широкой картиной: его команда считает, что без мембран клеточная жизнь не может существовать. Я думал, что профессор Димер проделывает огромную работу, давая представление о том, как наука может подходить к происхождению жизни более объективно, чем религия.Подобно тому, как это помогло мне понять некоторые запутанные концепции, я думаю, вы можете получить полезное представление о том, как разные части сочетаются друг с другом.
http://www.mcb.ucdavis.edu/faculty-labs/scholey/journal%20papers/Ricardo-Szostak-SA2009.pdf	Я бы предпочел информативные видеоролики с диаграммами бумагам как основательные знания, но эта статья дала мне четкое понимание стадии 4 происхождения жизни. Это объяснило причину, по которой РНК могла появиться раньше ДНК.В нем рассказывалось о том, как образовалась Стадия 3, посвященная протобионтам. Документ также включает информацию о мире РНК (который рассматривается в этой части раздела 22.1). Если вам интересно, не стесняйтесь читать дальше в статье, чтобы собрать дополнительную информацию, чтобы подготовиться к следующей части раздела 22.1. Этап 4 составляет основную часть этой части раздела 22.1 и важен для понимания оставшейся части раздела 22.1, рассмотренной позже.Итак, эта статья расширяет основные причины того, почему РНК была внутренним содержимым протобионтов и как она сформировала эволюцию протобионтов в живые клетки, которые несут множество взаимосвязанных функций со специализированными органеллами. Так же, как я улучшил свое понимание стадии 4 после прочтения этой статьи, я считаю, что это может помочь прояснить некоторые сомнения, которые у вас есть относительно того, почему стадия 4 является столь же важной стадией в зарождении жизни.
http: //www.mansfield.ohio-state.edu / ~ sabedon / campbl26.htm	Эта ссылка предоставляет отличный обзор гипотезы о сокращении атмосферы, а также другую полезную информацию. Это объясняет, что отсутствие окаменелостей от самого раннего из существующих организмов оставило несколько гипотез относительно происхождения жизни. Кроме того, он расширяет некоторые концепции стадии 2, такие как теория Клея. Эта ссылка представляет собой полезный обзор гипотезы уменьшения атмосферы и теории Клея с целью улучшения понимания этих концепций.Я обнаружил, что эта ссылка также предоставляет информацию о мире РНК, которая может быть полезна для чтения в следующей части раздела 22.1. Поскольку я обнаружил, что на эту ссылку стоит ссылаться, вам может быть полезно прочитать соответствующий материал, найденный по этой ссылке, который относится к основной теме этой части раздела 22.1.

D. Основная литература:

http://www.im.microbios.org/0801/0801023.pdf

В отношении концепции происхождения жизни многие ученые обсуждали гетеротрофный механизм происхождения жизни, основанный на образовании простых микроанаэробных организмов.Эти организмы были произведены из абиотических материалов, возникших в условиях ранней Земли. Однако некоторые ученые считают, что возникновение жизни началось с автотрофного механизма, происходящего от неорганических молекул. Было несколько аргументов в пользу процесса самовоспроизведения первого гена по сравнению с первой простой метаболической ферментативной сетью в качестве отправной точки. Формирование клетки и ее границ, клеточной мембраны и внутриклеточных органелл было еще одной важной темой для дискуссий между несколькими исследователями, пытающимися подтвердить свою работу.Концепции автономии и открытой эволюции были введены для объяснения жизни как автономной системы с эволюционными способностями. В этой статье автор систематически анализирует работу нескольких исследователей и предполагает, что происхождение жизни было в первую очередь основано на органических молекулах, предварительно синтезированных с целью образования сложных макромолекул как примитивной сети метаболизма внутри клеточно-подобных структур. Поток вещества и энергии в этой ранней метаболической системе позволил сформировать более сложные молекулы, такие как нуклеиновые кислоты, что привело к образованию генов, а затем и более высокоразвитых геномов.На этом этапе ученые признали, что происхождение жизни было сложным процессом, включающим взаимодействие между экологическими / экологическими системами и сложными органическими молекулами с границей автономных способностей, которые в конечном итоге превратились в живые клетки с наследственными и дарвиновскими эволюционными способностями.

Чтобы понять первые шаги эволюции жизни, было предпринято две стратегии. Один из них был назван стратегией «сверху вниз», в которой сравнивались все организмы, чтобы восстановить точный генетический и метаболический состав универсального предка.Однако в этой методологии инструменты ограничиваются ретроспективным изучением таких предковых структур. Другая стратегия называется стратегией «снизу вверх», в которой взаимодействие космохимических, планетелогических, геологических и других источников информации использовалось для построения окружающей и химической инвентаризации происхождения жизни. Эта стратегия также подкреплялась компьютерным моделированием и научным теоретическим обоснованием ранней атмосферы Земли и примитивных геохимических условий. Некоторые эксперименты, пытающиеся объяснить пребиотическое происхождение органических молекул, включают эксперимент Опарина 1920 года, включавший химическое внедрение простых искусственных форм жизни, а эксперимент Ури-Миллера исследовал химию пребиотиков и образование аминокислот из цианистого водорода и формальдегида, что доказало абиотический синтез органическая материя.Кроме того, были предложены как земные, так и внеземные механизмы, такие как широко обсуждаемая внеземная гипотеза, хотя никаких существенных доказательств относительно ранней атмосферы Земли не существовало, кроме экспериментов с гипотезой уменьшения атмосферы. Другая гипотеза, названная гипотезой Deep Sea Vent, предложенная химиком-органиком Гюнтером Вахтерсхаузером, утверждает, что геотермальные источники были механизмом, посредством которого органические молекулы были предварительно синтезированы, когда перегретая вода, содержащая сероводород и ионы металлов, смешанные с холодной морской водой, в конечном итоге создавала температуру. градиент, который позволил пребиотическому синтезу и высвобождению органических молекул.Химическая эволюция создала примитивную самоподдерживающуюся химическую систему с метаболическими возможностями примитивной клетки, называемой «протоклеткой». Как видно на стадии 4 происхождения жизни, РНК приобрела химические свойства и составляла внутреннюю информацию «протоклетки», и, как подчеркивается в приведенном выше резюме, обеспечивает основную метаболическую функцию в качестве рибозима для синтеза белков и имеет возможность самовоспроизведения и хранения информации. В конечном итоге ДНК заменяет РНК и начинает процесс, называемый неограниченной эволюцией, который будет рассмотрен в более поздней части раздела 22.1.

По сути, был необходим организованный механизм для объяснения теории происхождения жизни, в которой прекурсоры, существовавшие пребиотически, постепенно превращались в химические или биохимические образования, которые могли поддерживать жизнь в условиях окружающей среды. Кроме того. будущие исследования необходимы для улучшения научного понимания происхождения истинной наследственности и потока материи через возникающую систему. Поскольку эта статья помогла мне углубить мое понимание происхождения жизни, в частности пролить свет на то, как четыре стадии происхождения жизни применимы к более широкой картине, я считаю, что эта статья может дать вам представление о том, почему происхождение жизни является широко обсуждаемая, но увлекательная концепция для исследования и интерпретации.

