Какие свойства живого были присущи коацерватными каплями
Коацерватные капли — это сгустки подобно водным растворам желатина. Образуются в концентрированных растворах белков и нуклеиновых кислот. Коацерваты способны адсорбировать различные вещества. Из раствора в них поступают химические соединения, которые преобразуются в результате реакций, проходящих в коацерватных каплях, и выделяются в окружающую среду.
Белково-коацерватная теория Опарина.
Согласно этой теории процесс, приведший к возникновению жизни на Земле, может быть разделён на три этапа:
•Возникновение органических веществ
•Возникновение белков
•Возникновение белковых тел
Астрономические исследования показывают, что как звёзды, так и планетные системы возникли из газопылевого вещества. Наряду с металлами и их окислами в нём содержались водород, аммиак, вода и простейший углеводород — метан.
Условия для начала процесса формирования белковых структур установились с момента появления первичного океана. В водной среде производные углеводородов могли подвергаться сложным химическим изменениям и превращениям. В результате такого усложнения молекул могли образоваться более сложные органические вещества, а именно углеводы.
Наука доказала, что в результате применения ультрафиолетовых лучей можно искусственно синтезировать не только аминокислоты, но и другие биохимические вещества. Большой победой современной биохимии является первый полный синтез молекулы белков: синтезирован гормон инсулин, управляющий углеводным обменом.
Согласно теории Опарина, дальнейшим шагом по пути к возникновению белковых тел могло явиться образование коацерватных капель. При определённых условиях водная оболочка органических молекул приобретала чёткие границы и отделяла молекулу от окружающего раствора. Молекулы, окружённые водной оболочкой, объединялись, образуя многомолекулярные комплексы — коацерваты.
Коацерватные капли также могли возникать при простом смешивании разнообразных полимеров. При этом происходила самосборка полимерных молекул в многомолекулярные образования — видимые под оптическим микроскопом капли.
Капли были способны поглощать извне вещества по типу открытых систем. При включении в коацерватные капли различных катализаторов (в том числе и ферментов) в них происходили различные реакции, в частности полимеризация поступающих из внешней среды мономеров. За счёт этого капли могли увеличиваться в объёме и весе, а затем дробиться на дочерние образования. Таким образом, коацерваты могли расти, размножаться, осуществлять обмен веществ.
Далее коацерватные капли подвергались естественному отбору, что обеспечило их эволюцию.
Теория была обоснована, 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? Теория оказалась неспособной предложить решение проблемы точного воспроизведения — внутри коацервата и в поколениях — единичных, случайно появившихся эффективных белковых структур. Однако, было показано, что первые коацерваты могли образоваться самопроизвольно из липидов, синтезированных абиогенным путем, и они могли вступить в симбиоз с “живыми растворами” – колониями самовоспроизводящихся молекул РНК, среди которых были и рибозимы, катализирующие синтез липидов, а такое сообщество уже можно назвать организмом
Источник
Коацерватная гипотеза возникновения жизни. Эволюция коацерватных капель.
Первичный бульон – термин, введенный Опариным (совковский биолог). Выдвинул теорию о том, что жизнь на Земле могла сформироваться в ходе эволюции молекул, содержащих углерод.
Первичный бульон существовал в мелких водоемах 4 млрд лет назад. Состоял из АК, полипептидов, азотистых оснований, нуклеотидов. Образовался под воздействием физических факторов. Кислорода в атмосфере не было.
Согласно теории Опарина, при определенных условиях водная оболочка (свойство дипольности воды) приобретала четкие границы и отделяла молекулу от окружающего раствора. Молекулы, окруженные водной оболочкой, объединялись, образуя коацерваты.
Коацерватные капли могли возникать и при смешивании различных полимеров (липиды «обволакивали» белки, нуклеотиды, образуя нечто похожее на клеточную мембрану)
Происходила самосборка в многомолекулярные образования. При включении в коацерватные капли различных катализаторов, ферментов, происходили реакции, в т.ч. полимеризация поступающих из внешней среды мономеров.
