Модель молодой Вселенной Большинство современных учёных считают, что наша Вселенная образовалась около 15 миллиардов лет назад в результате взрыва (бесконечно малого и бесконечно плотного) образования, известного в космологии как Большой взрыв.
• Советский биохимик Александр Иванович Опарин (1894– 1980 г).
Химическая эволюция А) Синтез органических мономеров: органических кислот, аминокислот, углеводов, азотистых оснований. Для этого на Земле имелись все условия: обилие воды, метана, аммиака и цианидов, отсутствие кислорода и других окислителей (атмосфера носила восстановительный характер), избыток свободной энергии в виде ультрафиолетового света, электрических разрядов и вулканической деятельности. Б) Синтез органических полимеров из имеющихся мономеров с участием неорганических катализаторов. В) Образование нуклеопротеидов (комплексов белков и нуклеиновых кислот), появление реакций матричного типа, появление липидных мембран. Этот этап завершается появлением молекулярногенетических систем управления и естественного отбора. По современным данным вероятно, первичными нуклеиновыми кислотами были различные типы РНК, которые обеспечивали все матричные процессы; ДНК (как основной носитель генетической информации) возникла значительно позже.
2. Биологическая эволюция А) Появление первых биологических систем – пробионтов. (А. И. Опарин считал пробионтов еще неживыми существами, но его последователи считают их уже живыми). Некоторые из полипептидов обладали каталитической активностью и могли ускорить процессы матричного синтеза полинуклеотидов. Молекулы, окруженные водной оболочкой, могли объединяться, образуя многомолекулярные комплексы – коацерваты. В первичном бульоне коацерваты обладали способностью поглощать различные вещества. Одни коацерватные капли распадались, другие росли, изменяя свой химический состав. Академик А. И. Опарин отмечал, что среди коацерватных капель должен был идти естественный отбор наиболее устойчивых в данных конкретных условиях. Достигнув определенного размера, коацерватная капля могла распадаться на дочерние. В дальнейшем сохранялись лишь те капли, которые обладали способностью избирательно поглощать из окружающей среды только те вещества, которые обеспечивали им устойчивость и которые при разделении на дочерние не утрачивали особенностей своей структуры, т. е. обладали свойством самовоспроизведения. Б) Появление архебионтов (по терминологии А. И. Опарина протобионтов) – предшественников современных организмов. Архебионты характеризовались наличием основных компонентов клетки: плазмалеммы, цитоплазмы и генетического аппарата. Существовали системы обмена веществ и системы воспроизведения, передачи и реализации наследственной информации (репликация нуклеиновых кислот и биосинтез белка на основании генетического кода).
В) Формирование современных клеток и групп организмов: архебактерий, эубактерий, мезокариот и эукариот. Первые живые организмы были гетеротрофными (использовали в качестве пищи органические вещества первичного океана), анаэробами (в атмосфере Земли не было свободного кислорода). С увеличением количества гетеротрофов органических веществ в первичном океане становилось меньше. В преимущественном положении оказались организмы-фотоавтотрофы, способные использовать для создания органических веществ энергию света, побочным продуктом реакции при этом процессе выделялся кислород. С этого времени в атмосфере Земли начал накапливаться свободный кислород. Первыми организмами, выделившими кислород в атмосферу, были цианобактерии (до 410%), далее зеленые растения довели атмосферу Земли до 21%.
Экспериментальные доказательства теории Первый целенаправленный опыт по синтезу органических молекул, пригодных для развития жизни, из предполагаемых исходных компонентов ранней земной атмосферы был проведен В. Гротом и Х. Зюссом (1938). После облучения ультрафиолетовыми лучами газовой смеси СО 2 и Н 2 О они получили формальдегид и глиоксал. Позже У. Харрисон, М. Кальвин и другие (1951) подвергают экспериментальной проверке идеи Опарина и Холдейна. Они облучали -частицами водные растворы, содержащие ионы двухвалентного железа, которые находились в равновесии с газовой смесью двуокиси углерода и водорода. Получены формальдегид, муравьиная и янтарная кислоты.