E. Виртуальные лекции:

F. Слайды PowerPoint:

Раздел 22.1 Перекрытие этапов AA.ppt

или

Раздел 22.1 Слайды лекций

G. Вопросы к финальному экзамену:

Отправлено через Lion’s Mail

Таблица оценок H.:

Оценочная ведомость (Адитья)

Химический отбор и мир РНК

А.Итого:

Как вкратце обсуждалось в предыдущем разделе, многие ученые считают, что нынешний мир (ДНК, РНК, белок) развился из мира, в котором живые клетки содержат только РНК. Движущая сила этой теории заключается в том, что посредством химического отбора РНК с особыми свойствами передавалась через многие поколения.

Во-первых, давайте обсудим процесс химического отбора. Проще говоря, химический отбор происходит, когда химическое вещество обладает особыми способностями, которые позволяют ему увеличиваться в количестве, в отличие от других химикатов, у которых таких способностей нет.Что может быть лучше, чем РНК? РНК обладает тремя особыми свойствами, которых нет ни у одной другой молекулы. РНК может: хранить информацию с помощью нуклеотидов, самовоспроизводиться (пары оснований могут быть добавлены к комплементарной цепи РНК, а затем разделяться) и действовать как фермент (рибозимы). Возникает уместный вопрос: как вообще появилась эта РНК? Ученые использовали свои знания о химическом отборе, чтобы составить сценарий. Во-первых, должна произойти мутация. Мы можем предположить, что первой произошла мутация, которая вызвала саморепликацию РНК.Теперь, когда эта мутантная РНК обладает ферментативной способностью присоединять нуклеотиды, количество РНК с этой мутацией увеличивается. Теперь мы можем предположить, что произошла вторая мутация. Эта вторая мутация дала бы РНК способность синтезировать нуклеотиды. Поскольку нуклеотиды являются строительными блоками РНК, больше РНК может быть синтезировано более быстрыми темпами. Теперь предпочтение отдается РНК с обеими мутациями по сравнению с РНК с одной мутацией или без нее. Это привело к введению гипотезы мира РНК, которая представляет собой предлагаемый сценарий, в котором генетическая информация и ферментативные способности лежали в РНК в какой-то момент до нынешней жизни.Мы можем спросить себя, почему РНК, а не ДНК или белки? РНК может действовать как фермент и как источник генетической информации, две функции белков и ДНК соответственно. Другими словами, он более универсален. Теперь, когда есть сценарий, как его поддержать? Это то, что намеревались сделать ученые Дэвид Бартель и Джек Шостак.

Бартель и Шостак предположили, что из большого количества молекул РНК некоторые могут иметь способность катализировать ковалентную связь между нуклеотидами, и что эти молекулы можно использовать в лаборатории.15 длинных молекул РНК. Каждая длинная РНК имела два участка: один, идентичный всем молекулам РНК (структура стержень-петля), и участок длиной 220 нуклеотидов, который варьировался для каждой молекулы РНК. Различные варианты структуры из 220 нуклеотидов могли обладать способностью катализировать образование ковалентной связи. Короткая РНК также имела два участка. Первая область содержала 3′-конец и была комплементарной 5′-концу длинной РНК. Вторая область содержала последовательность (последовательность метки), которая обладала способностью связываться с упаковочным материалом (называемым «шариками»).Сначала две РНК были смешаны вместе, чтобы между ними образовались ковалентные связи. Затем эту смесь пропустили через бусинки. Целью этого шага было отделение ковалентно связанной РНК от несвязанной РНК. Длинная РНК, которая связывалась с короткой РНК (которая связывалась с шариками), оставалась позади, а длинная РНК, которая не связывалась, вымывалась и отбрасывалась. Затем на шарики наносили раствор с низким pH, чтобы отделить от них РНК и образовать пул. Используя ПЦР, длинную РНК в пуле (Пул № 1) использовали для получения более длинной РНК.Поскольку новая длинная РНК была получена из РНК, которая, как было показано, обладает способностью образовывать ковалентные связи, ожидалось, что новая партия длинной РНК будет иметь большую способность связываться, чем первая партия. Этот процесс повторялся до тех пор, пока не было сделано 10 пулов. Эти пулы плюс исходный образец были протестированы на образование ковалентных связей, и данные показали, что после каждого повторения эксперимента образование ковалентных связей существенно увеличивалось! В конечном пуле было соотношение связанных молекул к несвязанным молекулам, которое было примерно в 3 миллиона раз больше, чем в исходной партии! Бартель и Шостак пришли к выводу, что химический отбор может происходить из-за увеличения образования ковалентных связей, показанного в данных.

В конце концов, мир РНК был захвачен миром с ДНК и белками. В этом гипотетическом мире РНК, РНК должна была хранить генетическую информацию и катализировать химические реакции. Если бы ДНК взяла на себя хранение генетической информации, РНК могла бы выполнять больше функций; ДНК может кодировать молекулы РНК с большим количеством каталитических функций. Кроме того, еще одна предполагаемая причина захвата ДНК заключается в том, что ДНК более стабильна, чем РНК. Однако это не объясняет, как возникла ДНК.Гипотеза состоит в том, что мутировавшая молекула РНК обладала способностью реверсировать транскрипт, превращая РНК в ДНК. Теперь мы должны задуматься, как белки вошли в картину. Поскольку аминокислоты сильно различаются между собой, они допускают больше химических реакций, чем РНК. Экспериментально показано, что РНК может образовывать пептидные связи, образующие белки. Это возможный способ образования первых белков. Кроме того, мы должны помнить, что РНК по-прежнему играет роль в образовании белка в настоящее время посредством транскрипции и трансляции.Эти примеры показывают, как мир РНК, возможно, сформировал мир ДНК, РНК и белков сегодня.

B. Полезные материалы

	Это видео представляет собой короткую презентацию гипотезы мира РНК. Лекция представляет собой хорошее резюме гипотезы мира РНК и роли, которую РНК играла в прошлой и нынешней жизни. В лекции приводятся прекрасные примеры, например, как структура напрямую связана с функцией, и как РНК может действовать как носитель генетической информации и как фермент.Оба эти факта способствуют возможности существования мира РНК.
	Эта гораздо более длинная и подробная лекция чрезвычайно проницательна. Профессор Сидни Альтман подробно описывает саму РНК и то, как возникла гипотеза мира РНК. Он также тщательно объясняет возможность существования мира РНК и то, как это могло бы произойти. Эта лекция больше посвящена объяснению РНК; это структура и функция.Хотя в лекции очень подробно рассказывается, его объяснение РНК помогает зрителю понять, как это возможно, что мир РНК существовал, например, его объяснение того, как РНК может катализировать химические реакции. Примечание: профессор Альтман начинает говорить примерно в 5:00, а его объяснение РНК начинается примерно в 23:00.
http://exploringorigins.org/nucleicacids.html	Если вам не нравится смотреть 58-минутные лекции, то этот веб-сайт — это для вас.Он содержит хорошие резюме и быстрые, информативные, привлекательные видеоролики о РНК и гипотезе мира РНК. В нем подробно рассказывается о том, как рибозимы играют роль в гипотезе мира РНК и как сами рибосомы являются рибозимами, подтверждая гипотезу мира РНК. Простой макет, короткие видеоролики, диаграммы и дополнительные ссылки делают этот веб-сайт отличным справочником для всех, кто пытается понять РНК и мир РНК. Кроме того, есть больше разделов о различных аспектах зарождения жизни, которые ссылаются на РНК, таких как протоклетки.
http://www.science20.com/news_articles/rna_world_hypothesis_gets_challenge-	Эта статья ставит под сомнение гипотезу мира РНК и объясняет, почему это могло быть невозможно. Главный аргумент заключается в том, что рибосома более сложная, чем предполагалось, и сама РНК не может синтезировать белки. Статья полезна тем, что поднимает вопрос: а что, если гипотеза мира РНК неверна? Хотя есть много свидетельств в пользу этого, мы также должны рассмотреть свидетельства против этого.Ученые должны это понять. Независимо от того, насколько вы можете поддержать такую идею, как гипотеза мира РНК, всегда есть шанс, что она неверна.
	Это отдельное дополнительное юмористическое видео показывает, что происходит, когда эволюция идет не так.

