Почему жизнь зародилась именно в водной среде. Зарождение жизни в воде на планете земля

Земля сформировалась, вероятно, 4,5-5 млрд. лет назад из гигантского облака космической пыли. частицы которой спрессовались в раскаленный шар. Из него в атмосферу выделялся водяной пар, а из атмосферы на медленно остывавшую Землю в течение миллионов лет в виде дождей выпадала вода. В углублениях земной поверхности образовался доисторический Океан. В нем примерно 3,8 млрд. лег назад зародилась первоначальная жизнь.

Есть несколько теорий о происхождении жизни на Земле. Например, одна из давних гипотез гласит, что она занесена на Землю из космоса, но неоспоримых доказательств этого нет. Кроме того, та жизнь, которую мы знаем, удивительно приспособлена для существования именно в земных условиях, поэтому если она и возникла вне Земли, то на планете земного типа. Большинство же современных ученых полагают, что жизнь зародилась на Земле, в ее морях. Но как произошла сама планета и как на ней появились моря?

По этому поводу существует одна широко признанная теория. В соответствии с ней Земля образовалась из облаков космической пыли, содержащей все известные в природе химические элементы, которые спрессовались в шар. Горячий водяной пар вырывался с поверхности этого раскаленного докрасна шара, окутывая его сплошным облачным покровом, Водяной пар в облаках медленно охлаждался и превращался в воду, которая выпадала в виде обильных непрерывных дождей на еще раскаленную, пылающую Землю. На ее поверхности она снова превращалась в водяной пар и возвращалась в атмосферу. За миллионы лет Земля постепенно потеряла так много тепла, что ее жидкая поверхность, остывая, начала твердеть. Так образовалась земная кора.

Прошли миллионы лет, и температура поверхности Земли еще больше понизилась. Ливневые воды перестали испаряться и стали стекать в огромные лужи. Так началось воздействие воды на земную поверхность. А потом из-за понижения температуры произошел настоящий потоп. Вода, которая до этого испарялась в атмосферу и превратилась в ее составную часть, беспрерывно низвергалась на Землю, С громом и молниями обрушивались из облаков мощные ливни. Мало-помалу в самых глубоких впадинах земной поверхности скапливалась вода, которая уже не успевала совсем испариться. Ее было так много, что постепенно на планете образовался доисторический Океан. Молнии рассекали небо. Но никто этого не видел. На Земле еще не было жизни. Непрерывный ливень начал размывать горы. Вода стекала с них шумными ручьями и бурными реками. За миллионы лет водные потоки глубоко разъели земную поверхность и кое-где появились долины. В атмосфере уменьшалось содержание воды, а на поверхности планеты ее скапливалось все больше. Сплошной облачный покров становился тоньше, пока в один прекрасный день Земли не коснулся первый луч солнца. Непрерывный дождь кончился. Большую часть суши покрыл доисторический Океан. Из ее верхних слоев вода вымывала огромное количество растворимых минералов и солей, которые попадали в море. Вода из него непрерывно испарялась, образуя облака, а соли оседали, и с течением времени происходило постепенное засоление морской воды. По-видимому, при каких-то существовавших в древности условиях образовались вещества, из которых возникли особые кристаллические формы. Они росли, как и все кристаллы, и давали начало новым кристаллам, которые присоединяли к себе все новые вещества. Солнечный свет и, возможно, очень сильные электрические разряды служили в этом процессе источником энергии. Может быть, из таких элементов зародились первые обитатели Земли - прокариоты, организмы без оформленного ядра, похожие на современных бактерий. Они были анаэробами, то есть не использовали для дыхания свободный кислород, которого тогда еще не было в атмосфере. Источником пищи для них служили органические соединения, возникшие на еще безжизненной Земле в результате воздействия ультрафиолетового излучения Солнца, грозовых разрядов и тепла, образующегося при извержении вулканов. Жизнь существовала тогда в тонкой бактериальной пленке на дне водоемов и во влажных местах. Эту эру развития жизни называют архейской. Из бактерий, а возможно, и совершенно независимым путем, возникли и крошечные одноклеточные организмы - древнейшие простейшие животные.

Они и сейчас составляют основу жизни в морях и пресноводных водоемах. Они так малы, что их можно увидеть лишь с помощью микроскопа. В капле воды из небольшого пруда их тысячи и тысячи. С этих простейших одноклеточных началось развитие всей животной жизни. В конце протерозоя, следующей эры после архея, 1000 - 600 млн. лет назад, уже существовала довольно богатая фауна: медузы, полипы, плоские черви, моллюски и иглокожие.

На картинке, изображены примитивные существа, обитавшие приблизительно 600 - 570 млн. лет назад в кембрийском геологическом периоде, первом периоде палеозойской эры. Мы впервые узнали о них благодаря ископаемым окаменелостям, которые обнаружили геологи, изучавшие Кембрийские горы в Великобритании. Отсюда и произошло название геологического периода истории.

От более простых по строению животных и растений, населявших море в конце протерозоя, не сохранилось следов. Можно только предполагать, что это были организмы, состоявшие только из мягких тканей, которые после смерти быстро полностью разлагались. Настоящих рыб в кембрии еще не было, но уже жили кишечнополостные, губки, ныне вымершие археоциаты, плоские и многощетинковые черви, улитки, каракатицы, раки и трилобиты. Последние походили на раков длиной до 10 см. Для того времени это были настоящие гиганты, крупнее всех других существ. (На суше в то время жизни еще не было.) В конце кембрия, очевидно, уже появились первые хордовые, похожие на современных ланцетников. В течение последующих миллионов лет животные постепенно изменялись, и в следующем геологическом периоде - силуре, начавшемся 500 - 400 млн. лет назад, кроме многочисленных трилобитов на морском дне появились новые обитатели - морские скорпионы.

В толще вод силурийского моря пассивно дрейфовали одноклеточные организмы и медузы. А по морскому дну ползали ракообразные и трилобиты,черви и животные, защищенные раковинами, например двустворчатые моллюски и улитки. Плавать могли лишь очень немногие из них. Даже первые позвоночные, внешне уже напоминавшие рыб, обитали на морском дне. В силуре в морях и пресных водах появились и странные «рыбы» - без челюстей и парных плавников. До наших дней дожили их родственники - миксины и миноги. В силурийский период уже появились первые настоящие рыбы. У этих похожих на акул пловцов было обтекаемое, покрытое панцирем тело, плавники, рот с подвижной челюстью, напоминавшей клюв и усаженной острыми зубами. Примерно 450 млн. лет назад, в силуре, появились первые позвоночные животные - рыбы. Тело одной из древнейших - цефаласписа - было покрыто панцирной чешуей, а голова - костным панцирем. По-видимому, цефаласпис был плохим пловцом. За миллионы лет в том же геологическом периоде развились два больших класса рыб - хрящевые и костные (двоякодышащие, кистеперые и лучеперые). И хрящевым, то есть имеющим хрящевой скелет, относятся акулы и скаты. В отличие от них, скелет костных рыб частично или целиком состоит из костной ткани. К костным относятся почти все хорошо знакомые нам промысловые рыбы: сельдь, камбала, треска и скумбрия, карп, щука и многие другие. Всего на Земле в наши дни насчитывается 20 тысяч видов рыб, и населяют они не только моря, но и другие водоемы.

