logo
Курс лекций по общей экологии

Биохимическая эволюция живых организмов.

Теорий возникновения протобиополимеров – основы жизни на Земле несколько. Рассмотрим наиболее важнейшие из них.

Теория Панспермии.

Данной точки зрения придерживались Аррениус, Гельмгольц, Берг, Вернадский, микробиолог Заварзин.

Согласно данной точки зрения жизнь зародилась в космосе и первые живые существа были привнесены на Землю из космоса вместе с космической пылью, метеоритами. Таким образом, жизнь на Земле существует столько, сколько существует сама планета.

Однако встает вопрос, где появилась первая жизнь? По мнению микробиологов, жизнь могла возникнуть в космосе, в пределах Солнечной системы (космо-химическая теория). Эта химическая, а затем биологическая эволюция происходила до образования Земли.

Доказательством является сравнительный анализ вещества космоса и Земли: основными химическими элементами везде являются О, Н, С, N.

Концентрация вещества в космосе очень мала, поэтому, вероятно, первые элементы жизни связаны с космической пылью, которая имеет следующее строение:

Под воздействием ультрафиолетовых лучей, которых в космосе очень много, могли протекать химические и биологические процессы. В метеоритах найдены углеводороды: пурины, пиримидины, аминокислоты. Впервые органические вещества в метеоритах выделены Берцелиусом. Жизнь на поверхность Земли могли доставлять и кометы. Химический состав комет не отрицает это. Органические вещества в «замороженном» состоянии в метеоритах и кометах могли оставаться неограниченно долгое время и, попав на Землю, при благоприятных условиях могли продолжить развитие.

Аргументы против данной теории:

Таким образом, нет фактов, доказывающих полную несостоятельность этой теории.

Термическая теория.

Реакции конденсации, которые привели бы к образованию полимеров из низкомолекулярных предшественников, могут осуществляться путем нагревания. Наиболее хорошо изучен синтез полипептидов. Идея термического синтеза полипептидов принадлежит американскому ученому С. Фоксу, который длительно изучал возможности образования полипептидов в условиях, существовавших на первобытной Земле.

Если смесь аминокислот нагреть до 180-2000 С при нормальных атмосферных условиях или в инертной среде, то образуются продукты расщепления, небольшие олигомеры, в которых мономеры соединены пептидными связями, а также малые количества полипептидов. Полипептиды, полученные термическим путем из аминокислот, – протеиноиды – проявляют многие специфические свойства биополимеров протеинового типа. Однако, более сложные структуры получить не удалось. Не выдвинуты обоснованные теоретические пути данного процесса.

Низкотемпературная теория.

Авторы – румынские ученые К. Симонеску и Ф. Денеш, ведущее значение в качестве источника энергии отводят энергии холодной плазмы.

Холодная плазма широко распространена в природе. Некоторые ученые считают что 99% Вселенной находятся в состоянии холодной плазмы. На современной Земле она представлена в виде молний, северных сияний, ионосферы. На абиотической Земле этот вид энергии был способен превращать молекулы в свободные радикалы, активные в химическом отношении. В результате экспериментов с холодной плазмой авторами теории были получены отдельные мономеры, полимеры пептидного типа и липиды.

Теория адсорбции.

Основным контраргументом в спорах об абиогенном возникновении полимерных структур является концентрационный барьер и недостаток энергии для конденсации мономеров в разбавленных растворах. Действительно, по некоторым оценкам концентрация органических молекул в «первичном бульоне» составляла около 1%, что не могло обеспечить протекания реакций полимеризации или поликонденсации в быстрые сроки, как это произошло на Земле по оценкам некоторых ученых. Одно из решений этого вопроса, связанное с преодолеванием концентрационного барьера, было предложено Дж. Д. Берналом, считавшим, что концентрирование разбавленных растворов происходит путем «адсорбции в пресноводных или морских отложениях очень тонких глин».

В результате взаимодействия веществ в процессе адсорбции некоторые связи ослабляются и рвутся, другие возникают, что приводит к разрушению одних и образованию других веществ.

Коацерватная теория.

В 1924г. Выходит в свет книга А.И. Опарина «Происхождение жизни», в которой он выдвигает гипотезу, что происхождение жизни на земле есть результат длительного эволюционного процесса на самой Земле. Сейчас зарождение жизни не возможно, т.к. все экологические ниши заняты и есть кислород – сильный окислитель.

В 1929г. Выходит статья Дж. Холдейна, где он независимо от Опарина приходит к таким же результатам. Но приоритет открытия Опарина однозначен.

Опарин считает, что жизнь на Земле могла возникнуть абиогенным путем. Первые живые организмы были гетеротрофами. Это могло произойти при наличии определенных химических веществ, источников энергии, отсутствии газообразного кислорода и при наличии безгранично длительного времени.

Вероятность самозарождения жизни по Опарину 1/1000 случаев в год, но времени было достаточно от возникновения Земли до появления первых прокариотов (1 млрд лет).

Опарин выделил 4 этапа возникновения жизни на Земле.

1 этап. Образование органических веществ.

Вначале масса Земли была раскалена, постепенно она остывала. В это время углерод соединялся с металлами с образованием карбидов:

С + Ме (Ni, Fe) =карбиды (обнаружены в метеоритах).

В первичной атмосфере Земли были C, H, N.

C + 4H = CH4

C + N = CN

N + 3H = NH3

O2 + 2H2 = 2 H2O

C + O2 = CO2

Спектральные исследования показали, что эти вещества присутствуют на солнце и других звездах. Свободный кислород отсутствовал. По мере остывания пары воды могли конденсироваться с образованием первичных водоемов.