C. Основная литература (щелкните, чтобы прочитать статью)

В этой статье в основном обсуждается, как РНК превратилась в молекулу, которая использует 4 нуклеотида (аденин, урацил, гуанин и цитозин).Возникает три хороших вопроса. Во-первых, оптимальны ли два набора нуклеотидов? Далее, лучше ли четырехнуклеотидная система, чем двухнуклеотидная? Наконец, есть ли системы лучше, чем четырехбуквенный алфавит (шесть и восемь нуклеотидов)? Статья начинается с обсуждения того, как большинство ученых, учитывая ситуацию начала современной жизни, обычно используют мир РНК для ее объяснения. Цель статьи — найти оптимальный сценарий для мира РНК, где алфавит должен иметь возможность складываться во вторичные структуры без использования шаперонов, что является основной концепцией гипотезы мира РНК.

Было проведено два эксперимента, чтобы найти, какой сценарий лучше всего подходит для РНК: 2, 4, 6 или 8 нуклеотидов. В первом эксперименте используется программа RNAfold для определения возможных вторичных структур различных молекул РНК. Он определяет два значения, Q и P. Q — это уверенность в том, что вторичная структура четко определена, или, другими словами, сколько существует возможных вторичных структур. Низкое значение Q характерно для предпочтительной молекулы. Высокое значение Q указывает на то, что неизвестно, какая вторичная структура сформируется.P — количество парных оснований во вторичной структуре. Чем выше соотношение P, тем более предпочтительной является молекула. Из этого эксперимента мы обнаружили, что чем больше нуклеотидов, тем выше значение Q или тем выше погрешность. Мы также обнаружили, что чем больше нуклеотидов, тем меньше значение P. Это происходит потому, что с большим количеством нуклеотидов меньше шансов, что основание совпадет с его комплементом. Однако мы также узнаем, что двухбуквенный алфавит не способен формировать функциональные вторичные структуры.Мы также узнаем из графиков, что некоторые определенные двухбуквенные системы будут иметь высокое значение Q, несмотря на общее правило, заключающееся в том, что меньшее количество нуклеотидов означает меньшую неопределенность. Эти данные могут исключить, что оптимальный сценарий — двухнуклеотидная молекула.

Второй эксперимент состоял из пула случайных последовательностей РНК. Эти последовательности РНК реплицируются и целенаправленно мутируются. Предпочтение отдается молекулам, которые «эволюционируют» или видоизменяются. Данные показали, что система AUGC предпочтительнее других четырехнуклеотидных молекул, шестинуклеотидных молекул и восьминуклеотидных молекул.Это произошло потому, что молекулы из четырех нуклеотидов могут конформационно изменяться легче, чем молекулы из шести или восьми нуклеотидов. Мы знаем, что система AUGC является предпочтительной, потому что для предпочтения другой системы в мире РНК должна была произойти мутация, и вероятность этого была низкой (из-за того, насколько предпочтительной была РНК, как показано в уроке).

В этой статье делается вывод о том, что два набора нуклеотидов и что молекула РНК с четырьмя нуклеотидами предпочтительнее молекулы РНК с двумя, шестью или восемью нуклеотидами.Кроме того, авторы приходят к выводу, что наиболее предпочтительной системой является система AUGC. В этой статье объясняется еще один яркий пример химического отбора. Это также помогает читателю понять, почему РНК по-прежнему жизненно важна сегодня и почему она не мутировала, чтобы стать другой молекулой.

D. Виртуальные лекции

Часть 1

Часть 2

E. Слайды лекций

F. Практика викторины

Таблица оценок (Даниил)

Происхождение и ранняя эволюция жизни: где, когда и как? | Эволюция: образование и пропаганда

Происхождение и ранняя эволюция жизни

ВВЕДЕНИЕ В СПЕЦИАЛЬНЫЙ НОМЕР: Происхождение жизни
Открытый доступ
Опубликовано: 27 сентября 2012 г.

Эволюция: образование и пропаганда том 5 , страницы 334–336 (2012) Цитируйте эту статью

3344 Доступов
1 Ссылки
2 Альтметрик
Детали показателей

Хотя во многих школах и университетах по всему миру часто преподают, что с ранней античности философы и естествоиспытатели одинаково обращались к спонтанному поколению для объяснения происхождения жизни, на самом деле это было не так.До появления микроскопов в семнадцатом веке спонтанное зарождение рассматривалось в основном как несексуальный репродуктивный механизм насекомых, личинок и так называемых «низших животных». Необыкновенные описания микробного мира Антоном ван Левенгуком и другими открыли неожиданное измерение возможности спонтанного зарождения, но только после того, как Жорж Луи Леклерк де Бюффон и Жан-Батист де Ламарк включили его в свои трансформистские схемы, это рассматривалось как механизм, который привел к первому появлению жизни на Земле.

Как и его дед по отцовской линии и научный предшественник Эразм Дарвин, Чарльз Дарвин был убежден, что растения и животные возникли естественным образом из простых неживых неорганических соединений. За очень редкими исключениями он тщательно избегал обсуждения этой возможности в своих книгах. Однако в частном порядке он был гораздо менее сдержан, о чем свидетельствует письмо, которое он отправил в феврале 1871 года Фрэнсису Хукеру, в котором он классно написал: «… часто говорят, что все условия для первого воспроизводства живого организма сейчас присутствуют, которые могли когда-либо присутствовать.Но если бы (и о, какое большое «если») мы могли бы зачать ребенка в каком-нибудь теплом маленьком пруду со всеми видами аммиака и фосфорных солей — светом, теплом, электричеством и т. Д. В настоящее время, когда химически образовалось белковое соединение, готовое к еще более сложным изменениям, в настоящее время такое вещество должно быть мгновенно съедено или поглощено, чего не было бы до образования живых существ ».

Как обсуждали Хули Перето и Хесус Катала в этом выпуске Evolution: Education and Outreach , нежелание Дарвина публично говорить о происхождении жизни удивило многих его друзей и последователей, которые решительно утверждали, что теория Дарвина была неполной до тех пор, пока это могло объяснить происхождение жизни.В список вошел Эрнест Геккель, чьи широко читаемые книги популяризировали теорию Дарвина и защищали возможность того, что живые организмы были эволюционным результатом постепенного превращения безжизненной гелеобразной материи в протоплазму, наделенную способностью фиксировать атмосферный CO ₂. в ранней атмосфере, что было широко распространенным понятием даже при жизни Дарвина.

Не менее важно то, что к концу девятнадцатого века химический разрыв, отделяющий неживое от живого, был по крайней мере частично перекрыт лабораторным синтезом органических молекул, которые долгое время считались фундаментально отличными от неорганических. соединения.Эта точка зрения вскоре соединилась с новыми областями биохимии и клеточной биологии, что привело к предложениям, в которых происхождение протоплазмы приравнивалось к происхождению жизни. Некоторые из этих гипотез рассматривали жизнь как возникающую черту природы и пытались понять ее происхождение, вводя принципы исторического объяснения, но большинство этих объяснений остались незамеченными, отчасти потому, что они были неполными, спекулятивными схемами, в значительной степени лишенными прямых доказательств и не подлежащими рассмотрению. к плодотворному экспериментальному тестированию.

