Биогенез или возникновение жизни

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Биогенез или возникновение жизни

Наиболее известными к настоящему времени теориями возникновения жизни на Земле являются следующие.

Креационизм. Согласно этой теории жизнь была создана сверхъестественным существом - Богом в определенное время. Этого взгляда придерживаются последователи почти всех религиозных учений. Однако и среди них нет единой точки зрения по этому вопросу, в частности, по трактовке традиционного христианско-иудейского представления о сотворении мира (Книга Бытия).

Концепция креационизма автоматически выносится за рамки научного исследования, поскольку наука занимается лишь теми явлениями, которые поддаются наблюдению, могут быть подтверждены или отвергнуты в ходе исследований (принцип фальсифицируемости научных теорий). Другими словами, наука никогда не сможет ни доказать, ни опровергнуть креационизм.

Самопроизвольное зарождение. Согласно этой теории жизнь возникала и возникает неоднократно из неживого вещества. Эта теория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне, Египте. Аристотель, которого часто называют основателем биологии, развивая более ранние высказывания Эмпедокла об эволюции живого, придерживался теории самопроизвольного зарождения жизни. Он считал, что «..живое может возникать не только путем спаривания животных, но и разложением почвы.». С распространением христианства эта теория оказалась в одной проклятой церковью «обойме» с оккультизмом, магией, астрологией, хотя и продолжала существовать где-то на заднем плане, пока не была опровергнута экспериментально в 1688 г. итальянским биологом и врачом Франческо Реди. Принцип «Живое возникает только из живого» получил в науке название Принципа Реди, а впоследствии получил название витализма.

В середине 19-го века Л. Пастер окончательно опроверг теорию самопроизвольного зарождения и доказал справедливость теории биогенеза.

Теория панспермии. Согласно этой теории жизнь была занесена на Землю извне, поэтому ее, в сущности, нельзя считать теорией возникновения жизни как таковой. Она не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, а просто переносит проблему происхождения жизни в какое-то другое место Вселенной.

Теория биохимической эволюции. Жизнь возникла в специфических условиях древней Земли в результате процессов, подчиняющимся физическим и химическим законам.

Последняя теория отражает современные естественнонаучные взгляды и поэтому будет рассмотрена подробнее.

Теория биохимической эволюции.

Согласно данным современной науки возраст Земли составляет примерно 4,7 млрд. лет. В далеком прошлом условия на Земле коренным образом отличались от современных, что обусловило определенное течение химической эволюции, которая явилась предпосылкой для возникновения жизни. Другими словами, собственно биологической эволюции предшествовала предбиотическая эволюция, связанная с переходом от неорганической материи к органической, а затем к элементарным формам жизни. Это было возможным в определенных условиях, которые имели место на Земле в то время, а именно: высокая температура, атмосфера, состоящая из водяных паров, СО₂, СН₃, NH₃, присутствие сернистых соединений (вулканическая активность), высокая электрическая активность атмосферы, ультрафиолетовое излучение Солнца, которое беспрепятственно достигало нижних слоев атмосферы и поверхности Земли, поскольку озоновый слой еще не сформировался.

Следует подчеркнуть одно из важнейших отличий теории биохимической эволюции от теории самопроизвольного (спонтанного) зарождения, а именно: согласно этой теории жизнь возникла в условиях, которые для современной биоты непригодны!

Гипотеза Опарина-Холдейна. В 1923 г. появилась знаменитая гипотеза Опарина, сводившаяся к следующему: первые сложные углеводороды могли возникать в океане из более простых соединений, постепенно накапливаться и проводить к возникновению «первичного бульона». Эта гипотеза быстро приобрела вес теории. Надо сказать, что последующие экспериментальные исследования свидетельствовали о правомерности таких предположений. Так в 1953 г. С. Миллер, смоделировав предполагаемые условия древней Земли (высокая температура, ультрафиолетовая радиация, электрические разряды) синтезировал в лабораторных условиях 15 аминокислот, входящих в состав живого, некоторые простые сахара (рибоза). Позднее были синтезированы простые нуклеиновые кислоты. В настоящее время в этих условиях синтезированы все 20 аминокислот, составляющих основу жизни.

Опарин предполагал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежит белкам. Белки способны образовывать гидрофильные комплексы: молекулы воды образуют вокруг них оболочку. Эти комплексы могут обособляться от водной фазы и образовывать так называемые коацерваты (лат. сгусток, куча) с липидной оболочкой, из которой затем могли образоваться примитивные клетки.

Механизм образования липидной мембраны прост -- липиды самоорганизуют пленку на поверхности воды, которая при перемешивании приводит к образованию липосом - прообраза клеточных мембран.

Существенный недостаток гипотезы Опарина - она не опирается на современную молекулярную биологию. Это вполне объяснимо, поскольку механизм передачи наследственных признаков и роль ДНК стали известны сравнительно недавно.