Источниками энергии для первичной химической эволюции могли служить:

В водной среде под воздействием этих видов энергии могли появиться спирты, альдегиды, кислоты.

Гипотеза Опарина вызвала много споров и научных исследований.

В 1953г. Миллер сконструировал специальную установку и провел следующие эксперименты. Через смесь газов CH4, NH3, H2O и H2 он пропускал электрический ток. К концу недели были получены аминокислоты аланин и глутамин.

Оро провел подобный эксперимент, используя в качестве энергии ультрафиолетовое излучение при высокой температуре и получил урацил, рибозу и дезоксирибозу.

Теорию Опарина подтверждают и палеонтологические данные. Первые органические молекулы найдены в слоях, соответствующих возрасту 3,8 млрд лет назад.

2 этап. Полимеризация мономеров.

Доказать полимеризацию в естественных условиях трудно, т.к. полимеры легко разрушаются. Т.е. реакции полимеризации и поликонденсации могли идти только при мягких условиях реакции при наличии катализаторов. Ими могли быть цианиды.

Данные реакции по предложению Дж. Д. Бернала могли осуществляться на границе земля – вода, на скоплениях глин, которые являются прекрасными адсорбентами. Многие виды глин эффективно адсорбируют сахара, азотистые основания, кислоты. При высокой концентрации потенциальных мономеров при наличии внешней энергии могли протекать процессы полимеризации.

3 этап. Появление коацерватов.

Молекулы первых органических соединений, в т.ч. и белков, находились в растворах. Они образовывали коллоидный раствор. При смешивании различных коллоидных растворов возникали фазово-обособленные органические системы – капли белков, отличающиеся друг от друга – коацерватные капли, имеющие некую структурную оболочку, образованную определенным образом ориентированными молекулами. Эта оболочка отделяет каплю от внешней среды, превращая ее в дискретную единицу, содержащую набор химических веществ, отличный от внешней среды. Через эту оболочку возможен обмен веществ между коацерватом и внешней средой по типу открытых систем. Внутри коацерватов под действием катализаторов могла происходить самосборка полимерных молекул в многомолекулярные фазово-обособленные образования – видимые под оптическим микроскопом капли. В них сосредотачивается большинство полимерных молекул, тогда как окружающая среда почти их лишена. Коацерваты могут объединяться, образуя более сложные структуры, поглощать меньшие, делиться на дочерние образования. Таким образом, возникает простейший метаболизм. Вещество входит в каплю, полимеризуется, обуславливая рост системы, а при его распаде продукты этого распада выходят во внешнюю среду, где их раньше не было.

Важно то, что в зависимость от совершенства внутренней организации капель одни из них могут расти быстро, тогда как другие, находясь в той же среде, замедлены в своем росте или подвергаются распаду. Таким образом, на модели коацерватных капель А.И Опарину и его сотрудникам удалось экспериментально показать предбиологический отбор, т.е. зачатки естественного отбора, который в дальнейшем явился движущей силой всего эволюционного процесса.

Исследования Опарина подтверждены другими учеными. Это «пузырьки» Гольдейкера, «микросферы» Фокса, «джейвану» Бахадура. «пробионты» Эгами и многие другие.

4 этап. Возникновение матричного синтеза.

Грань, отделяющая преджизнь от жизни – возникновение матричного синтеза. До этого момента существовали индивидуумы, с появлением матричного синтеза можно говорить о популяциях.

Синтез белков претерпевал эволюционные изменения.

Изначально сборка белков шла на РНК, находящихся в цитоплазме клеток. Это самый простой способ, но при нем не гарантировалось равномерное деление информации между дочерними клетками, т.е. часть признаков могла исчезнуть из популяции.

Более прогрессивный способ возник с появлением ДНК. ДНК были более устойчивыми молекулами, поскольку имели двуцепочечное строение. На первом этапе РНК и ДНК конкурировали и возможно эволюция пошла по дивергентному пути. ДНК стала специализироваться на самовоспроизведении, РНК – синтезе белков. ДНК обосновалась в ядре, РНК – в цитоплазме. Образовались 2 системы синтеза:

– синтез полипептидов – относительно не точный;

– синтез белков – очень точный.

Постепенно возникла система генетического кода, когда триплет нуклеотидов кодировал аминокислоту. С появлением примитивного генетического аппарата обладавшие им протоклетки смогли передавать всем своим потомкам способность синтезировать специфические полипептиды. Образующиеся из них линии давали семейства родственных протоклеток с наследуемыми свойствами, которые подвергались естественному отбору.

Первые живые организмы были гетеротрофными и использовали готовые органические вещества первичного бульона. Автотрофы скорее всего произошли от гетеротрофов на следующем этапе эволюции. Причиной явилось уменьшение количества готовых органических веществ в первичном бульоне, т.к. увеличилось количество протобионтов, а позднее первых живых организмов. Это обострило конкуренцию преимущество стали иметь живые организмы, использующие альтернативные источники энергии. Таким неисчерпаемым источником энергии стал солнечный свет. Сначала это была ультрафиолетовая часть спектра, позднее, с появлением кислорода, в атмосфере начал формироваться озоновый экран – препятствие для ультрафиолетового излучения и преимущество получили организмы, имеющие катализаторы, позволяющие использовать видимую часть спектра для осуществления окислительно-восстановительных реакций. Возник фотосинтез. Это привело к еще большему увеличению содержания кислорода в атмосфере и возникновению процесса дыхания. Накопление кислорода в атмосфере также привело к окончанию абиогенного синтеза.