Ситуация изменилась в течение 1920-х годов, когда Александр И. Опарин, молодой русский биохимик, предположил, что жизни предшествовал длительный период абиотического синтеза и накопления органических соединений, который произошел вскоре после образования Земли. Получив образование как биохимика растений, так и биолога-эволюциониста, Опарин обнаружил, что невозможно примирить свою дарвиновскую веру в постепенную, медленную эволюцию от простого к сложному с широко распространенным предположением, что жизнь возникла, уже наделенная автотрофным метаболизмом, который включали фотосинтетические пигменты, ферменты и способность синтезировать органические соединения из CO ₂.

Основываясь на простоте и повсеместности ферментативных реакций, а также на подробном анализе химического синтеза и астрономических наблюдений, Опарин предпринял попытку теоретической реконструкции условий примитивной Земли и эволюции органических молекул в доклеточные системы, из которых анаэробные клетки, которые питались супом, эволюционировали. Некоторое время спустя английский генетик и ученый-энциклопедист Джон Б.С. Холдейн независимо предложил несколько схожую схему, предполагая, что атмосфера, обогащенная CO ₂, способствовала образованию органических соединений, предполагая, что вирусы представляют собой промежуточный этап в переходе от пребиотика. отвар до первых клеток.

Опарин и Холдейн частично подкрепили свои предложения поразительными лабораторными синтезами биохимических соединений девятнадцатого века, осуществленными Велером, Стрекером, Батлероу и другими, но эксперименты основоположников органической химии не были лабораторным моделированием теплого пруда Дарвина. Отправной точкой пребиотической химии является эксперимент Миллера-Юри 1953 года, и последовавшие за ним лабораторные моделирования вскоре привели к демонстрации того, что многие другие мономеры, имеющие биохимическое значение, могут быть легко синтезированы в предполагаемых примитивных условиях.Как резюмируется здесь в статье Х. Джеймса Кливза, легкость образования в самых разных условиях аминокислот, пуринов и пиримидинов убедительно свидетельствует о том, что эти молекулы вместе с мочевиной, карбоновыми кислотами, сахарами, алифатическими и ароматическими углеводородами, и разветвленные и прямые жирные кислоты, включая некоторые, которые, как известно, образуют двухслойные мембраны, были компонентами пребиотического бульона.

Как предположил Хуан Оро в 1961 году, столкновения кометных ядер с примитивной Землей, в сочетании с вкладом других внеземных тел, таких как метеориты и межпланетная пыль, могли также наполнить примитивный бульон внеземными органическими соединениями.Независимо от их изначального происхождения, простые органические соединения, растворенные в примитивных океанах или других водоемах, должны быть сконцентрированы и полимеризованы с помощью простых физико-химических механизмов.

Независимо от его основных источников, органический материал, который мог накопиться на ранней Земле до появления жизни, весьма вероятно, состоял из широкого спектра различных типов соединений, в том числе многих простых соединений, которые сегодня играют важную роль в биохимии. Однако следует проявлять осторожность, особенно при обучении студентов современному уровню химии пребиотиков.Использование таких терминов, как «примитивный суп», «первобытный бульон» или «теплый пруд Дарвина» в некоторых случаях приводило к серьезным недоразумениям, включая упрощенный образ мирового океана, богатого самовоспроизводящимися молекулами и сопровождаемого всем остальным. разновидности биохимических мономеров. Выражение «теплый прудик Дарвина», которое долгое время использовалось для удобства, относится к частям гидросферы, где могли происходить накопление и взаимодействие продуктов синтеза пребиотиков.Не менее важно, что тот факт, что ряд молекулярных компонентов современных клеток может быть неферментативно образован в лаборатории, не обязательно означает, что они также были важны для происхождения жизни или что они были доступны в пребиотической среде. Трудно оценить сложность примитивного супа, который, скорее всего, включал в себя органические и неорганические химические соединения, содержащие ионы металлов, но не все соединения или молекулярные структуры, обнаруживаемые сегодня даже у простейших прокариот.Как эти абиотические органические компоненты были собраны в полимеры, а затем в первые живые существа, в настоящее время является одной из самых сложных областей исследования происхождения жизни.

Как подчеркнул Кливз, замечательное совпадение молекулярных составляющих живых организмов и тех, что были синтезированы в экспериментах с пребиотиками, слишком поразительно, чтобы быть случайным, и устойчивость этого типа химии подтверждается наличием большинства этих биохимических соединений в 4.Углеродистый хондрит Мерчисон возрастом 5 миллиардов лет и другие богатые углеродом метеориты указывают на химический состав примитивной Солнечной системы. Как впервые возникла жизнь, неизвестно, но анализ углеродистых хондритов и лабораторное моделирование примитивной Земли позволяют предположить, что до появления первых живых систем пребиотическая среда была наделена: (а) большим набором органических соединений биохимическое значение; (b) широкий спектр органических и неорганических катализаторов, включая цианамид и другие производные HCN, ионы металлов, богатые серой минералы и глины; (c) пурины и пиримидины, т.е.е., потенциал для зависимых от матрицы реакций полимеризации; и (d) мембранообразующие соединения.

Действительно, катализ, репликация и мембраны — это свойства, которые мы ассоциируем с живыми существами, как показывает обсуждение метаболизма, воспроизводства и клеточной структуры. Обобщенные здесь данные свидетельствуют о том, что для возникновения первых форм жизни потребовалось не появление отдельной живой молекулы, а одновременная координация множества различных компонентов в результате стечения процессов.Как обсуждает Б. Влаардингербрук в своей статье о парадоксе соритов, впервые сформулированной постсократическим греческим философом Евбулидом Милетским, это точка перехода между противоположными сторонами непрерывного процесса. Решение этой проблемы в классе может обеспечить перспективу для правильного признания того, что жизнь является результатом эволюционного процесса, ограниченного законами физики и химии, и может привести к признанию того, что многие свойства, связанные с живыми системами, такие как репликация, самость -сборка или катализ также встречаются у неживых сущностей.Некоторые системы могут не быть «полуживыми», но они могут проявлять некоторые свойства, которые мы ассоциируем с живыми существами, такие как самоорганизация, репликация или дарвиновская эволюция.

Как отмечают Пурифкасьон Лопес-Гарсия и Дэвид Морейра в своей статье о вирусах, включенной в этот выпуск, существует почтенная интеллектуальная традиция, основанная на очевидной простоте и репликативной способности вирусов, которая связывает их с источником жизни. Однако нет никаких доказательств того, что вирусы действительно примитивны.Такая гипотеза время от времени появляется на поверхности, включая недавние предположения о том, что самым ранним клеткам предшествовали этапы эволюции с участием вирусоподобных генетических полимеров абиотического происхождения, синтезированных в минеральных компартментах сульфида железа в теплой гидротермальной среде, которые, как предполагается, являются предковыми для существующие РНК-вирусы, ретровирусы, а позже и ДНК-вирусы.