За счет этого капли увеличивались в объеме, весе, делились на дочерние образования.
Таким образом, коацерваты могли расти, размножаться, осуществлять обмен веществ, далее подвергаться естественному отбору => их эволюция.
Считалось, что первым катализатором выступала РНК (ощщщень важная штука, плес, прочитай где-то в следующем вопросе)
Начальные этапы биологической эволюции. Гипотеза симбиогенеза в связи с происхождением эукариот.
Вся жизнь идет из одного предшественника – LUCA – последний универсальный общий предок. Затем формы существования разделились на 3 ветви:
1) археи (генетический аппарат – одиночная кольцевая или линейная днк, отсутствуют мембранные органоиды, однослойная клеточная мембана, периплазматическое пространство отсутствует, липиды мембраны связаны простой эфирной связью, => большая прочность, а значит способность к экстремофильству.)
2) бактерии (генетический аппарат – нуклеоид – зона, в которой расположен генетический аппарат – днк – кольцевая или линейная, нет мембранных органелл, вся клетка целиком берет на себя ф-ю митохондрии, а у фотосинтезирующих форм – заодно и хлоропласта, многоклеточности не возникает, т.к. нет центриолей и митотического веретена, клеточная оболочка препятствует межклеточным воздействиям)
хищничество – наружное переваривание одной бактерии другой бактерии, т.к. нет актина и миозина, следовательно затруднен активный захват.
3) эукариоты (имеется ядро, важную роль сыграл симбиоз между эукариотической клеткой уже имевшей ядро и способной к фагоцитозу и поглощенными бактериями – предшественниками митохондрий и пластид)
Гипотезы происхождения ядра:
1) бактерия сфагоцитировала архею, которая в последствии редуцировалась до клеточного ядра современных эукариот.
2) увеличение размеров клетки привело за собой увеличение числа копий генов. На периферии клетки возникают сильные токи цитоплазмы, которые могли повреждать генофор. Тогда мембрана начинает впячиваться в местах расположения генофора, впячивания изменяют форму для лучшей защиты генофора.
Морфологические, экологические, иммунологические и эмбриологические методы доказательства эволюции.
Морфологические:
1) изучение гомологии органов (общий план строения, сродные зачатки при развитии)
2) изучение рудиментарных органов, атавизмов
Экологические:
1) генетические и молекулярно-биологические методы: китообразные из хищных парнокопытных, моржи из медведеобразных, ушастые тюлени из куньих (каман, выдра – переходные формы), ламантины, сирены из хоботных.
Иммунологические:
1) сравнение белков крови с помощью методов преципитации (реакция осаждения комплекса антигена с антителом).
Выяснилось, что птицы ближе к крокодилам, чем крокодилы к змеям. Человек ближе к высшим обезьянам.
Эмбриологические:
1) выявление зародышевого сходства
Коацерватная гипотеза возникновения жизни. Эволюция коацерватных капель.
Первичный бульон – термин, введенный Опариным (совковский биолог). Выдвинул теорию о том, что жизнь на Земле могла сформироваться в ходе эволюции молекул, содержащих углерод.
Первичный бульон существовал в мелких водоемах 4 млрд лет назад. Состоял из АК, полипептидов, азотистых оснований, нуклеотидов. Образовался под воздействием физических факторов. Кислорода в атмосфере не было.
Согласно теории Опарина, при определенных условиях водная оболочка (свойство дипольности воды) приобретала четкие границы и отделяла молекулу от окружающего раствора. Молекулы, окруженные водной оболочкой, объединялись, образуя коацерваты.
Коацерватные капли могли возникать и при смешивании различных полимеров (липиды «обволакивали» белки, нуклеотиды, образуя нечто похожее на клеточную мембрану)
Происходила самосборка в многомолекулярные образования. При включении в коацерватные капли различных катализаторов, ферментов, происходили реакции, в т.ч. полимеризация поступающих из внешней среды мономеров.
За счет этого капли увеличивались в объеме, весе, делились на дочерние образования.