400 млн. лет назад силур сменился девонским геологическим периодом, который длился около 60 млн. лет. Тогда на суше появились первые растения - лишайники, которыми зарастали увлажненные берега водоемов. В течение девона от них произошли другие формы, в том числе и первые высшие растения - папоротники и хвощи. Кроме того, если прежде все животные дышали лишь кислородом, растворенным в воде, то теперь некоторые из них научились извлекать его из воздуха. Эти первые сухопутные животные - тысяченожки, скорпионы и бескрылые примитивные насекомые, вероятно, обитали поблизости от воды. Предком всех сухопутных позвоночных животных была кистеперая рыба с похожими на лапы грудными и брюшными плавниками. Постепенно у кистеперых рыб развились настоящие верхние и нижние конечности, и с течением времени появились земноводные (амфибии) и пресмыкающиеся (рептилии).

Откуда нам известно, как выглядели древние животные?

Все те изменения, которые претерпевала Земля с момента образования ее коры, изучает историческая геология. Ученые определяют возраст геологических слоев по окаменелостям - остаткам древних животных и растений, так как у каждой эпохи были свои характерные представители флоры и фауны. Изучением окаменелостей занимается палеонтология. Палеонтологи исследуют ископаемые остатки древних организмов и восстанавливают внешний облик вымерших животных. Когда живые организмы погибали в доисторическом Океане, они опускались на дно, где их покрывал ил или песок, который приносили реки. Миллионы лет илистые грунты вместе с погребенными под ними останками уплотнялись, превращаясь в камень. Мягкие ткани животных полностью разлагались но отпечаток оставался. Твердые раковины моллюсков или панцири ракообразных часто сохранялись неповрежденными. За время исторического развития Земли неоднократно морское дно под действием мощных сил и расплавленных недр планеты выталкивалось на большую высоту и становилось частью суши. Вкрапленные в горную породу остатки и отпечатки древних животных находят исследователи и по ним изучают геологические процессы. Слои горных пород для ученых - как страницы книги с множеством рисунков, и надо лишь правильно расшифровать «текст», чтобы понять, как развивалась жизнь на планете. Слои песка и ила с окаменелостями откладывались друг на друга миллионы лет. Так они и спрессовались: более древние слои - ниже, более поздние - выше. Накапливая сведения о том, в каких слоях преобладают те или иные виды окаменелостей, ученые научились определять, к какому геологическому времени они относятся. После этого уже довольно просто по найденным окаменелостям определить возраст геологической породы, в которой они были обнаружены.

Большой каньон реки Колорадо в американском штате Аризона - одно из немногих мест, где сохранилась огромная, удобная для «чтения» каменная летопись жизни на планете. Здесь река прорезала толщу осадочных пород - известняков, песчаников и сланцев - на глубину до 1800 м. Река образовала каньон, то есть глубокую долину с очень крутыми склонами и узким дном, размыв дно древнего моря. Оно поднималось очень медленно и равномерно. Горообразования, которое всегда сопровождается гигантскими сдвигами и разломами горных пород, здесь не было. Поэтому почти не изменилась последовательность залегания геологических пород. Изучив окаменелости слоев крутого склона, можно проследить за всеми изменениями, происходившими с животным миром древнего моря за сотни миллионов лет.

Материал подготовлен при использовании книги "Рыбы" издательство Слово

Наука

По подсчетам ученых, жизнь на земле зародилась около 3 миллиардов лет назад : за это время простейшие организмы развились в сложные формы жизни. Однако для ученых до сих пор остается загадкой, как зародилась жизнь на планете, и они выдвинули несколько теорий, объясняющих этот феномен:

1. Электрические искры

В ходе знаменитого эксперимента Миллера-Юри (Miller-Urey Experiment), ученые доказали, что молнии могли способствовать появлению основных веществ, необходимых для зарождения жизни: электрические искры образовывают аминокислоты в атмосфере, состоящей из огромного количества воды, метана, аммиака и водорода. Затем из аминокислот развились более сложные формы жизни. Эту теорию несколько изменили после того, как исследователи выяснили, что атмосфера планеты миллиарды лет назад была бедна водородом. Ученые предположили, что метан, аммиак и водород содержались в вулканических облаках, насыщенных электрическими зарядами.

2. Глина

Химик Александр Грэм Кэрнс-Смит (Alexander Graham Cairns-Smith) из университета Глазго, Шотландия, выдвинул теорию о том, что на заре зарождения жизни в глине содержалось много органических компонентов, находящихся недалеко друг от друга, и что глина способствовала организации этих веществ в структуры, подобные нашим генам.

ДНК хранит информацию о структуре молекул, и генетические последовательности ДНК указывает на то, как аминокислоты должны построиться в белки. Кэрнс-Смит предполагает, что кристаллы глины способствовали организации органических молекул в упорядоченные структуры, а позднее этим стали заниматься сами молекулы, "без помощи" глины.

3. Глубоководные жерла

Согласно этой теории, жизнь зародилась в подводных гидротермальных жерлах, выбрасывающих молекулы, богатые водородом. На их каменистой поверхности эти молекулы могли собраться вместе и стать минеральными катализаторами для реакций, которые и привели к зарождению жизни. Даже сейчас у таких гидротермальных жерл, богатых химической и термальной энергией, обитает довольно большое количество живых существ.

4. Ледяное начало

3 миллиарда лет назад Солнце светило далеко не так ярко, как сейчас, и, соответственно, тепла до Земли доходило меньше. Вполне возможно, что поверхность земли покрывал толстый слой льда, который защищал хрупкие органические вещества , находящиеся в воде под ним, от ультрафиолетовых лучей и космического воздействия. К тому же, холод помог молекулам дольше просуществовать, в результате чего стали возможны реакции, приведшие к зарождению жизни.

5. Мир РНК

ДНК нужны белки для формирования, а белкам для образования нужна ДНК. Как могли они сформироваться друг без друга? Ученые предположили, что в этом процессе участвовала РНК, которая, так же, как и ДНК, хранит информацию. Из РНК, соответственно, образовались белки и ДНК , которые заменили ее в виду своей большей эффективности.

Возник другой вопрос: "Как появилась РНК?". Некоторые считают, что она самопроизвольно появилась на планете, а другие отрицают такую возможность.

6. "Простая" теория

Некоторые ученые предположили, что жизнь развилась не из сложных молекул вроде РНК, а из простых, которые взаимодействовали друг с другом. Они, возможно, находились в простых оболочках, сходных с клеточными мембранами. В результате взаимодействии этих простых молекул появились сложные , которые эффективнее вступали в реакции.