Конечно, возможно, что (некоторые) вирусные геномы РНК (или их части) возникли в мире РНК / белков, который предшествовал эволюционному развитию биосинтеза ДНК и расхождению трех основных клеточных линий, о которых говорили Артуро Бесерра и Луис. Задержитесь в этом вопросе.Однако предположение о том, что такие стадии происходили в пределах гидротермальных систем, не подтверждается текущими описаниями примитивной среды и вызывает серьезные химические проблемы, связанные с абиотическим синтезом, накоплением и стабильностью рибонуклеотидов и полирибонуклеотидов.

Удивительная способность молекул РНК катализировать все большее количество химических реакций оказала сильную поддержку возможности так называемого мира РНК, и, как с удивительной ясностью обсуждалось здесь Эндрю Эллингтоном, значительно упрощает понимание происхождения биосинтеза белков и генетического кода.Гипотеза мира РНК, однако, не подразумевает, что жизнь должна быть лишена своей идентичности и сведена к простому собранию автокаталитических молекул РНК. Существует множество определений мира РНК, но они не подразумевают, что на примитивной Земле внезапно появились рибозимы, наделенные чудесной способностью создавать полностью функциональные живые существа.

Химическая нестабильность РНК и проблемы, связанные с абиотическим синтезом ее мономеров, привели некоторых к предположению, что самой РНК, возможно, предшествовали более простые генетические полимеры, появление которых ознаменовало начало истинной наследственности и, следовательно, естественного отбора.Не все согласны с этой возможностью, но в любом случае в настоящее время разрыв между примитивным супом и миром РНК обескураживающе огромен.

Ошеломляющее расширение каталитического репертуара РНК в условиях in vitro, которое позволяет эволюции новых химических способностей проявляться под давлением отбора и катализировать все большее количество реакций, оказало сильную поддержку возможности мира РНК. К сожалению, невозможно установить точную хронологию его возникновения или других событий, которые могли предшествовать существующим клеткам ДНК / РНК / белков.Признание того, что жизнь — очень древний феномен, идет параллельно с ограничениями, налагаемыми скудными архейскими геологическими данными, которые становятся все более размытыми по мере того, как мы возвращаемся в прошлое, с очень немногими породами старше 3,5 миллиардов лет.

Как утверждают Бесерра и Делэй, сравнительная геномика дает важные ключи к разгадке самых ранних стадий биологической эволюции, которые можно легко применить в классе. Верно то, что применимость этого подхода не может быть расширена за пределы порога, который соответствует периоду клеточной эволюции, в котором уже действовал опосредованный рибосомами синтез белка, но, как утверждает Ренато Фани, инструменты биоинформатики в сочетании с огромным количеством информации о классической микробной генетике, позволяют существенно понять происхождение и раннюю эволюцию метаболических путей.К сожалению, невозможно ни установить точную хронологию происхождения и самой ранней эволюции клеток, ни получить прямые доказательства более ранних стадий, которые, возможно, включали опосредованные рибозимами пути биосинтеза.

Маловероятно, что палеонтологические записи предоставят прямые данные о том, как впервые появилась и развивалась жизнь. Нет ни геологических свидетельств условий окружающей среды на Земле во время зарождения жизни, ни каких-либо ископаемых свидетельств эволюционных процессов, предшествовавших появлению первых клеток.Отсутствует прямая информация не только о составе земной атмосферы в период зарождения жизни, но также о температуре, значениях pH океана и других общих и местных условиях окружающей среды, которые могли или не могли быть важными для появления жизнь. Признаки первых живых организмов также неизвестны. Они не были похожи на существующие микробы, но, вероятно, были проще, чем любая ныне живущая клетка, и, возможно, не имели не только белкового катализа, но и, возможно, даже знакомых генетических макромолекул с их рибозофосфатными скелетами.

Изучение происхождения жизни — законный научный вопрос и соблазнительное интеллектуальное усилие. Те, кто изучает его, знают, что им есть о чем скромничать, и они, как правило, так и делают. Мы никогда не узнаем во всех подробностях, как впервые появилась жизнь. Если это звучит пессимистично, то это так; в конце концов, в статьях, включенных в этот выпуск Evolution: Education and Outreach, есть много пробелов. Однако нам это не нужно, как утверждают громогласные креационистские движения, вновь появившиеся в U.С. и расширяются в другие страны, чтобы представить сверхъестественные объяснения, основанные на так называемом разумном замысле. Изучение происхождения жизни превратилось из чисто умозрительной дискуссии в работающую исследовательскую программу. Это правда, что он полон противоречий, но такие разногласия признаются научным сообществом как интеллектуальные проблемы и в большинстве случаев приводят к плодотворным дебатам. Доказательства научного незнания не являются доказательством творения.Существуют многочисленные исторические записи, которые позволяют нам реконструировать с разной степенью точности эволюционные процессы, предшествовавшие возникновению жизни, и тот факт, что мы можем решить эту проблему, сам по себе является крупным интеллектуальным достижением, которое можно передать. как ученикам, так и учителям.

Информация об авторе

Принадлежности

Facultad de Ciencias, Universidad Nacional Autónoma de México, Мехико, Мексика
Антонио Ласкано

Автор, ответственный за переписку

Антонио Ласкано.

Об этой статье

Цитируйте эту статью

Ласкано, А. Происхождение и ранняя эволюция жизни: где, когда и как ?. Evo Edu Outreach 5, 334–336 (2012). https://doi.org/10.1007/s12052-012-0452-8

