Концепция биохимического происхождения жизни Опарина—Холдейна

Содержание

 

Введение 3

1 Концепция биохимического происхождения жизни Опарина—Холдейна 5

Заключение 12

Список использованной литературы 13

 

 

 

Введение

 

Жизнь - одно из сложнейших явлений природы. Со времен глубокой древности она  казалась людям таинственной и непознаваемой. Приверженцы религиозных идеалистических  взглядов считали жизнь духовным, нематериальным началом, возникшим  в результате божественного творения. В средние века жизнь связывалась  с присутствием в организмах некоей "жизненной силы", недоступной  для познания средствами науки и  практики.

Проблема  возникновения жизни на Земле  издавна не дает покоя многим ученым. С тех пор, как человек начал  задаваться вопросом, откуда произошло  все живое прошло много лет, и  за все это время рассматривалось  множество гипотез и предположений  о зарождении жизни. Религиозная  теория, теория самозарождения, теория панспермии, теория вечного существования  жизни... Человечество до сих пор  не может до конца разгадать эту  загадку. Меня всегда интересовали вопросы, ответы на которые точно неизвестны и существуют только в виде предположений, теорий. Одной из таких проблем  является происхождение жизни. С  кратким содержанием этих теорий нас знакомили еще в школе, сейчас у меня появилась возможность  рассмотреть одну из них, наиболее близкую  мне, наиболее вероятную, подробнее  и глубже, разобраться в ее положениях, приведенных доказательствах.

В развитии учений о происхождении жизни  существенное место занимает теория, утверждающая, что все живое происходит только от живого - теория биогенеза. Эту  теорию в середине ХIХ века противопоставляли ненаучным представлениям о самозарождении организмов (червей, мух и др.). Однако как теория происхождения жизни - биогенез несостоятелен, поскольку принципиально противопоставляет живое неживому, утверждает отвергнутую наукой идею вечности жизни.

Теория, предложенная А. И. Опариным в первой половине ХХ века, основана на предположении  о химической эволюции, которая постепенно переходит к биохимической, а  затем к биологической эволюции. Образование клетки явилось сложнейшим явлением. Но оно и положило начало развитию жизни и всему ее многообразию. Абиогенез - идея о происхождении  живого из неживого - исходная гипотеза современной теории происхождения  жизни. Это привело к возрождению  теории самозарождения. Новая версия получила название теория химической эволюции.

 

1 Концепция биохимического происхождения жизни Опарина—Холдейна

 

Среди современных  взглядов на происхождение жизни  важнейшее место занимает биохимическая  концепция, которую выдвинул в 1924 г. советский биохимик А.И. Опарин. Согласно этой концепции жизнь возникла в  специфических условиях древней  Земли и является закономерным результатом химической эволюции соединений углерода во Вселенной.

Процесс возникновения жизни включает три  этапа:

• Возникновение органических веществ;

• Образование из более простых органических веществ биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липидов и др.);

3. Возникновение  примитивных самовоспроизводящихся  организмов. В каких же условиях  могли происходить эти явления?

А.И. Опарин высказал мысль, что атмосфера первичной  Земли была не такой, как сейчас, и носила строго восстановительный  характер.

Возраст Земли, по мнению геологов и астрономов, составляет примерно 4,5 млрд лет. В далеком прошлом состояние нашей планеты было мало похоже на нынешнее. По всей вероятности, температура ее поверхности была очень высокой (4000—8000°С).

По мере остывания углерод и более  тугоплавкие металлы конденсировались и образовывали земную кору. В ее состав, кроме карбидов, входят соединения алюминия, кальция, железа, магния, натрия, калия и других элементов. Поверхность  планеты была, вероятно, неровной. В  результате вулканической деятельности, непрерывных подвижек коры и сжатия, вызванного охлаждением, на ней образовывались складки и возвышения. Легкие газы — водород, гелий, азот, кислород и  аргон — уходили из атмосферы, так как гравитационное поле нашей  планеты не могло их удерживать. Однако простые соединения, содержащие эти и другие элементы, удерживались у Земли. К ним относится вода, аммиак, диоксид углерода и метан, возможно, цианистый водород.