7. Панспермия

В конце концов, жизнь могла зародиться не на нашей планете, а принесена из космоса : в науке этот феномен называется панспермией. У этой теории есть вполне прочная основа: из-за космического воздействия от Марса периодически отделяются обломки камней, которые долетают и до Земли. После того, как ученые обнаружили марсианские метеориты на нашей планете, они предположили, что эти объекты и принесли с собой бактерии. Если верить им, то все мы марсиане . Другие исследователи предположили, что жизнь принесли кометы из других звездных систем. Даже если они правы, то человечество будет искать ответ на другой вопрос: "А как жизнь зародилась в космосе?".

Российский биолог и австралийский геолог рассказали о новых неожиданных открытиях, которые заставили ученых вернуться к классическим дарвиновским идеям о зарождении жизни в "теплом мелком пруду" на суше, а не в водах первичного океана Земли, и объяснили, где лучше искать ее за пределами нашей планеты.

Достаточно долгое время ученые считали, что жизнь на Земле зародилась примерно 3,5 миллиарда лет назад в первичном океане Земли, в окрестностях вулканов и геотермальных источников, так называемых "черных курильщиков", или их менее горячих собратьев - "белых курильщиков". Подобные представления, в силу большого количества доказательств их правоты, почти не подвергались сомнениям.

Армен Мулкиджанян, профессор МГУ имени М. В. Ломоносова и университета Оснабрюка в Германии, и Мартин ван Кранендонк, геолог и директор Астробиологического института Австралии, рассказали на всероссийском фестивале "Наука 0+", проходившем в стенах МГУ на прошлой неделе, о нескольких последних открытиях, которые пошатнули эти представления и заставили ученых вернуться к идее, которую озвучил еще сам Чарльз Дарвин более чем 150 лет назад.

Мир вулканов и ультрафиолета

"Абсолютно вся жизнь на Земле состоит из трех биологических полимеров - ДНК, хранилища информации, РНК, играющей роль ее переносчика, и белков, способных ускорять реакции в миллионы раз. Очевидно, что все они не могли появиться одновременно, и мы уже почти столетие пытаемся понять, какие молекулы появились первыми и как выглядела первая жизнь", - начал свой рассказ Мулкиджанян.

Исследования последних лет, как отмечает ученый, однозначно показывают, что первыми появились молекулы РНК. Они, в отличие от ДНК, сохраняют химическую активность и способны ускорять другие реакции, а также, в отличие от белков, могут играть роль переносчика информации и собирать как копии самих себя, так и другие молекулы.

По этой причине сегодня господствующей теорией зарождения жизни является гипотеза так называемого "мира РНК", в соответствии с которой изначально жизнь полностью состояла из универсальных РНК-молекул, способных исполнять сразу все функции, и лишь потом появились "узкоспециализированные" белки и ДНК.

Впадина Данакил в Эфиопии

"На Западе эти идеи стали популярны лишь в 1980-х годах, тогда как сама концепция предложена еще в 1957 году академиком Андреем Белозерским. Андрей Николаевич и его соратники открыли рибосомальную РНК, и это открытие заставило их осознать, что она не кодирует информацию, а участвует в сборе белков. Этого хватило для того, чтобы Белозерский понял, что вся жизнь могла состоять из РНК в прошлом", - продолжает Мулкиджанян.

Эта смелая гипотеза, как отмечает биолог, нашла свое подтверждение в последующие десятилетия - за последние годы ученые создали десятки молекул РНК, способных копировать себя и исполнять другие функции, которые обычно осуществляют белки, а также прототипы примитивных протоклеток на их базе. Поэтому сегодня никто не сомневается в том, что жизнь началась именно в "мире РНК", но пока ученые спорят, как и где он возник.

"Что же общего между тремя главными "молекулами жизни", а также сахарами и жирами? При их образовании, при слиянии одиночных звеньев полимерных цепей всегда выделяется вода. Как это связано с зарождением жизни? Это очень важное свойство живых существ, на которое мы обратили внимание лишь недавно. Оно означает, что для самопроизвольного появления длинных цепочек, РНК, ДНК, белков, жиров и сахаров нужно постоянно убирать эту воду, чтобы эти молекулы не распадались. Наши клетки тратят на это огромное количество энергии", - подчеркивает ученый.

Это порождает один из самых сложных и почти необъяснимых парадоксов в биологии и в изучении истории возникновения жизни. С одной стороны, вода нужна для существования жизни и химических реакций в клетках, а с другой стороны - ее большие количества будут мешать образованию первых сложных молекул, что сделает невозможным самопроизвольное формирование будущих "кирпичиков жизни".

"Сегодня среди геологов очень популярна идея о том, что жизнь могла зародиться на дне океана, у геотермальных источников, выбрасывающих огромное количество нутриентов и способных обеспечивать жизнь энергией даже в полной темноте. У этой идеи есть две проблемы: там всегда очень мокро - и эту "лишнюю" воду нельзя оттуда удалить, а во-вторых, там очень темно. Наличие света, как оказалось, является важнейшим фактором в появлении жизни. Поэтому мы считаем, что эта теория ошибочна", - заявил профессор МГУ.

Космический "слепой часовщик"

Ошибочность этой теории, по словам Мулкиджаняна, была недавно раскрыта опытами, в рамках которых российские ученые и их зарубежные коллеги попытались воспроизвести рождение "букв" РНК и ДНК - относительно просто устроенных органических молекул, получить которые, как неожиданно оказалось, очень сложно.

"Сегодня этот вопрос почему-то рассматривается очень поверхностно - многие наши коллеги просто отмахиваются от него, не пытаясь объяснить то, как возникают эти молекулы. Грубо говоря, они просто пропускают данный этап эволюции жизни, отмахиваясь от него и не объясняя, как эти вещества могли возникнуть на дне океана и как они постепенно начали усложняться и накапливаться в достаточных количествах", - продолжает ученый.

Эти вещества, как считает Мулкиджанян, возникли в ходе своеобразной химической эволюции - "неудачные" и нестабильные молекулы распадались, а более стабильные постепенно накапливались в среде и продолжали усложняться.

Роль дарвиновского "слепого часовщика", проводившего этот отбор и постепенно собиравшего эти основы жизни, по словам биолога, брали на себя две вещи - ультрафиолетовое излучение Солнца и та среда, в которой находились будущие "кирпичики жизни".

В пользу этого говорит несколько факторов. Во-первых, как отмечает биолог, все молекулы РНК и ДНК, а также отдельные их звенья уникальным образом реагируют на облучение ультрафиолетом, очень быстро избавляясь от энергии, которую им передает поглощенный квант света, преобразуя ее в тепло. Это, как отмечает исследователь, заметно сокращает вероятность того, что возбужденная молекула распадется на части. Ни белки, ни другие азотистые основания таким свойством не обладают.

Во-вторых, жизнь, судя по особенностям химического состава всех живых клеток и предположительным свойствам предка всех живых организмов, вычисленных генетическим путем, зародилась не в морской воде, а в очень необычной среде, у которой отличался не только химический состав, но и главный компонент. Растворителем в ней выступал формамид - соединение аммиака и метана, похожее по своим свойствам на воду, но кипящее при более высоких температурах.