Ссылка для скачивания

Ключевые слова

Углеродистый хондрит
Спонтанное образование
Химия пребиотиков
Живая сущность
Sorites Paradox жизни: Условия, породившие жизнь на Земле Вопрос о происхождении жизни на Земле давно обсуждается.Существует множество теорий относительно того, как развивалась жизнь, но профессора Сигенори Маруяма (ELSI, Токийский технологический институт), Кен Курокава (Национальный институт генетики) и доктор Тошиказу Эбисудзаки (RIKEN) нашли способ сузить круг вопросов до одного. единственная вероятная теория. Составив список из девяти основных экологических требований, они предполагают, что наиболее вероятным местом зарождения жизни является ядерный гейзер, где регулярно циркулируют материалы и энергия. В рамках проекта Hadean Bioscience Project также был снят ряд фильмов в сотрудничестве с LiVE Company Ltd.»Вся история Земли и жизни» доступна на YouTube.
Происхождение Земли — сложная история. Его поверхность претерпела долгую эволюцию, претерпев огромные изменения за миллионы лет. С самого раннего этапа аккреции, когда газ и пыль начали сливаться под действием силы тяжести, это была динамичная планета. Бомбардировка астероидов и горячего внутреннего ядра означала, что самая ранняя среда на Земле была враждебной, голой скалой. Геологи ссылаются на это время, начиная с момента первоначального образования Земли 4.6 миллиардов лет назад, как хадейский эон. Слово Хадей происходит от греческого бога Аида, правившего подземным миром, и является подходящей аналогией адской среды.
Геологи давно изучают немногочисленные остатки этого времени, записанные в горных породах, в надежде найти подсказки об условиях на Земле. Единственные сохранившиеся записи от 4,6 до 4 миллиардов лет назад обнаружены в твердом кристаллическом минерале под названием циркон. Однако жизненно важно, чтобы ученые узнали как можно больше об этом времени, поскольку именно в этих суровых и адских условиях произошло зарождение жизни.
Самая ранняя Земля была «голой планетой»; коллеги из Hadean Bioscience описывают ее как не имеющую океана или атмосферы, когда она впервые сформировалась.
Профессора Сигенори Маруяма, Кен Курокава и доктор Тошиказу Эбисудзаки являются частью команды, работающей над проектом Hadean Bioscience, в основном базирующейся в Институте наук о Земле и жизни (Токийский технологический институт). В проекте участвуют ученые из разных областей, включая геологию, биологию и физику, создавая междисциплинарную команду, работающую над ответом на фундаментальный вопрос о том, когда, где и как зародилась жизнь на Земле.
Хадейская Земля
Ответ на вопрос о том, как зародилась самая первая жизнь на Земле, долгое время было проблемой для ученых. Неужели на Земле спонтанно возникла жизнь? Если да, то как это могло произойти? И означает ли это, что на других планетах с похожими условиями окружающей среды тоже есть жизнь?
Междисциплинарная команда, работающая над ответом на фундаментальный вопрос о том, когда, где и как
родилась на Земле жизнь.
Наземные воды были вторичными в результате бомбардировки ABEL 4.37-4.20 млрд лет назад.
Мы знаем, что жизнь на Земле построена на соединениях, содержащих такие элементы, как углерод, азот, водород и кислород. Сложные последовательности этих элементов связаны друг с другом, образуя сами строительные блоки жизни. Они образуют важные органические молекулы, такие как сахара, ферменты, белки и ДНК. Однако эти органические молекулы не существовали естественным образом на Земле во время Хадейского эона, когда появились первые зародыши жизни. Необходимые элементы существовали только в неорганической форме, связанные со скалами, атмосферой и ранним океаном.
Возникновение жизни зависит от условий окружающей среды при энерго-материальном круговороте.
Самая ранняя Земля была «голой планетой»; коллеги Hadean Bioscience описывают ее как не имеющую океана или атмосферы, когда она впервые сформировалась. В конечном итоге они появились около 4,37 миллиарда лет назад после того, как на Землю обрушился водный астероид. Когда появилась жидкая вода и атмосфера, у пребиотической жизни больше шансов сформироваться (химические предшественники жизни на Земле).Считается, что первые следы жизни, зарегистрированные на Земле, имеют возраст 4,2 миллиарда лет, что указывает на то, что жизнь могла возникнуть в течение 200 миллионов лет после первого появления жидкой воды.
Модель атомного гейзера. Изображения взяты из фильма «Вся история Земли и жизни», созданного Hadean Bioscience Project.
Требования для ранней жизни
Мы знаем, что все ключевые элементы для жизни находятся на Земле, но они не образуют органические соединения легко.Ранние эксперименты 1950-х годов показали, что аминокислоты могли образовываться при конденсации воды в экспериментальных условиях, имитирующих атмосферу ранней Земли. Однако для этого требовался мощный источник энергии. Подвод энергии вызвал химические реакции, способные создавать соединения на основе водорода, углерода и азота, которые в конечном итоге образуют органические молекулы.
Исследователи Hadean Bioscience предполагают, что для того, чтобы понять, как зародилась жизнь на Земле, нам необходимо понять конкретные экологические требования, которые должны быть выполнены, чтобы это могло произойти.Они определили девять конкретных условий, и если все эти экологические требования не соблюдены, жизнь не может родиться.
Ядерный гейзер
Существует множество теорий о том, как зародилась жизнь. Один из самых популярных был выдвинут самим Дарвином, который предположил, что «теплый маленький пруд» мог быть наиболее вероятным местом зарождения жизни. Другая популярная теория утверждает, что гидротермальные жерла вдоль срединно-океанических хребтов были бы идеальным местом для развития предшественников жизни, в то время как другие предполагают, что жизнь была принесена сюда из других частей Вселенной и доставлена во время столкновения с астероидом.Выявив основные требования для жизни, коллеги Hadean Bioscience смогли определить наиболее вероятное место возникновения жизни.
Ядерные гейзеры — явление, которого мы не видим на современной Земле. Во время Хадейского эона некоторые радиоактивные элементы были гораздо более распространены на поверхности Земли. Радиоактивные элементы, такие как уран, содержат нестабильные изотопы, которые со временем распадаются и выделяют радиацию. Заряженные частицы, образующие излучение, могут реагировать с окружающей водой, активируя инертные молекулы и атомы и создавая поток электронов, который запускает дальнейшие химические реакции.Вода нагревается естественным ядерным реактором и периодически разбрызгивается на поверхность Земли подобно гейзерам, которые мы видим сегодня на Земле.
… понимая эти ключевые требования для формирования жизни на Земле и то, как они определяют место для ее самого раннего зарождения, мы можем начать понимать, где мы можем найти жизнь
за пределами нашей планеты.
Появление первой жизни
Исследователи Hadean Bioscience смогли показать, что ядерный гейзер — единственная теория местонахождения первой жизни, которая удовлетворяет всем девяти основным требованиям:
Чтобы пребиотическая жизнь зародилась, необходим мощный источник энергии.Энергии одного Солнца недостаточно, чтобы разрушить неорганические соединения, такие как азот (N ₂), углекислый газ (CO ₂) и воду (H ₂ O), и преобразовать их в сложные органические молекулы. Однако естественный ядерный реактор обеспечит более чем достаточно энергии для запуска требуемых реакций.
Запасы основных элементов — еще одно условие для формирования жизни, поскольку большинство организмов на Земле состоит из углерода, водорода, кислорода и азота. Ранняя земная кора вместе с атмосферой и океаном может их снабжать.
Наряду с элементами, которые образуют строительные блоки органических соединений, должен быть готовый источник питательных веществ, поддерживающих жизнь. Источником питательных веществ на ранней гадейской Земле были породы на поверхности Земли, богатые железом и фосфором, а также более редкими элементами, такими как калий и уран.
Еще одним ключевым требованием является высокая концентрация газов, содержащих такие соединения, как аммиак и метан. Замкнутое пространство, такое как подземная камера в водопроводе ядерного гейзера, может собирать достаточную концентрацию этих газов.
Команда также определила, что циклы «сухой-влажный» являются еще одним важным условием окружающей среды для возникновения жизни. Чередование гидратации и дегидратации может привести к образованию более сложных органических молекул из аминокислот, таких как РНК.
Для зарождения жизни вода должна быть чистой и нетоксичной. Ранние океаны были очень кислыми и очень солеными, и жизнь здесь не могла возникнуть и не выжить. Это говорит о том, что жизнь могла сформироваться в водной среде на суше, например в бассейне или водно-болотном угодье.
Вода также должна быть бедна натрием и богата калием. Мы знаем это, поскольку современные клетки содержат мало натрия, что позволяет предположить, что жизнь сформировалась в среде, где он был относительно недоступен.
Цикл между днем и ночью — еще одно жизненно важное условие для зарождения жизни. Циклы день-ночь допускают колебания температуры, при этом низкие и высокие температуры вызывают различные типы реакций и способствуют самовоспроизведению последовательностей ДНК.
Наконец, для появления жизни необходима разнообразная среда.Изменения pH, солености и температуры будут способствовать возникновению различных типов реакций, приводящих к более сложным и разнообразным органическим молекулам. Разнообразная среда могла бы возникнуть на суше Земли из-за тектоники плит, но не в ее океанах.
Жизнь за пределами Земли
Команда смогла показать, что ядерный гейзер является наиболее вероятным местом рождения жизни, а не гидротермальным источником с токсичными океанами, недостатком питательных веществ и недостаточной энергией для движения. реакции, которые производят органические молекулы.Система ядерных гейзеров — единственное предлагаемое место, отвечающее всем условиям. Понимая эти ключевые требования для формирования жизни на Земле и то, как они определяют место ее зарождения, мы можем начать понимать, где мы можем найти жизнь за пределами нашей планеты.
Персональный ответ
Что впервые вдохновило вас на исследование происхождения жизни на Земле?