При остывании  Земли у ее поверхности происходило конденсирование паров воды, что привело к образованию первичного водного океана. Под воздействием различных видов энергии (электрические разряды молний, солнечная энергия и др.) из простых соединений образовались более сложные органические вещества, а затем и биополимеры. Отсутствие в атмосфере кислорода было, вероятно, необходимым условием образования органических веществ. Это предположение подтверждается результатами лабораторных опытов, показавшими, что органические вещества гораздо легче создаются в отсутствии кислорода.

По мнению Опарина, разнообразие находившихся в  океанах простых соединений, большая  площадь поверхности Земли, доступность  энергии и большой промежуток времени позволяют предположить, что в океане постепенно происходило  накопление органических веществ, что  в итоге привело к образованию  того «первичного бульона», в котором  могла возникнуть жизнь. В 1953 г. это  предположение А. И. Опарина было экспериментально подтверждено опытами  американского ученого С. Миллера. В созданной им установке (рис. 85) были смоделированы условия, предположительно существовавшие в первичной атмосфере  Земли. В результате опытов были получены аминокислоты. Сходные опыты многократно  повторялись в различных лабораториях и позволили доказать принципиальную возможность синтеза в таких  условиях практически всех мономеров  основных биополимеров. В дальнейшем было установлено, что при определенных условиях из мономеров возможен синтез более сложных органических биополимеров: полипептидов, полинуклеотидов, полисахаридов и липидов.

Опарин  полагал, что решающая роль в превращении  неживого в живое принадлежит белкам. Благодаря своим свойствам белковые молекулы способны к образованию коллоидных гидрофильных комплексов, другими словами, они притягивают к себе молекулы воды, которые создают вокруг них оболочку. Эти комплексы могут обособляться от всей массы воды и сливаться друг с другом, приводя к образованию коацерватов (от лат. coaceruus — сгусток, куча). Разнообразие состава «первичного бульона» в разных местах вело к различиям в химическом составе коацерватов и поставляло таким образом материал для «биохимического естественного отбора».

Коацерваты, видимо, обладали способностью поглощать  различные вещества из окружающей их водной среды. Включение в их состав ионов металлов привело к образованию  ферментов.

На границе  между коацерватами и внешней  средой выстраивались молекулы липидов, что привело к образованию  примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей коацерватам стабильность. В результате включения в свой состав нуклеиновой кислоты, а также  благодаря внутренней- перестройке, приведшей к появлению ферментов, из покрытого липидной оболочкой коацервата могла возникнуть примитивная клетка, обладающая свойствами живого.

Поглощение  из «первичного бульона» новых веществ способствовало увеличению размеров коацерватов и их фрагментации, что приводило, возможно, к образованию идентичных коацерватов, т.е. к их «размножению». В ходе такой предположительной последовательности событий и должен был возникнуть примитивный самовоспроизводящийся гетеротрофный организм, питавшийся органическими веществами «первичного бульона».

Таким образом, жизнь на Земле могла возникнуть при следующих условиях: наличие  определенных химических веществ, отсутствие газообразного кислорода, наличие источников энергии и безгранично долгое время.

Система взглядов А.И. Опарина получила название коацерватной гипотезы.

К аналогичным  рассуждениям и выводам независимо от Опарина пришел в 1929 г. ученый Дж. Б. Холдейн, в связи с чем в настоящее время эта гипотеза возникновения жизни называется коацерватной гипотезой Опарина—Холдейна.

Гипотеза  Опарина—Холдейна была принята и развита в дальнейшем многими учеными разных стран. В 1947 г. английский ученый Джон Бернал сформулировал гипотезу биопоэза. Дж. Бернал также считает, что формирование жизни на Земле шло в три этапа:

• абиогенное возникновение органических веществ;

• формирование биополимеров;

• развитие мембранных структур и первых организмов.

Важнейшей биохимической гипотезой происхождения  жизни на Земле является коацерватная гипотеза Опарина—Холдейна. Согласно этой гипотезе жизнь возникла в бескислородных условиях в первичном водном океане путем самоорганизации молекул органических веществ, возникших абиогенным путем. Возникновение жизни на Земле шло в три этапа.

По однотипным правилам синтезировались в «первичном бульоне» гидросферы Земли полимеры всех типов: аминокислоты, полисахариды, жирные кислоты, нуклеиновые кислоты, смолы, эфирные масла и др. Это  предположение было проверено экспериментально в 1953 году на установке Стэнли Миллера.