С. Поннамперума использовал в опытах ультрафиолетовую лампу как источник энергии — ведь в условиях молодой Земли ультрафиолетовое излучение давало основную энергию. Он сумел получить не только аминокислоты и пурины (строительные блоки соответственно для белков и нуклеиновых кислот), но и синтезировал эти молекулы в полимеры. С. Фокс синтезировал почти все аминокислоты, без которых жизнь была бы невозможна. Он «сварил» из аминокислот так называемые «термические протеноиды» , близкие по составу к белкам. При этом протеноиды превратились в приготовленном С. Фоксом бульоне в капли, подобные коацерватам Опарина. Принципиальная возможность образования полинуклеотидов без участия ферментов была показана Г. Шраммом.
Гипотезы абиогенеза: гипотеза биохимической эволюции Стэнли Миллер и Сидни Фокс сконструировали аппарат, в котором содержались газы первичной атмосферы. Через эту смесь они пропускали электрические разряды. Так абиогенным путем были получены аминокислоты, другие ученые получили набор всех мономеров, нужных для синтеза биополимеров. Это было на первом этапе возникновения жизни на Земле. Затем, на втором этапе, из простых органических соединений в водах первичного океана формировались биополимеры – белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты, которые самопроизвольно объединялись в коацерваты капли.
Гипотезы абиогенеза: гипотеза биохимической эволюции На третьем этапе появляется матричный синтез, самовоспроизведение нуклеиновых кислот в коацерватах. Матричный синтез начинался с РНК. Для нее доказана возможность самокопирования и каталитическая активность. Более устойчивые коацерваты с такими РНК и дали пробионтов.
Гипотезы абиогенеза: гипотеза биохимической эволюции Эволюция на уровне молекул РНК в коацерватах шла миллионы лет. Так возник древний мир РНК. Мутации и рекомбинации в популяциях РНК создавали все большее разнообразие этого мира. Параллельно идет эволюция связей между РНК и синтезом полипептидов, обеспечивающими их более надежное существование. На следующем этапе возникает ДНК, их двуцепочечное строение обеспечивает устойчивость и точную репликацию (удвоение).
Типы питания пробионтов По типу питания первые организмы были доядерными анаэробными гетеротрофами – питались готовыми органическими веществами. Первые фотосинтетики – зеленые и пурпурные бактерии имели фотосистему-1, которая в качестве донора электронов и использовала Н 2 S. При фотосинтезе выделялась сера. Позже, у цианобактерий впервые появляется ФС-2, способная отбирать электроны у Н 2 О – атмосфера стала насыщаться кислородом, что привело к появлению дыхания.
Симбиотическое происхождение эукариотических клеток Многие ученые считают, что митохондрии были бактериями- окислителями, хлоропласты – синезелеными, которые были фагоцитированы, но не были переварены, а вступили в симбиоз с клеткой-хозяином.
Гипотезы абиогенеза: гипотеза биохимической эволюции
В настоящее время живое происходит только от живого (биогенно). Возможность повторного возникновения жизни на Земле исключена. Если сейчас на Земле гденибудь в районах интенсивной вулканической деятельности и могут возникнуть достаточно сложные органические соединения, то вероятность скольконибудь длительного существования этих соединений ничтожна. Они сейчас же будут использованы гетеротрофными организмами.