Таким образом, коацерваты могли расти, размножаться, осуществлять обмен веществ, далее подвергаться естественному отбору => их эволюция.
Считалось, что первым катализатором выступала РНК (ощщщень важная штука, плес, прочитай где-то в следующем вопросе)
Источник
Жизнь возникла на нашей планете около 3 млрд. лет назад. Процесс этот был весьма длительным и постепенным. Современная наука полностью опровергла все мифы о внезапном «чудесном» появлении жизни. Уже достаточно полно можно представить себе те условия на нашей планете, при которых стало реально возникновение жизни. Основанием к этому послужили как представления о сущности жизни, так и современные данные о происхождении Земли. С учетом всех этих материалов и с применением биохимических методов советский ученый А. И. Опарин создал гипотезу о возникновении жизни, получившую сейчас широкое признание. Согласно этой гипотезе, сложный процесс возникновения жизни на Земле происходил следующим образом.
По мере остывания Земли конденсировались пары воды ив виде горячих ливней выпадали на ее поверхность, увлекая за собой находящиеся в атмосфере органические вещества. Эти вещества возникали в атмосфере за счет энергии электрических разрядов из молекул аммиака, метана, паров воды и водорода Образовался первичный океан с растворенными органическими веществами и углекислым газом.
Теплые воды первичного океана были благоприятной средой для осуществления различных химических реакций между растворенными в них органическими и неорганическими веществами. Специально проведенные эксперименты подтверждают возможность превращения в подобных условиях низкомолекулярных органических веществ в более высокомолекулярные. Поэтому синтетические процессы в первичном океане могли в конце концов привести и к образованию сложных белковоподобных веществ.
Дальнейший этап в развитии органических веществ — образование коацерватных капель. Коацерватные капли — это высокомолекулярные белковые образования, обособлявшиеся из раствора в виде коллоидных частиц. Они уже не смешивались с окружающим раствором, но были в состоянии адсорбировать из него отдельные вещества. Адсорбционная способность коацерватных капель также подтверждена биохимиками экспериментально. Эта адсорбционная способность и стала, по-видимому, начальным этапом обмена веществ в коацерватах. Так возник один из самых существенных признаков жизни — обмен веществ.
Рост коацерватных капель за счет поглощения веществ извне приводил к диспропорции между массой капли и силами сцепления между ее молекулами. Капля распадалась на несколько более мелких. Этот процесс стал необходимой предпосылкой для возникновения другого важного признака жизни — размножения. Однако размножение в современном понимании — это процесс, посредством которого организмы воспроизводят себе подобных. Распадение коацерватной капли еще не было процессом самовоспроизведения: «дочерние» капли могли оказаться очень различными по своему химическому составу. Многие из них распадались дальше и погибали. но некоторые росли вновь, становясь предшественниками будущих живых существ.
Последними достижениями биохимии и генетики показано, что функция самовоспроизведения тесно связана с нуклеиновыми кислотами. Поэтому многие ученые считают, что образование нуклеиновых кислот абиогенным путем и их последующее соединение с белками — необходимые предпосылки для возникновения живого с его способностью к обмену веществ и самовоспроизведению.
Очевидно, что все выше описанные процессы могли совершаться лишь в жидкой среде, т. е. море было первичной средой жизни, колыбелью живого на нашей планете.
С момента возникновения наипростейшие организмы попадали под действие естественного отбора, который и обеспечивая прогрессивное усложнение органического мира и рост многообразия его форм.
В современных условиях нашей планеты любые организмы, в том числе и самые простейшие, возникают только биогенным путем, т. е. путем размножения родительских организмов. Ошибочность представлений о возможности в настоящее время самозарождения простейших организмов установлена точными экспериментами Луи Пастера. Эти эксперименты нашли свое полное подтверждение в широкой практике стерилизации л пастеризации.
Источник
Согласно этой
теории, жизнь закономерно возникла
на определённом этапе истории Земли
в результате физико-химических процессов
при эволюции планеты, причём одной
из причин, определившей большую вероятность
возникновения жизни явилась относительно
более высокая распространённость на
Земле углерода.