"Первые примитивные формы жизни имели тот же химический состав, что и среда, в которой они жили, так как у них еще не было белков, способных "откачивать" ненужные элементы во внешнюю среду и не пускать их назад. Поэтому можно сказать, что первые клетки жили в особой жидкости, где было много калия, бора, фосфора, ионов переходных металлов и почти не содержалось натрия. Все это исключает возможность того, что жизнь зародилась в морской воде", - объясняет профессор.

Где такие водоемы, аналогов которым сегодня нет, могли встречаться на ранней Земле? Ответ на этот вопрос недавно нашли Мартин ван Кранендонк и его коллеги, проводящие уже два десятилетия раскопки в местечке под названием Пилбара на северо-западе Австралии, где залегают древнейшие горные породы планеты, сформировавшиеся 3,5 миллиарда лет назад.

Вулканическая колыбель жизни

"Этот регион, как давно считал сам я и мои коллеги, представлял собой мелководное дно первичного океана Земли, где в то время находился один из самых мощных очагов вулканизма на планете и где, как мы думали, обитали первые организмы на Земле. Три года назад мы нашли здесь породы, не похожие ни на что другое, полностью перевернувшие это представление", - заявил австралийский ученый.

По его словам, это открытие было совершено абсолютно случайно. Однажды, когда он и его аспирантка Тара Джокич прогуливались по зоне раскопок, она обратила внимание на странные горные породы, состоявшие из множества перемежающихся темных и светлых слоев, объединенных в волнистые структуры, содержащие множество пузырьков.

Мартин ван Кранендонк, геолог из Австралии

"Раньше мы считали, что Пилбара представляла в то время жерло супервулкана, покрытое морской водой, периодически то исчезавшей, то появлявшейся внутри него, и эти полосы мы считали следами этого процесса испарения и появления воды. Два года назад, будучи проездом в Новой Зеландии, я узнал, чем они являются, и это осознание сделало гейзеры в национальном парке Оракеи Корако моим самым любимым местом на Земле", - продолжает Кранендонк.

В окрестностях этих гейзеров Кранендонк и его коллеги нашли абсолютно такие же горные породы, так называемые гейзериты, как и в Пилбаре. Эти отложения, как оказалось, формируются на дне вулканических озер и рек, чьи воды питаются выбросами гейзеров и содержат в себе огромное количество микробов, питающихся различными химическими веществами, которые содержатся в этих водоемах.

Вода в этих реках и озерах, как вспоминает геолог, больше похожа на густой суп, чем на обычную воду, и в этом "супе" содержится множество пузырьков газов, выбрасываемых микробами. Еще большее удивление ожидало геологов тогда, когда они открыли следы бора, калия, цинка и многих других элементов, содержащихся в живых клетках и отсутствующих в морской воде.

Все это, как считает Кранендонк, указывает на то, что именно вулканические озера - а не "черные курильщики" или другие геотермальные источники на дне океана - были колыбелью жизни. Это, в свою очередь, говорит о том, что Дарвин был прав: жизнь действительно зародилась в "теплом мелком пруду".

"Уже сейчас можно сказать, что Дарвин действительно опередил время, но я, как ученый, не удержусь и покритикую его: жизнь не просто возникла в "теплом пруду", а в нескольких прудах, и в них были не только аммиак и органика, но и бор. Соответственно, мы можем поставить Дарвину только 97 из 100", - шутит геолог.

Подобные открытия, как отмечает ученый, имеют огромное значение для поиска следов внеземной жизни. Уже сейчас можно говорить, что три главных кандидата на роль ее прибежища - Европа, Энцелад и Титан, спутники Юпитера и Сатурна, вряд ли являются обитаемыми. Единственной обитаемой планетой Солнечной системы, помимо Земли, мог быть Марс, где найдены и следы гейзеров, и жидкая вода, и залежи бора и молибдена.

"Мы уже могли бы найти следы жизни на Марсе. Марсоход "Спирит" в последние дни своей работы случайно открыл отложения необычных белых пород, аналогичные тем, которые образуются от выбросов гейзеров в присутствии бактерий. Если бы я был Илоном Маском или имел миллиард долларов, я бы отправил миссию именно туда", - заключает ученый.

Жизнь зародилась в воде. За последние десятилетия учёные, используя самые разные виды энергии, получили в лабораторных условиях самые разнообразные "органические" вещества. Во всех этих опытах моделировались условия первичной бескислородной атмосферы. Было установлено, что первичной бескислородной атмосфере древней Земли был возможен синтез "органических" молекул за счет энергии коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца, энергии электрических разрядов и за счет других геотермальных источников энергии.

Первые эксперименты по неорганическому синтезу "органических" веществ в условиях первобытной Земли, провел в 1959 году С. Миллер (Miller S. L., 1959). Сконструированный им прибор заполнялся водой и смесью газов - водородом, метаном и аммиаком; свободный кислород в колбу не допускался. В верхней части колбы непрерывно создавались сильные электрические разряды. Внизу нагревалась до кипения вода, создавая циркуляцию пара и воды (рис. 9).

Рис. 9. Эксперимент Миллера, в котором под действием искрового разряда из водорода, метана, воды и аммиака в отсутствии кислорода образуются органические соединения.

В качестве источника энергии сначала использовался искровой разряд. Поскольку разряд дает меньше энергии, чем ультрафиолет, в последующих экспериментах использовали ультрафиолет. При этом из метана, аммиака и водорода синтезировались органические соединения – альдегиды и аминокислоты.

Опыты обнаружили, что 10-15 % углерода перешло в органическую форму. Около 2 % углерода оказались в виде аминокислот, причём самым распространённым из них оказался глицин. В реакционной смеси также были обнаружены сахара, липиды и предшественники нуклеиновых кислот - нуклеозиды. Первичный анализ показал наличие в конечной смеси 5 аминокислот. Однако, более точный повторный анализ, опубликованный в 2008 году, показал, что эксперимент привёл к образованию 22 аминокислот.

Оригинальные эксперименты Миллера вызвали большой интерес среди учёных всего мира. К аналогичным опытам приступили другие исследователи.

Гистограмма 2. Распределение соединений, полученных в опытах Миллера, по массе и числу атомов в молекуле (диаграммы построены по данным С. Миллера)

В 1960 году Уилсон, добавив в исходный раствор серу, получил более крупные молекулы полимеров, содержащие по 20 и более атомов углерода (Wilson A. T., 1960). В смеси полимеров образовались тонкие пленки размером около 1 см, представляющие собой поверхностно-активные вещества, скопившиеся на поверхности раздела газ - жидкость (см. рис. 10). Считается, что эти пленки молекул, синтезировавшихся на границе между разными фазами, играли важную роль на ранних стадиях возникновения жизни. Катализатором образования подобных пленок служила, по-видимому, сера, которая была широко распространена на первобытной Земле в форме зерен сульфидов, например, в пиритовых песках.

Рис. 10. Плоские плёнки органических макромолекул, образующихся при искровых разрядах в смеси аммиака, сероводорода, паров воды и золы пекарских дрожжей. Источник M. G. Rutten .