Профессор Маруяма: Я давно занимаюсь исследованиями истории Земли и жизни.Тайна происхождения Земли и происхождения самой жизни до сих пор не разгадана. Я решил разобраться с этой загадкой, опираясь на наши знания мировой геологии, истории Земли и совместной эволюции Земли и жизни. Ключевое понятие заключается в том, что окружающая среда способствует возникновению и развитию жизни. Серия фильмов Hadean Bioscience CG «Вся история Земли и жизни» теперь демонстрируется на YouTube: www.youtube.com/c/HadeanBioscience
Эволюция
на Земле произошла в 5 этапов • Офис новостей и связей с общественностью • Свободный университет Берлина
В перспективе, опубликованной сегодня в журнале Nature Ecology and Evolution , биолог-эволюционист и писатель д-р.Оливия Джадсон выдвигает новую основу для истории жизни и Земли — и предполагает, что это может помочь предсказать вероятное развитие систем жизни и планет в других местах. Джадсон в настоящее время является приглашенным исследователем в Институте биологии Свободного университета Берлина. Она также является почетным научным сотрудником Имперского колледжа Лондона (Великобритания) и научным сотрудником Университета Глазго (Великобритания).
В обобщенном синтезе, основанном на исследованиях в самых разных областях, от геохимии и палеонтологии до микробной экологии и антропологии, Джадсон утверждает, что развитие Земли происходило в пять этапов.Каждый этап отмечен эволюцией организмов, которые могут использовать новый и более мощный источник энергии, позволяя жизни становиться все более разнообразной и сложной. Каждый этап также оказал большое влияние на планетарную среду, что, в свою очередь, определило ход эволюции. Эта структура показывает, что эволюция жизни и Земли в значительной степени взаимозависимы.
Пять источников энергии: геохимическая энергия, солнечный свет, кислород, плоть и огонь. Геохимическая энергия и солнечный свет присутствуют с момента образования Земли, примерно 4 года.5 миллиардов лет назад. Считается, что первые формы жизни питались за счет геохимической энергии, а способность использовать солнечный свет появилась позже. Однако кислород, плоть и огонь — все это последствия эволюционных событий.
Хотя у нас нет (пока!) Примеров живых планет или лун где-либо еще, эта структура энергетических шагов предполагает, что развитие биосферы опирается на типы доступной ей энергии — а это, в свою очередь, зависит от как планета, так и ее космическое положение.Например, геохимическая энергия может позволить появиться жизни, но если планета или луна находятся далеко от звезды, энергия света будет недоступна. Без света система жизненных планет может «застрять» на ранней стадии своего развития.
Точно так же мир с геологией, отличной от земной, может быть не в состоянии накапливать кислород, даже если его производит жизнь. Опять же, без кислорода жизнь, вероятно, была бы довольно ограниченной. И наоборот, некоторые планеты могли накапливать источники энергии и, таким образом, образовывать сложные биосферы намного быстрее, чем Земля.
«Сложная биосфера не является автоматическим следствием эволюции. Это также зависит от того, как жизнь взаимодействует со своим миром », — говорит Джадсон. «Чтобы процветать, живой мир должен обогащать окружающую среду».
Кислород, который впервые накопился в атмосфере Земли около 2,3 миллиарда лет назад, является следствием деятельности группы организмов, называемых цианобактериями; они эволюционировали, чтобы использовать энергию солнечного света для расщепления молекул воды, при этом в качестве побочного продукта выделяется кислород.Затем появились новые формы жизни, которые могли использовать кислород. Это в конечном итоге привело к появлению плоти — эволюции мобильных животных, которые питаются другими организмами — примерно 550 миллионов лет назад. Огонь, который требует и кислорода, и топлива, был невозможен на Земле до появления наземных растений, около 420 миллионов лет назад. (Земля — единственная планета в Солнечной системе, на которой есть огонь.)
Каждое из этих событий привело к значительным изменениям в системе жизнь-Земля. Появление кислорода создало озоновый слой и привело к значительному увеличению количества различных минералов на поверхности Земли.На стадии плоти организмы начали расти, а экосистемы стали намного сложнее. Плоть также оказала большое влияние на геологию. Например, оказывая давление на другие формы жизни, чтобы защитить себя от поедания, плоть привела к эволюции раковин. Иногда они накапливаются в огромных количествах — вспомните меловые скалы Дувра в Великобритании или Рюгена в Германии.
Огонь, тем временем, был впервые использован в качестве источника энергии предками человека около миллиона лет назад для приготовления пищи — процесса, который упрощает извлечение энергии из пищи.Со временем огонь также стал основой многих трудосберегающих человеческих технологий. Ранние примеры включают использование огня для изготовления инструментов: неандертальцы использовали огонь для нагрева березовой смолы для изготовления клея и использовали клей для прикрепления головок топоров к ручкам. Более свежие примеры технологий, основанных на огне, включают печи для плавки чугуна или стекла; паровой двигатель и двигатель внутреннего сгорания; и процесс Haber-Bosch для синтеза азотных удобрений, технология, которая способствовала огромному увеличению населения за последние 100 лет.Технология огня также оказывает воздействие на окружающую среду, от повышения уровня углекислого газа в атмосфере до увеличения уровня загрязнения азота и пластика, до переделки ландшафта с шахтами, туннелями, плотинами и городами.
«Эта схема показывает, как жизнь и Земля развивались вместе. С использованием каждого нового источника энергии, изменения привели к изменению окружающей среды », — говорит Джадсон. «Эти изменения окружающей среды, в свою очередь, изменили эволюцию жизни и сделали планету таким удивительным местом, каким она является сегодня.”
«Мы, люди, хорошо приспособлены для жизни на этой планете, потому что здесь мы эволюционировали», — добавляет она. «Но большинство людей не осознают, что сама планета сильно изменилась со временем — из-за жизни».
Ключевые первые шаги к зарождению жизни происходят в различных условиях — ScienceDaily
Потенциальные предшественники жизни на Земле образуются из множества сложных смесей, по мнению группы ученых, которые считают, что это может указывать на развитие строительства. блоки, имеющие решающее значение для формирования генетических молекул для происхождения жизни на Земле.
Генетические молекулы обеспечивают способность хранить и воспроизводить информацию и, возможно, имели решающее значение для происхождения жизни, но неясно, как они возникли из сложной химической среды, существовавшей на ранней Земле. Новые результаты, опубликованные на этой неделе в журнале Scientific Reports , предполагают, что ответ может начаться с гетероциклов азота, кольцевых молекул, которые, как считается, распространены на молодой Земле и в других частях Солнечной системы. Несколько типов гетероциклов служат в качестве азотистых оснований или субъединиц ДНК и РНК, генетических молекул, используемых жизнью, какой мы ее знаем.
«Одна из задач изучения происхождения жизни — это расшифровать, какие реакции были ключевыми шагами», — сказал Кристофер Хаус, профессор наук о Земле в Пенсильванском университете. «Наша работа здесь определила наиболее вероятные следующие шаги, которые эти молекулы могли бы предпринять».
Группа исследователей обнаружила, что гетероциклы азота, возможно, служили строительными блоками для жизни в серии испытаний, которые генерировали сложные химические смеси, подобные тем, которые, возможно, создавались ударами молнии, проходящими через атмосферу ранней Земли.Десятки различных гетероциклов производили сходные примитивные генетические предшественники, даже когда состав атмосферы в ходе исследования варьировался.
«Настоящим сюрпризом было то, что так много разных таких кольцевых молекул оказались реактивными и что они образовали один и тот же следующий шаг независимо от того, какую имитируемую атмосферу мы использовали», — сказал Хаус, который также является директором Исследовательского центра астробиологии штата Пенсильвания. и Консорциум космических грантов НАСА Пенсильвании.
Результаты подтверждают гипотезу о том, что более простые генетические структуры могли предшествовать образованию ДНК и РНК, и предполагают, что аналогичные пребиотические реакции могли происходить в других частях Солнечной системы.
В отличие от предыдущих исследований, в которых изучались аналогичные реакции в изолированных условиях, команда использовала органически сложные смеси, которые лучше имитируют химию ранней Земли, не зная, будут ли реакции представлять собой конструктивный шаг к жизни или тупик.
В ходе исследования гетероциклы реагировали в сложной смеси с образованием химически активных боковых цепей, структур, которые связывают гетероциклы вместе и способствуют образованию более сложных молекул, сказали исследователи.
Эти модифицированные гетероциклы могут служить субъединицей пептидных нуклеиновых кислот (ПНК), предполагаемого предшественника РНК. То, что они так легко образовывались в различных атмосферных условиях, подтверждает теорию о том, что PNA могли образоваться на пребиотической Земле.
«Наши результаты намекают на возможность ПНК на ранней Земле, поскольку мы наблюдали множество надежных путей синтеза некоторых из ее компонентов», — сказал Майк Каллахан, доцент химии в Государственном университете Бойсе.
Результаты также имеют значение для подобных генетических предшественников в других мирах.
«Органические вещества, вступающие в реакцию с гетероциклами и образующие эти боковые цепи, также были обнаружены в межзвездной среде, кометах и даже в атмосфере Титана», — сказала Лаура Родригес, которая руководила исследованием в качестве докторанта, изучающего геологические науки в Пенсильванском государственном университете. «И поскольку реакции были устойчивыми в сложных смесях в широком диапазоне условий, наши результаты могут иметь значение для образования PNA за пределами Земли».
Также внесли свой вклад в это исследование Карен Смит, старший научный сотрудник, и Мелисса Робертс, аспирант, оба из штата Бойсе.
Программа NASA Exobiology, Институт астробиологии NASA через Центр астробиологии Годдарда и Исследовательский центр астробиологии штата Пенсильвания финансировали этот проект.
История Источник:
Материалы предоставлены Penn State .