Наиболее полно
и глубоко проблема происхождения
и сущности жизни как особой формы
организации и движения материи
разработана академиком А.И. Опариным
в 1957-1960 гг. Первый очерк Опарина на эту
тему, написанный ещё в 1924 г., содержал
в себе намётки новой программы химических
и биологических исследований (можно встретить
название «теория Опарина-Холдейна», т.к.
английский учёный Холдейн выдвинул сходные
идеи независимо от Опарина в 1929 г.). эта
программа, которую в последующие годы
в значительной мере осуществил он сам,
послужила также стимулом для исследований
многих других учёных в разных отраслях
знания – геохимические и геологические
исследования, исследования в области
физики, физической, органической и коллоидной
химии, электронно-микроскопическое изучение
клеточных структур, сравнительное биохимическое
исследование обмена веществ у ныне живущих
организмов и палеонтологическое изучение
древнейших ископаемых. В результате были
установлены те вероятные этапы, через
которые проходило эволюционное развитие
материи на пути к возникновению жизни.
Химическая
эволюция углеродистых
соединений
Изучение происхождения
жизни может быть успешно осуществлено
только на фоне рассмотрения общего развития
материи. «Чтобы представить себе этот
процесс, необходимо учесть всю совокупность
взаимодействий всех без исключения ступеней
химической эволюции, которая имеет интегральную
направленность на живое». Согласно теории
Опарина жизнь является результатом последовательного
усложнения углеродистых соединений,
поэтому особое значение уделено эволюции
этих соединений, приведшей к образованию
органических веществ и возникновению
из них сложных многомолекулярных систем.
Органические
вещества – главнейшие и обязательные
составляющие материального субстрата
жизни. Их простейшими представителями
служат соединения водорода и углерода.
По данным науки, с самых начальных периодов
образования нашей планеты на её поверхности,
в коре, гидросфере и атмосфере чисто химическим,
абиогенным (т.е. небиологического происхождения)
путём создавались и накапливались метан
и другие разнообразные углеводороды,
обладающие поразительными химическими
возможностями. Они не могли долго оставаться
неизменными, а обязательно вступали в
химические взаимодействия между собой
и с другими веществами, образуя такое
разнообразие сложных соединений, которое
чуждо неорганической природе. Именно
это, вероятно, и поставило их в такое исключительное
положение на пути возникновения жизни.
Экспериментальные
данные позволяют считать, что в определённый
период доактуалистической (восстановительной)
эпохи существования Земли водоёмы содержали
в себе вместе с водным раствором неорганических
солей и разнообразные органические вещества
– простые и сложные мономеры (аминокислоты,
пиримидиновые и пуриновые основания,
рибозу, дезоксирибозу) и неспецифические
полимеры типа белков и полинуклеотидов,
а также богатые энергией соединения,
способные вступать в многочисленные
взаимодействия между собой. Этот своеобразный
«первичный бульон» всё время изменялся,
эволюционировал как в целом, так и в отдельных
частях. Но совершавшиеся в нём химические
превращения коренным образом отличались
от тех, что характерны для всех живых
существ. У последних вследствие особой
организации всего организма последовательность
отдельных реакций строго согласована
в едином процессе обмена веществ.
По мнению академика
Опарина, легко можно представить
себе возможность абиогенного образования
сахаров, аминокислот, азотистых оснований,
а также их неспецифических полимеров,
но крайне невероятным является абиогенное
образование белков и нуклеиновых кислот
современного типа. Целесообразно построенные
белки-ферменты могли образоваться только
в процессе эволюции целостной системы,
уже обладавшей некоторым хотя и примитивным
обменом веществ, в котором ферменты играли
свою определённую роль.
Предбиологическая
эволюция углеродистых
соединений
Нужно ещё раз
отметить, что центральная проблема
возникновения жизни на земле – объяснение
качественного скачка от «неживого»
к «живому» – всё ещё весьма далека от ясности.