В 1969 году Поннамперума и сотр. провели эксперименты, подобные экспериментам Миллера, используя в качестве источника энергии ультрафиолетовый свет (Ponnamperuma C., 1969). Хотя по теоретическим соображениям синтезы, идущие под действием ультрафиолета, не должны принципиально отличаться от тех, которые вызываются электрическим разрядом, важно было получить экспериментальное подтверждение этого факта, поскольку в условиях первичной атмосферы гораздо больше энергии поступало с ультрафиолетовым излучением.

Исследователи не только смогли синтезировать аминокислоты и пурины, т. е. строительные блоки белков и нуклеиновых кислот, но также смогли синтезировать из этих блоков полимеры. Оказалось, что в присутствии цианистого водорода аминокислоты полимеризуются, образуя пептидные цепи. Причём, при добавлении фосфорной кислоты получались различные нуклеотиды.

Интересные результаты получил в 1965 году американский учёный Оро и сотр., показавший, что более крупные "органические" молекулы можно синтезировать и без помощи ультрафиолета, просто нагревая реакционную смесь (Oro J., 1965).

Известно, что в условиях восстановительной атмосферы малые "органические" молекулы могли синтезироваться за счет энергии ультрафиолетового излучения Солнца. Однако условия на Земле в эпоху примитивной атмосферы были для ранней жизни не менее опасными, чем они оказались бы для современной. Хотя первые организмы в бескислородной атмосфере не подвергалась окислению, ничто не защищало их от губительного воздействия жесткого ультрафиолетового излучения. Поэтому надо учитывать, что в те времена, возможно, использовались другие источники энергии. Например, свободные радикалы и малые "органические" молекулы могли синтезироваться за счет высокоэнергетического ультрафиолетового излучения Солнца, а для синтеза из малых молекул других, более сложных соединений могли служить и менее мощные геотермальные источники энергии (рис. 11). Так, в растворах формальдегида с гидроксиламином, формальдегида с гидразином и в растворах, содержащих цианистый водород, в конце опыта обнаруживались аминокислоты (Oro J., 1965). В других экспериментах эти продукты полимеризовались в пептидные цепи - большой шаг к неорганическому синтезу белка. В системе с раствором цианистого водорода в водном аммиаке также появлялись более сложные соединения - пурины и пиримидины (азотистые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот).

Рис. 11. Предполагаемые механизмы образования пуринов из водной смеси аммиака и цианистого водорода (вверху) и аденина из водной смеси аммиака и цианистого водорода (внизу). По данным Oro J ., 1965

Все эти эксперименты указали возможный путь перехода от синтеза малых "органических" молекул за счет энергии ультрафиолетового солнечного излучения Солнца к более сложным "органическим" молекулам, образующимся при менее жестких воздействиях.

Как известно, молекулы протеинов построены из одной или нескольких полипептидных цепей, а те в свою очередь состоят из большого числа разных аминокислот. После того как образовались аминокислоты, может произойти следующий важный этап - их конденсация в полипептидные цепи. Учёные считают, что выделение молекулы воды, сопровождающее реакцию конденсации двух молекул аминокислот, - факт большой важности. Поскольку реакция поликонденсации сопровождается дегидратацией, скорость превращения будут выше при удалении воды из системы. Это соображение привело учёных к выводу, что раннее развитие жизни должно было происходить вблизи действующих вулканов, поскольку в ранние периоды геологической истории вулканическая деятельность шла более активно, чем в последующие времена. Однако дегидратация сопровождает не только полимеризацию аминокислот, но и объединение других строительных блоков в более крупные "органические" молекулы. Такое объединение всегда связано с реакцией конденсации, при которой от одного блока "отщепляется" атом водорода, а от другого - гидроксильная группа.

Первым возможность проведения реакций конденсации-дегидратации в условиях "первичного бульона" доказал в 1965 году американский учёный Кальвин (Calvin M., 1965). Из всех соединений лишь синильная кислота способна связывать молекулы воды "первичного бульона". Присутствие в "первичном бульоне" синильной кислоты доказано также первыми экспериментами Миллера.

Рис. 12. Реакции конденсации с дегидратацией, приводящие к образованию из отдельных строительных блоков более крупных "органических" молекул. Верхние три уравнения: конденсация и последующая полимеризация аминокислот в протеины, сахаров в полисахариды и кислот и спиртов в липиды. Нижнее уравнение - конденсация аденина с рибозой и фосфорной кислотой, в результате чего образуется нуклеотид. Полимеризация нуклеотидов в цепь нуклеиновой кислоты также представляет собой реакцию конденсации и протекает с выделением молекул воды.

Далее, обнаружилось, что два других, несколько более сложных соединения - цианамид и дицианамид HN(C = N) 2 - обладают ещё большей дегидратирующей способностью. Реакции с ними более сложны, их механизм еще не выяснен окончательно. В присутствии синильной кислоты и цианамидов конденсация отдельных блоков, сопровождаемая дегидратацией, может идти при нормальных температурах в сильно разбавленных водных растворах.

Интересные выводы сделал в 1966 году Эйбелсон, установивший, что реакции с синильной кислотой сильно зависят от кислотности водных растворов, в которых они протекают (Abelson Ph. H., 1966). Эти реакции не идут в кислых средах, тогда как щелочные условия (рН 8-9) им благоприятствуют. Учёные до сих пор спорят мог ли первичный океан имел такой состав, но вполне вероятно, что именно таким рН обладала озерная вода, соприкасавшаяся с базальтом, и эти реакции вполне могли происходить при контакте с базальтовыми породами.

Исследователи провели эксперименты, в которых безводную смесь аминокислот подвергали воздействию температур до 170 0 С. Оказалось, что наилучшие результаты по поликонденсации получаются со смесями, содержащими аспарагиновую и глутаминовую кислоты. Именно эти две аминокислоты относятся к числу важнейших аминокислот, встречающихся в современных организмах.

В ходе синтеза образовывались соединения, названные протеиноидами, сходные с природными белками. Так, они состояли из крупных молекул с молекулярной массой до 300000, сложенных из тех же блоков, что и природный белок. Они содержали 18 из 23 аминокислот, обычно встречающихся у современных организмов. Таким образом, они отвечали общему определению белка. С природным белком они сходны и по ряду других важных свойств, например по связыванию полинуклеотидов, по пригодности в пищу бактериям и крысам, по способности вызывать реакции, сходные с теми, которые катализируются ферментами в организмах. Так, эти искусственно синтезированные "органические" соединения способны каталитически разлагать глюкозу.

Другое важное свойство протеиноидных соединений - их "ограниченная гетерогенность". Это значит, что последовательность аминокислот в их пептидных цепях не совершенно случайна, а, напротив, более или менее закономерна. Но в то время было невозможно провести строгое сравнение этих искусственных соединений с природными белками, так как молекулы белков настолько сложны, что структура большинства из них еще не определена с достаточной точностью. Стремясь подчеркнуть сходство этих искусственных белковоподобных соединений с природными белками, Фокс назвал их протеиноидами. Поскольку они были синтезированы под действием тепла, в дальнейшем их стали называть "термическими протеиноидами".