Эксперимент Миллера, ставший поворотным пунктом  в этой области, был предельно  прост. Аппарат состоял из двух стеклянных колб, соединенных в замкнутую  цепь. В одну из колб помещено устройство, имитирующее грозовые эффекты - два  электрода, между которыми происходит разряд при напряжении около 60 тысяч вольт; в другой колбе постоянно кипит вода. Затем аппарат заполняется атмосферой, предположительно существовавшей на древней Земле: метаном, водородом и аммиаком. Аппарат проработал неделю, после чего были исследованы продукты реакции. В основном получилась вязкое месиво случайных соединений; в растворе также было обнаружено некоторое количество органических веществ, в том числе и простейшие аминокислоты - глицин и аланин.

Первичные клетки предположительно возникли при  помощи молекул жиров (липидов). Молекулы воды, смачивая только гидрофильные концы  молекул жиров, ставили их как  бы «на голову», гидрофобными концами  вверх. Таким способом создавался комплекс упорядоченных молекул жиров, которые  за счет прибавления к ним новых  молекул постепенно отграничивали  от всей окружающей среды некоторое  пространство, которое и стало  первичной клеткой, или коацерватом  — пространственно обособившейся  целостной системой. Коацерваты оказались  способными поглощать из внешней  среды различные органические вещества, что обеспечивало возможность первичного обмена веществ со средой.

Таким образом, первичная клеточная структура, по Опарину, представляла собой открытую химическую микроструктуру, которая  была наделена способностью к первичному обмену веществ, но еще не имела системы  для передачи генетической информации на основе нуклеиновых кислот. Такие  системы, черпающие из окружающей среды  вещества и энергию, могут противостоять  нарастанию энтропии и способствовать ее уменьшению в процессе своего роста  и развития, что является характерным  признаком всех живых систем. Отдельная  молекула, даже очень сложная, не может  быть живой. Это значит, что не разрозненные части определяют собой организацию  целого, а целое, продолжая эволюционировать, обусловливает целесообразность строения частей.

Естественный  отбор сохранял те системы, в которых  были более совершенными функция  обмена веществ и приспособленность  организма в целом к существованию  в данных условиях внешней среды. Постепенное усложнение протобионтов осуществлялось отбором таких коацерватных капель, которые обладали преимуществом в лучшем использовании вещества и энергии среды. Отбор как основная причина совершенствования коацерватов до первичных живых существ — центральное положение в гипотезе Опарина.

В ходе естественного  отбора выжили системы, имевшие особое строение белковых полимеров, что обусловило появление третьего качества живого - наследственности (специфичной формы  передачи информации).

Теорию  А.И. Опарина горячо поддержал кембриджский профессор Дж. Холдейн. Холдейн выдвинул гипотезу о том, что на первобытной Земле скопились огромные количества органических соединений, образовав то, что он назвал горячим разбавленным бульоном (впоследствии прижилось название первичный бульон или протобульон). Современное двуединое понятие первобытного бульона и самозарождения жизни исходит из теории Опарина-Холдейна о происхождении жизни, теория эта общепризнанна.

Концепция А. И. Опарина в научном мире весьма популярна. Сильной ее стороной является точное соответствие теории химической эволюции, согласно которой зарождение жизни - закономерный результат. Аргументом в пользу этой концепции служит возможность  экспериментальной проверки ее основных положений в лабораторных условиях.

Слабой  стороной концепции А. И. Опарина  является допущение возможности  самовоспроизведения коацерватных структур в отсутствие систем, обеспечивающих генетическое кодирование. Теория оказалась неспособной предложить решение проблемы точного воспроизведения - внутри коацервата и в поколениях - единичных, случайно появившихся эффективных белковых структур. В рамках концепции Опарина не решена главная проблема - о движущих силах саморазвития химических систем и перехода от химической эволюции к биологической, о причине таинственного скачка от неживой материи к живой.

Все было хорошо продумано и научно обосновано в теории, кроме одной проблемы, на которую долго закрывали глаза  почти все специалисты в области  происхождения жизни. Если спонтанно, путем случайных безматричных синтезов в коацервате возникали единичные удачные конструкции белковых молекул (например, эффективные катализаторы, обеспечивающие преимущество данному коацервату в росте и размножении), то как они могли копироваться для распространения внутри коацервата, а тем более для передачи коацерватам-потомкам?