Наиболее интересной является коацерватная
гипотеза академика А.И.Опарина, она указывает
возможный путь возникновения обмена
веществ.
Коацерваты – это
обособленные в растворе органические
многомолекулярные структуры. Это еще
не живые существа. Их возникновение рассматривают
как стадию развития преджизни. Наиболее
важным этапом в происхождении жизни было
возникновение механизма воспроизведения
себе подобных и наследования свойств
предыдущих поколений. Это стало возможным
благодаря образованию сложных комплексов
нуклеиновых кислот и белков. Нуклеиновые
кислоты, способные к самовоспроизведению,
стали контролировать синтез белков, определяя
в них порядок аминокислот. А белки-ферменты
осуществляли процесс создания новых
копий нуклеиновых кислот. Так возникло
главное свойство, характерное для жизни
– способность к воспроизведению подобных
себе молекул.
Показано, что
характерной особенностью полинуклеотидов
и белковоподобных полимеров
является их ярко выраженная способность
образовывать комплексы с другими высокомолекулярными
органическими веществами, а также между
собой. При такого рода ассоциации возникают
многомолекулярные образования, физические
и химические свойства которых существенно
отличаются от свойств составляющих их
индивидуальных веществ.
Именно эти многомолекулярные системы
– коацерваты, – а не отдельные молекулы
должны были явиться, по мнению А.И.Опарина,
теми исходными образованиями, которые
в дальнейшем сформировались в первичные
организмы. Предполагается три качественно
различные ступени эволюции коацерватных
систем.
Первая – это
возникновение способности этих
систем к самосохранению в условиях
постоянного взаимодействия с внешней
средой, причём уже на этой стадии эволюции
материи осуществляется определённый
«отбор» систем по этому признаку.
Второй ступенью
явилось возникновение систем, способных
не только к самосохранению, но и
росту, увеличению своей массы за
счёт веществ окружающей среды. Коацерватные
капли постепенно превратились в
открытые системы, в которых при
стационарном состоянии скорость реакции
в одном направлении (приток богатых энергией
соединений) закономерно больше, чем в
другом, что приводило к увеличению массы
системы. Такие образования имели несомненное
преимущество в ходе эволюции.
В третьих, системы
постепенно приобретали не только динамическую
устойчивость, но и свойства всё большей
динамичности, когда в них реакции стали
протекать всё с большей скоростью, что
явилось в свою очередь важным фактором
совершенствования организованных образований.
В дальнейшем происходил «отбор» только
тех систем, в которых реакции распада
и синтеза согласовывались, проходя через
постоянно повторяющиеся цепи и циклы.
По терминологии А.И.Опарина, такого рода
системы, активно взаимодействующие с
внешней средой, обладающие динамической
устойчивостью и способностью не только
сохраняться, но и расти в условиях «первичного
бульона», условно называют протобионтами.
Протобионты уже
обладали более сложной организацией,
чем статические коацерватные капли,
но были, однако, на много порядков проще,
чем самые примитивные живые существа.
Эволюция
протобионтов и возникновение
первичных организмов
Организация протобионтов
должна была послужить исходной точкой
для их дальнейшей эволюции на пути
становления жизни. Главным в
этой организации было то, что протобионты
сохраняли постоянство соотношения скоростей
и согласованности совершавшихся в них
реакций. Это определялось тем, что при
разрастании они всё время сохраняли в
себе исходную повышенную концентрацию
неорганических или органических катализаторов,
избирательно поглощая их из внешней среды.
В условиях гидросферы
Земли под влиянием внешних механических
сил протобионты должны были дробиться,
наподобие капель эмульсии при их
встряхивании. При этом дочерние образования
должны были сохранять ту же организацию
взаимоотношений с внешней средой, которая
была присуща и исходному протобионту.
Конечно, данное явление по своему постоянству
и точности не может быть сопоставлено
с самовоспроизведением даже наиболее
примитивных ныне существующих организмов.