С тех пор многое изучено в получении было сделано для изучения активности протеиноидов. Самое важное то, что промывая горячую смесь протеиноидов водой или водными растворами солей в среде образуются элементарные мембраноподобные микросферы – коацерваты (Rutten M. G., 1963). Размер микросфер очень мал, их диаметр составляет около 2 мкм. Внешне они напоминают мембрану клетки. Морфологические особенности протеноидных коацерватов показаны на рис. 13 и рис. 14.

Рис. 13 . Электронные микрофотографии срезов протеноидных коацерватов. Источник M. G. Rutten . The Origin of life by natural causes. Elsevier Publishich Comp., N. Y., 1971.

Рис. 14. Протеноидные коацерваты, сдвоенные при увеличении рН среды. Источник M. G. Rutten . The Origin of life by natural causes. Elsevier Publishich Comp., N. Y., 1971.

Коацерваты довольно стабильны. Если их помещают в растворы иной концентрации, чем концентрация раствора, в котором они образовались, то они реагируют на внешние условия. В слишком концентрированных растворах они сморщиваются, в разбавленных набухают, т. е. их реакция на изменение осмотического давления сходна с реакцией живых клеток. Это объясняется наличием у них полупроницаемой наружной оболочки, сходной с мембраной клетки, которая может быть также и двойной.

Образование коацерватов из смеси искусственных протеинов важно потому, что оно дает нам материал для суждения о том, как мог произойти следующий шаг в развитии жизни. Это шаг от разрозненных "органических" молекул к группам организованных молекул, собранным в отдельные структуры и отделенным от окружающего мира примитивной мембраной, что было продемонстрировано нашим соотечественником академиком А.И. Опариным.

С учётом вышесказанного происхождение жизни выглядит так: Первым этапом живой эволюции, по-видимому, было образование при очень высоких температурах аминокислот и азотистых соединений – аналогов нуклеиновых кислот. Такой синтез вполне возможен наряду с другими, т. е. при воздействии электрических разрядов, ультрафиолетового излучения и высокой температуры. Возможность такого термического синтеза экспериментально доказана опытами многих исследователей (Fox S. W., 1965). Следующий этап - поликопденсация полученных аминокислот при температуре 170 или 65 С (в последнем случае в присутствии некоторых фосфатов). Реакция поликонденсации происходит, если в смеси имеется достаточно аспарагиновой и глутаминовой кислот. В смеси протеиноидов при воздействии на нее водой или кислыми водными растворами (дождем) образуются коарцерваты – предшественники клеток. Способность протеиноидов к выполнению некоторых функций, сходных с функциями ферментов живых организмов, выражается в том, что они могут в присутствии гидрата окиси цинка расщеплять нуклеотид АТФ, т. е. обладают слабой ферментативной активностью.

В настоящее время есть много способов экспериментального получения "органических" молекул неорганическим путем в условиях, моделирующих первичную атмосферу. Но, результаты этих экспериментов с геологической точки зрения не являются удовлетворительными, поскольку довольно трудно моделировать геологическое прошлое. Для появления первых древнейших форм жизни естественным путем существенно важны два условия. Во-первых, атмосфера должна быть бескислородной, во-вторых, должно иметься все необходимое для построения "органических" молекул - атомы углерода, азота, неорганические катализаторы и вода. Если эти условия будут выполнены, немедленно начнется образование "органических" соединений.

Но это означает, что формирование жизни - процесс, свойственный не только нашей Земле. В принципе, на любой планете, отвечающей двум вышеизложенным требованиям, находилась она в нашей Солнечной или в любой другой системе, могут идти аналогичные процессы. Ведь бескислородная атмосфера, содержащая нужные для синтеза "органических" соединений атомы и молекулы, - обычное для Вселенной явление. Остается одно главное условие для образования жизни - наличие жидкой воды. Таким образом, образование "органических" соединений из неорганических в водной среде - распространенный космический процесс.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зарождение жизни в горячей воде

1. Жизнь на Земле могла появиться в вулканических озерах

Первые примитивные живые клетки могли появиться в водах пресных озер, которые подогревались и насыщались микроэлементами доисторическими геотермальными источниками. Об этом заявляют российские и американские ученые в статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Большинство геологов и эволюционных биологов полагают, что жизнь на Земле в современном ее виде зародилась в водах первичного океана, который покрывал практически всю поверхность планеты. Считается, что этот океан представлял собой густой бульон из аминокислот и других «кирпичиков жизни», из которых появились первые живые клетки. Группа геологов и эволюционных биологов под руководством выходца из России Евгения Кунина из Национального института здоровья в городе Бетесда (США) предложила новый аргумент в пользу альтернативной теории - зарождения жизни в пресноводных озерах, в воду которых поступает пар и горячая вода из геотермальных источников. В последние годы появилось множество свидетельств того, что активность вулканов и другие геотермальные процессы играли важную роль в зарождении жизни. Так, в феврале 2010 года британские и немецкие геологи предложили новую теорию зарождения жизни, согласно которой первые клетки появились у жерла подводных вулканов и лишь потом заселили весь Мировой океан. В октябре 2011 года другая группа ученых нашла свидетельства этому в отложениях древних горных пород в Гренландии. Кунин и его коллеги «перенесли» вулканы из вод «подсоленного» первичного океана в пресноводные озера на тех клочках суши, которые существовали в ранней истории Земли, сравнив химический состав клеток с набором элементов в водах современных геотермальных озер. В своем исследовании авторы статьи предположили, что первичные клетки должны были развиться в той местности, которая меньше всего отличалась от них по химическому составу. С этой точки зрения, морская вода не является идеальной средой для развития жизни - концентрации натрия, калия, марганца, цинка и ионов других важнейших биоэлементов в ней значительно отличается от клеточных. Даже самые примитивные микроорганизмы обладают сложной системой особых «насосов», которые препятствуют смешиванию цитоплазмы с морской водой. Маловероятно, что такие защитные приспособления существовали уже в первых протоклетках. Ученые сравнили химический состав цитоплазмы в клетках множества современных организмов и вывели «средние» концентрации аминокислот, биологически важных металлов и других веществ. Затем они сравнили их с типичным набором микроэлементов в воде современных океанов, предполагаемым составом первичного океана и водой в современных геотермальных озерах. Оказалось, что вулканические озера были наиболее благоприятной «колыбелью» для зарождения жизни. Как отмечают Кунин и его коллеги, только в их водах сложились достаточно благоприятные условия для формирования структур базовых белков и других важнейших молекул, составляющих основу клетки. По словам ученых, такие озера могли образоваться в результате взаимодействия воды, поступающей на Землю вместе с метеоритами и раскаленными породами на глубине. Вода во время своего путешествия с поверхности в глубинные слои «собирала» ионы калия, натрия и других важных микроэлементов и возвращалась вместе с ними в виде геотермального пара, который осаждался в озера. Как полагают геологи, такие условия могли стабильно существовать в течение многих миллионов лет, что дало жизни большой шанс на появление. Выводы ученых подтверждаются тем, что схожий химический состав характерен для вод геотермальных источников в окрестностях вулкана Мутновский на Камчатке.