Урок по биологии по теме «Происхождение и начальные этапы развития жизни на Земле»

Закрепление изученного материала:

Подведение итогов. Выставление оценок

Начальные этапы развития жизни на Земле

7.4. Генетика и эволюция

Закономерности наследования

Происхождение и начальные этапы развития жизни на Земле

1. Происхождение и начальные этапы развития жизни на Земле.

2. План урока

12. Гипотеза креационизма

18. Основоположники теории биохимической эволюции

20. Стэнли Миллер проиллюстрировал 1-ую стадию биопоэза

21. Установка Стэнли Миллера

22. Этап химической эволюции

23. Этап предбиологической эволюции

25. Этап биологической эволюции

26. Русские ученые в начале 20 века развили гипотезу о симбиозе бесхлорофилльной клетки с клеткой сине-зеленой водоросли

27. Возникновение многоклеточности по гипотезе И. И. Мечникова

28. Гипотеза Эрнста Геккеля о дифференцировке клеток колонии

34. В Протерозое (2 млрд лет) появилось ядро, половой процесс и многоклеточные, водоросли, озоновый слой, первые наземные лишайники

37. Кембрий и Ордовик: расцвет медуз, кораллов, древних членистоногих — трилобитов, бесчелюстные рыбообразные, головоногие

38. Силур: развитие ракоскорпионов, массовое распространение панцирных рыб, на сушу выходят псилофиты – первые наземные споровые

39. Девон: на смену панцирным рыбам приходят древние хрящевые – акулы и скаты, появляются первые костные рыбы; в мелких водоемах –

40. Карбон: распространяются леса из гигантских хвощей, плаунов и папоротников; крылатые насекомые; к концу карбона появляются

41. Пермь: продолжается похолодание, сокращается разнообразие земноводных, распространяются пресмыкающиеся, появляются голосеменные

43. Триас: начало расцвета динозавров, появляются крокодилы и черепахи; важнейшим достижением является появление теплокровности и

44. Юра: господствуют голосеменные растения и пресмыкающиеся, в появившемся Атлантическом океане развиваются головоногие моллюски;

45. Мел: характеризуется образованием высших млекопитающих и настоящих птиц; появляются и быстро распространяются покрытосеменные

47. Палеоген климат более континентальный, ледяные шапки на полюсах, бурный расцвет млекопитающих и птиц, первые приматы, в воздухе

48. Неоген: климат стал более сухим, леса отступили, степи, саванны, злаки, парнокопытные, непарнокопытные, все хищники, 4,5 млн

49. Антропоген: климат стал холоднее, мамонты, шерстистые носороги, пещерные медведи, саблезубые тигры, овцебыки, человек-разумный,

50. Трилобиты

51. Стегоцефал

52. Стегозавр

53. Птерадонт

54. Мегалодон

55. Цинодонт

56. Блиц-опрос по теме «Развитие жизни на Земле».

57. Блиц-опрос по теме «Развитие жизни на Земле».

58. Блиц-опрос по теме «Развитие жизни на Земле».

60. Практическая работа

Происхождение и начальные этапы развития жизни на Земле | Тест по биологии (11 класс) на тему:

Урок биологии в 9 классе по теме «Начальные этапы развития жизни»

Презентация на тему: Происхождение и начальные этапы развития жизни на Земле

Первый слайд презентации: Происхождение и начальные этапы развития жизни на Земле

Слайд 2: План урока

Слайд 3

Слайд 4

Слайд 5

Слайд 6

Слайд 7

Слайд 8

Слайд 9

Слайд 10

Слайд 11

Слайд 12: Гипотеза креационизма

Слайд 13

Слайд 14

Слайд 15

Слайд 16

Слайд 17

Слайд 18: Основоположники теории биохимической эволюции

Слайд 19

Слайд 20: Стэнли Миллер проиллюстрировал 1-ую стадию биопоэза

Слайд 21: Установка Стэнли Миллера

Слайд 22: Этап химической эволюции

Слайд 23: Этап предбиологической эволюции

Слайд 24

Слайд 25: Этап биологической эволюции

Слайд 26: Русские ученые в начале 20 века развили гипотезу о симбиозе бесхлорофилльной клетки с клеткой сине-зеленой водоросли

Слайд 27: Возникновение многоклеточности по гипотезе И. И. Мечникова

Слайд 28: Гипотеза Эрнста Геккеля о дифференцировке клеток колонии

Слайд 29

Слайд 30

Слайд 31

Слайд 32

Слайд 33

Слайд 34: В Протерозое (2 млрд лет) появилось ядро, половой процесс и многоклеточные, водоросли, озоновый слой, первые наземные лишайники и первые хордовые

Слайд 35

Слайд 36

BBC — Земля — Секрет зарождения жизни на Земле