По мнению А.И.Опарина,
вполне допустимо считать, что протобионты
– эти исходные для возникновения жизни
системы – эволюционировали, подвергались
действию не только собственно физических
и химических законов, но и зарождающихся
биологических закономерностей, в том
числе и предбиологического естественного
отбора.
Предбиологический естественный отбор
выражался в том, что всякое нарушение
согласованности реакций у протобионта
обязательно вызывает гибель, исчезновение
данной, так сказать, неудачной индивидуальной
системы. На этой основе должно было происходить
постепенное усовершенствование организации
подавляющей массы разрастающихся и размножающихся
протобионтов. Прежде всего оно должно
было касаться их каталитического аппарата
как главнейшего фактора организации
обмена веществ, основанного на соотношении
скоростей отдельных составляющих реакций.
На этой стадии
развития, конечно, не могло быть и
речи о таких сложных, наделённых
специфическим внутримолекулярным
строением веществах, какими являются
ферменты современных организмов. Доступными
для протобионтов катализаторами могли
служить только присутствующие в значительных
количествах в «первичном бульоне» простейшие
органические вещества и неогранические
соединения (например, ионы металлов).
Эти вещества являются плохими катализаторами
по сравнению с ферментами, но их каталитическая
активность значительно повышается при
сочетании их с теми или иными радикалами
или молекулами. Следовательно, чем более
совершенным является данный комплекс,
т.е. чем больше его молекулярное строение
соответствовало его каталитической функции
и чем более эта функция была согласована
с другими реакциями, тем больше преимуществ
получал этот протобионт.
Дальнейшая эволюция
пошла в направлении возникновения
в системах всё более комплексных
и многозвенных процессов, уменьшающих
зависимость систем от внешней среды,
а также по пути замыкания цепей реакций
в постоянно повторяющиеся циклы. Это
привело к возникновению совершенных
каталитических механизмов, к созданию
мощных катализаторов – ферментов, т.е.
белков, внутримолекулярная структура
которых чрезвычайно хорошо приспособлена
к выполнению ими каталитических функций.
Для последующей
прогрессивной эволюции протобионтов
очень важным явилось создание такой
орагнизации, которая позволила
бы осуществить синтез полипептидов
с выгодными в каталитическом отношении
расположением аминокислотных остатков.
Такая организация требовала возникновения
принципиально новых пространственных
(матричных) механизмов.
Таким образом,
возникновение жизни было связано
с переходом материи на более
высокую ступень её организации и движения,
что означало появление новых свойств
и закономерностей. Последние накладывались
на общие физические и химические законы
и обуславливали формирование новых качеств,
отсутствовавших на молекулярном уровне.
В совокупности эти
качества присущи только
живым объектам. Главными из них являются:
- способность
к преодолению нарастания энтропии; - целесообразность
организации живых объектов, т.е. приспособленность
внутримолекулярного и надмолекулярного
строения частей к выполняемым ими функциям
и приспособленность организма в целом
к существованию в данных условиях внешней
среды; - специфическая
для жизни форма передачи информации.
Все эти качества
не могли возникнуть на молекулярном
уровне, а были связаны с обязательным
формированием и эволюцией многомолекулярных
фазовообособленных систем.
Заключение
А. И. Опарин, выдвинув
ряд тезисов в 30 годах, пытался
доказать случайность и спонтанность
возникновения живой клетки, но его труды
не увенчаются успехом и он будет вынужден
признаться: “К сожалению происхождение
клетки является самым туманным вопросом,
охватывающим теорию эволюции в целом.”
Однако до этого момента ему удалось убедить
большинство западных ученых, веривших
в натуралистическую дарвиновскую теорию
происхождения видов. Работы А.И. Опарина
по этому вопросу переведены на многие
языки народов мира. В 1950 году А.И. Опарин
совместно с другими был удостоен премии
имени А.Н.Баха и имени И.И.Мечникова, а
в 1974 году – Ленинской премии. За заслуги
в области науки он также награжден 5 орденами
Ленина, двумя другими орденами, иностранными
орденами и медалями.
Источник