СОВРЕМЕННЫЕ ГИПОТЕЗЫ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ 1. Некоторые специалисты считают, что родоначальником жизни был не первый организм, а первая биосфера (т. е. надорганизменный уровень организации живой материи). С момента своего возникновения живые организмы начинают играть важную и разнообразную геологическую и геохимическую роль. 2. Научные данные все больше подтверждают, что жизнь возникла не в открытом океане, а в шельфовой зоне моря или в лагунах, где были наиболее благоприятные условия для концентрации органических молекул и образования сложных макромолекулярных систем. 3. В 1977 году американский биохимик К. Воуз объявил открытие первой формы жизни в горячих (65 -70 С) источниках Йеллоустонского парка, где он обнаружил микроорганизмы, которые поглощают двуокись углерода и водорода и выделяют метан. Многие специалисты скептически приняли сообщение К. Воуза потому, что известно много современных анаэробных бактерий, которые живут за счет различных видов ферментации, фотосинтеза или химических процессов.
4. Немецкие химики показали, что жизнь зародилась в гидротермальных источниках срединно-океанических хребтов действующих на дне океанов «Черные курильщики» . В них при температуре свыше 80 градусов может происходить абиогенный синтез органических веществ, в частности аминокислот, из угарного газа, цианистого водорода и других неорганических соединений. 5. Поскольку все органические соединения клетки содержат углерод, то принято считать, что жизнь на Земле построена на основе углерода. Замечательной особенностью углерода является то, что его атомы очень легко образуют ковалентные связи с другими атомами, в результате чего он больше других элементов способен образовывать большие молекулы. До некоторой степени такой способностью, но меньшей, обладает и кремний, что явилось основанием к известным предположениям о существовании жизни на других планетах, но на кремниевой основе. 6. Уильям Мартин из Германии и Майкл Рассел из Великобритании утверждают, что первые живые организмы на Земле могли появиться внутри камней, выстилающих дно океана более 4 миллиардов лет назад.
Концепция «Мир РНК» Гипотетический этап возникновения жизни на Земле, когда функцию хранения генетической информации, так и катализ химических реакций выполняли молекулы РНК. Впоследствии из них возникла современная ДНК-РНК-белковая жизнь, обособленная мембраной от внешней среды. Идея мира РНК была впервые высказана К. Вёзе (1968), позже развита Оргелом и окончательно сформулирована Гильбертом (1986). РНК могли существовать полностью автономно, катализируя «метаболические» реакции, например, синтеза новых рибонуклеотидов и самовоспроизводясь, сохраняя из «поколения» в «поколение» каталитические свойства. Накопление случайных мутаций привело к появлению РНК, катализирующих синтез определённых белков, являющихся более эффективным катализатором, в связи, с чем эти мутации закреплялись в ходе естественного отбора. С другой стороны возникли специализированные хранилища генетической информации — ДНК. РНК сохранилось между ними как посредник.
Участие молекул РНК в критически важных процессах жизнедеятельности клетки (доказательства автономности РНК) 1. Основной носитель энергии в клетках — АТФ — это рибонуклеотид, а не дезоксирибонуклеотид. 2. Биосинтез белка почти целиком осуществляется с помощью различных видов РНК: 1. матричные – м-РНК являются матрицей для синтеза белка в рибосомах; 2. транспортные т-РНК доставляют аминокислоты к рибосомам и реализуют генетический код; 3. рибосомная р-РНК составляет активный центр рибосом, катализирующий образование пептидной связи между аминокислотами. 3. Для репликации ДНК также критически важна РНК: - для начала процесса удвоения ДНК необходима РНК-"затравка" (праймер); - для удвоения ДНК производится постоянное восстановление концевых участков хромосом (теломер) ферментом теломеразой, в состав которого входит РНКматрица. 4. В процессе обратной транскрипции информация из РНК переписывается в ДНК. 5. В процессе созревания РНК используются различные РНК, не кодирующие белки включая малые ядерные РНК, малые ядрышковые РНК. 6. Кроме того, многие вирусы хранят свой генетический материал в виде РНК и поставляют в заражённую клетку РНК-зависимую РНК-полимеразу для его репликации.
Скачать презентацию Модель молодой Вселенной Большинство современных учёных считают что
2 Биохимическая эволюция.ppt