2. Химическая эволюция

Химическая эволюция или пребиотическая эволюция - этап, предшествовавший появлению жизни, в ходе которого органические, пребиотические вещества возникли из неорганических молекул под влиянием внешних энергетических и селекционных факторов и в силу развертывания процессов самоорганизации, свойственных всем относительно сложным системам, которыми бесспорно являются все углеродсодержащие молекулы. Также этими терминами обозначается теория возникновения и развития тех молекул, которые имеют принципиальное значение для возникновения и развития живого вещества. Всё, что известно о химизме вещества, позволяет ограничить проблему химической эволюции рамками так называемого «водно-углеродного шовинизма», постулирующего, что жизнь в нашей Вселенной представлена в единственно возможном варианте: в качестве «способа существования белковых тел», осуществимого благодаря уникальному сочетанию полимеризационных свойств углерода и деполяризующих свойств жидко-фазной водной среды, как совместно необходимых и / или достаточных(?) условий для возникновения и развития всех известных нам форм жизни. При этом подразумевается, что, по крайней мере, в пределах одной сформировавшейся биосферы может существовать только один, общий для всех живых существ данной биоты код наследственности, но пока остаётся открытым вопрос, существуют ли иные биосферы вне Земли и возможны ли иные варианты генетического аппарата. Также неизвестно, когда и где началась химическая эволюция. Возможны любые сроки по окончании второго цикла звёздообразования, наступившего после конденсации продуктов взрывов первичных сверхновых звезд, поставляющих в межзвездное пространство тяжелые элементы (с атомной массой более 26). Второе поколение звёзд, уже с планетными системами, обогащенными тяжёлыми элементами, которые необходимы для реализации химической эволюции появилось через 0,5-1,2 млрд лет после Большого взрыва. При выполнении некоторых вполне вероятных условий, для запуска химической эволюции может быть пригодна практически любая среда: глубины океанов, недра планет, их поверхности, протопланетные образования и даже облака межзвёздного газа, что подтверждается повсеместным обнаружением в космосе методами астрофизики многих видов органических веществ - альдегидов, спиртов, сахаров и даже аминокислоты глицина, которые вместе могут служить исходным материалом для химической эволюции, имеющей своим конечным результатом возникновение жизни.

3. Гипотезы химической эволюции

Появление в Космосе или на Земле условий для автокаталитического синтеза больших объёмов и значительного разнообразия углеродсодержащих молекул, то есть - возникновение в абиогенных процессах веществ, необходимых и достаточных для начала химической эволюции. Появление из таких молекул относительно устойчивых замкнутых агрегатов, позволяющих так изолировать себя от окружающей среды, что с ней становится возможным избирательный обмен веществом и энергией, то есть - возникновение неких протоклеточных структур. Появление в таких агрегатах способных к само-изменению и к само-репликации химических информационных систем, то есть - возникновение элементарных единиц наследственного кода. Появление взаимной зависимости между свойствами белков и функциями ферментов с носителями информации (РНК, ДНК), то есть - возникновение собственно кода наследственности, как необходимого условия уже для биологической эволюции.

Большой вклад в прояснение этих вопросов, среди прочих, сделали следующие учёные:

Александр Опарин: Коацерваты.

Гарольд Юри и Стэнли Миллер в 1953: Возникновение простых биомолекул в симулируемой древней атмосфере.

Сидней Фокс: Микросферы из протеноидов.

Томас Чек (университет Колорадо) и Сидней Алтман (университет Yale New Haven Connecticut) в 1981: Автокаталитическое РНК-деление: «Рибозимы» объединяют катализ и информацию в молекуле. Они в состоянии вырезать себя из более длинной цепи РНК и соединять остающиеся концы снова.

Уолтер Гилберт (Гарвард, университет Кембридж) разрабатывает в 1986 идею мира РНК.

Гюнтер фон Кидровски (Рур-университет Бохум) представляет в 1986 году первую само-реплицирующуюся систему на основе ДНК, важный вклад в понимание функций роста само-реплицирующихся систем

Манфред Эйген (институт Макса Планка факультет биофизической химии, Геттинген): Эволюция ансамблей молекул РНК. Гиперцикл.

Юлий Ребек (Кембридж) создаёт искусственную молекулу (Aminoadenosintriazidester), которая само-реплицируется в растворе хлороформа. Копии все же идентичны образцу, так что эволюция для этих молекул невозможна.

Джон Корлис (Goddard центр космических полётов - НАСА): Термальные источники морей поставляют энергию и химикалии, которые делают возможными независимую от космической среды химическую эволюцию. Ещё сегодня они являются средой жизни для первоначальных по многим признакам археобактерий (Archaea).

Гюнтер Вэхтерсхойзер (англ. Gьnter_Wдchtershдuser) (Мюнхен) - гипотеза мира сульфидов железа: первые само-реплицирующиеся структуры с обменом веществ возникли на поверхности пирита. Пирит (сульфид железа) поставил для этого необходимую энергию. На растущих и снова распадающихся кристаллах пирита эти системы могли расти и размножаться, и различные популяции конфронтировали с разным условиям среды (условия отбора).

А.Г. Cairns-Smith (университет Глазго) и Дэвид К. Мауерцалл (Rockefeller-Universitдt New York, Нью-Йорк) видят в глиняных минералах систему, которая сначала сама подчинена химической эволюции, из-за чего возникает много различных, самореплицирующихся кристаллов. Эти кристаллы притягивают своим электрическим зарядом органические молекулы и катализируют синтез комплексных биомолекул, причём объём информации кристаллических структур служит сначала матрицей. Эти органические соединения становятся всё более сложными до тех пор, пока они не смогут размножаться без помощи глиняных минералов.

Вольфганг Вайганд, Марк Дерр и др. (Институт Макса Планка факультет биогеохимии, Йена) показали в 2003, что сульфид железа может катализировать синтез аммиака из молекулярного азота.

4. Теория Вехтерхойзера

геотермальный химический вехтерхойзер

Теория железосерного мира

Особенно интенсивная форма содействия минералов и горных пород пребиотическому синтезу органических молекул должна протекать на поверхности минералов сульфида железа. Теория Миллера-Юри имеет существенные ограничения, особенно учитывая ошибочное объяснение полимеризации мономерных составляющих биомолекулы. Анаэробные бактерии, обмен веществ которых происходит с участием железа и серы, существуют и сегодня. Сросток кристаллов сульфида железа FeS2 Альтернативный сценарий был с начала 1980-х годов разработан Гюнтером Вехтерхойзером. По этой теории жизнь на Земле возникла на поверхности железно-серных минералов, то есть сульфидов, которые и сегодня образуются посредством геологических процессов, а на молодой Земле должны были встречаться гораздо чаще. Эта теория в противовес гипотезе мира РНК, предполагает, что обмен веществ предшествовал появлению энзимов и генов. В качестве подходящего места предлагаются чёрные курильщики на дне океанов где высокое давление, высокая температура, нет кислорода и обильно представлены различные соединения, которые могли послужить строительным материалом «кирпичиков жизни» или катализатором в цепочке химических реакциях. Большое преимущество этой гипотезы перед предшественниками в том, что впервые образование комплексных биомолекул связано с постоянным надёжным источником энергии. Энергия выделяется при восстановлении частично окисленных железно-серных минералов, например пирита (FeS2), водородом (уравнение реакции: FeS2 + H2 \;\overrightarrow{\leftarrow}\; FeS + H2S), и этой энергии достаточно для эндотермического синтеза мономерных структурных элементов биомолекул и их полимеризации:

Fe2+ + FeS2 + H2 \;\overrightarrow{\leftarrow}\; 2 FeS + 2 H+ ДG°" = ?44.2 кДж/моль

Другие металлы, так же как и железо, тоже образуют нерастворимые сульфиды. В дополнение к этому пирит и другие железно-серные минералы имеют положительно заряженную поверхность, на которой могут располагаться, концентрироваться и реагировать между собой преимущественно отрицательно заряженные биомолекулы (органические кислоты, фосфорные эфиры, тиолы). Необходимые для этого вещества (сероводород, моноксид углерода и соли двухвалентного железа) попадают из раствора на поверхность этого «железо-серного мира». Вехтерхойзер привлекает для своей теории и сегодня существующие основополагающие механизмы обмена веществ и выводит из них замкнутый в себе сценарий синтеза комплексных органических молекул (органические кислоты, аминокислоты, сахар, азотистые основания, жиры) из простых неорганических соединений, находящихся в вулканических газах (NH3, H2, CO, CO2, CH4, H2S). В противоположность эксперименту Миллер-Юри не привлекаются источники энергии извне, в форме молнии или ультрафиолетового излучения; кроме того, первые ступени синтеза при высоких температурах и давлениях протекают гораздо быстрее (например, катализируемые энзимами химические реакции). При температуре подводных вулканов до 350°C возникновение жизни является вполне представимым. Только позднее при возникновении чувствительных к высоким температурам катализаторам (витамины, белки) эволюция должна была происходить при более низкой температуре. Сценарий Вехтерхойзера хорошо подходит к условиям глубоководных гидротермальных источников, так как имеющийся там перепад температуры позволяет подобное распределение реакций. Древнейшие из сегодня живущих микроорганизмов - самые жароустойчивые, предельный известный температурный максимум для их роста составляет +122°C. Кроме того железо-серные активные центры и сегодня задействованы в биохимических процессах, что может указывать на первичное участие Fe-S-минералов в развитии жизни.

5. Мир РНК

Впервые гипотеза мира РНК была выдвинута в 1986 году Уолтером Гильбертом и гласила, что молекулы РНК были предшественниками организмов. Гипотеза отталкивается от способности РНК к хранению, передаче, и размножению генетической информации, а также от её способности катализировать реакции в качестве рибозимов. В эволюционной среде молекулы РНК, которые множат преимущественно себя, встречались бы чаще других. Исходным пунктом являются простые самовоспроизводящиеся молекулы РНК. Некоторые из них имеют способность катализировать синтез белков, которые, в свою очередь, сами катализируют синтез РНК и свой собственный синтез (развитие трансляции). Некоторые молекулы РНК соединяются в двойную РНК-спираль, они развиваются в молекулы ДНК и носители наследственной информации (развитие транскрипции). Основой служат определённые РНК-молекулы, которые могут копировать любые РНК-образцы включая себя самих. Дженнифер А. Doudna и Джек В. Szostak использовали как образец для развития этого типа РНК производящий разрезание и сплайсинг самой себя интрон прокариотного одноклеточного организма Tetrahymena thermophila. Это подтверждает то, что в рибосомах собственно rРНК являются каталитическими молекулами и таким образом РНК катализирует синтез белка. Однако ограничения состоят в том, чтобы при само-реплицирующихся РНК не моно-, а олигонуклеотиды являются составляющими звеньями и необходимы вспомогательные вещества. В 2001 году было открыто, что важными каталитическими центрами рибосом являются РНК, а не, как раньше было принято, белки. Это показывает, что каталитическая функция РНК, как она предполагалась в гипотезе мира-РНК, используется сегодня живыми существами.

Так как рибосомы считаются очень первоначальными клеточными органоидами, это открытие считается важным взносом в обоснование гипотезы мира-РНК. Уже можно уверенно сказать, что молекулы РНК могут из аминокислот синтезировать белки. В этой связи нуклеопротеиды (комплексы нуклеиновых кислот с белками) также представляют интерес как возможные предшественники РНК. Другим предшественником РНК могли быть полициклические ароматические углеводороды. Гипотеза мира полиароматических углеводородов пытается ответить на вопрос, как возникли первые РНК, предлагая вариант химической эволюции от полициклических ароматических углеводородов до РНК-подобных цепочек.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Объекты биологического познания и структура биологических наук. Гипотезы возникновения жизни и генетического кода. Концепции начала и эволюции жизни. Системная иерархия организации живых организмов и их сообществ. Экология и взаимоотношения живых существ.

реферат , добавлен 07.01.2010


Тайна появления жизни на Земле. Эволюция зарождения жизни на Земле и сущность концепций эволюционной химии. Анализ биохимической эволюции теории академика Опарина. Этапы процесса, приведшего к возникновению жизни на Земле. Проблемы в теории эволюции.

реферат , добавлен 23.03.2012


Специфика живого вещества и проблемы изучения живой природы в естествознании. Концепции происхождения жизни на планете и эволюции живых организмов. Зарождение и развитие Солнечной системы. Теория структурных уровней организации биотической материи.

контрольная работа , добавлен 06.10.2012


Сущность гипотезы биохимической эволюции, предположений внеземного происхождения жизни (Панспермии), теории стационарного состояния жизни. Их основатели и сторонники. Источники и течения философско-теистической концепции креационизма христианских ученых.

презентация , добавлен 27.02.2011


реферат , добавлен 19.11.2010


Природа жизни, ее происхождение, разнообразие живых существ и объединяющая их структурная и функциональная близость. Причины доминирования теории эволюции. Естественнонаучные гипотезы о происхождении жизни. Христианские взгляды на происхождение человека.

курсовая работа , добавлен 12.06.2013


Значение теории Дарвина в истории биологии. Наследуемые морфологические и физиологические характеристики живых организмов. Современные креационистские гипотезы. Теория возникновения жизни. Применение стволовых клеток. Процессы старения и старость.

реферат , добавлен 20.08.2015


Характеристика общих представлений об эволюции и основных свойствах живого, которые важны для понимания закономерностей эволюции органического мира на Земле. Обобщение гипотез и теорий происхождения жизни и этапы эволюции биологических форм и видов.

курсовая работа , добавлен 27.01.2010


Возникновение теории эволюции и ее значение. Представление о градации живых существ и теория изменчивости видов. Законы эволюции Ж.Б. Ламарка. Концепция искусственного отбора. Значение теории эволюции Ч. Дарвина. Результаты действия естественного отбора.

контрольная работа , добавлен 13.11.2009


Теории эволюции - система естественнонаучных идей и концепций о прогрессивном развитии биосферы Земли, составляющих её биогеоценозов, отдельных таксонов и видов. Гипотезы биохимической эволюции, панспермии, стационарного состояния жизни, самозарождения.