Английский ученый Холдейн (Кембриджский университет) в 1929 г. опубликовал свою гипотезу, согласно которой, живое также появилось на Земле в результате химических процессов в богатой диоксидом углерода атмосфере Земли, и первые живые существа были, возможно, «огромными молекулами». Он не упоминал ни о гидрофильных комплексах, ни о коацерватах, но его имя часто упоминается рядом с именем Опарина, а гипотеза получила название гипотезы Опарина-Холдейна.

Решающую роль в возникновении жизни впоследствии отводили появлению механизма репликации молекулы ДНК. Действительно, любая сколь угодно сложная комбинация аминокислот и других сложных органических соединений - это еще не жизнь. Ведь важнейшее свойство жизни - ее способность к самовоспроизведению. Проблема здесь в том, что сама по себе ДНК «беспомощна», она может функционировать только при наличии белков-ферментов (например, молекула ДНК-полимеразы, «расплетающая» молекулу ДНК, подготавливая ее к репликации). Остается открытым вопрос, как самопроизвольно могли возникнуть такие сложнейшие «машины» как пра-ДНК и нужный для ее функционирования сложный комплекс белков-ферментов.

В последнее время разрабатывается идея возникновения жизни на основе РНК, т.е. первыми организмами могли быть РНК, которые, как показывают опыты, могут эволюционировать даже в пробирке. Условия для эволюции таких организмов наблюдаются при кристаллизации глины. Эти предположения основаны, в частности, на том, что при кристаллизации глин каждый новый слой кристаллов выстраивается в соответствии с особенностями предыдущего, как бы получая от него информацию о строении. Это напоминает механизм репликации РНК и ДНК. Таким образом, получается, что химическая эволюция началась с неорганических соединений, и первые биополимеры могли быть результатом автокаталитических реакций малых молекул алюмосиликатов глины.

Гиперциклы и зарождение жизни. Концепция самоорганизации может способствовать лучшему пониманию процессов происхождения и эволюции жизни, исходя из гипотезы гиперцикла немецкого физико-химика М. Эйгена. Согласно последней, в «первичном бульоне» идет масса автокаталитических химических реакций, замыкающихся в циклические процессы, в которых происходит преобразование и перенос вещества и энергии. В них приходящая извне энергия расходуется на формирование новых органических соединений. Со временем такие циклы объединяются друг с другом -- продукт одного цикла участвует в химических процессах, происходящих в другом цикле. Образуется сложная сеть химических циклических процессов, взаимосвязанных и согласованных друг с другом. Такую сеть Эйген и назвал гиперциклом. Со временем гиперциклы видоизменяются, возникают их разные вариации, среди гиперциклов идет естественный отбор -- выживают только варианты гиперцикла, наиболее эффективно трансформирующие энергию.

Согласно гипотезе гиперцикла, процесс возникновения живых клеток тесно связан с взаимодействием нуклеотидов, являющихся материальными носителями информации, и протеинов (полипептидов), служащих катализаторами химических реакций в гиперцикле. В процессе этого взаимодействия нуклеотиды под влиянием протеинов воспроизводят самих себя и передают информацию следующему за ними протеину, так что возникает замкнутая автокаталитическая цепь, воспроизводящая сама себя и размножающаяся. Это и есть примитивная жизнь. В ходе дальнейшей эволюции таких гиперциклов из них и возникают первые живые клетки.

Воспроизведение компонентов гиперциклов, так же как и их объединение в новые гиперциклы, сопровождается усилением метаболизма, связанного с синтезированием высокоэнергетических молекул и выведением как «отбросов» бедных энергией молекул.

Итак, по Эйгену, происходит конкуренция гиперциклов, или циклов химических реакций, которые приводят к образованию белковых молекул. Циклы, которые работают быстрее и эффективнее, чем остальные, «побеждают» в конкурентной борьбе.

Таким образом, концепция самоорганизации позволяет установить связь между живым и неживым в ходе эволюции, так что возникновение жизни представляется отнюдь не чисто случайной и крайне маловероятной комбинацией условий и предпосылок для ее появления. Кроме того, жизнь сама готовит условия для своей дальнейшей эволюции.

РНК-овая жизнь

креационизм эволюция панспермия витализм

Как же возникли такие сложные молекулы, столь согласованно друг с другом работающие, обеспечивающие сопряженные метаболические процессы в клетке? На этот вопрос пока никто не может дать полный ответ. Однако некоторые детали известны. Известен путь, на котором можно найти ответ.

Для нас эта нерешенная задача - происхождение жизни на Земле. Мы видим последнее звено этой цепи - жизнь существует. И по результатам многочисленных исследований мы можем представить себе атмосферу молодой Земли, процессы, которые на ней происходили. Жизни тогда еще не было. То есть, у нас есть первое и последнее звено, но у нас нет промежуточных этапов. Если мы не видим промежуточных звеньев, нам кажется это чудом. Это «чудо» истолковывают по-разному: одни говорят, что жизнь была занесена из Космоса, другие считают, что жизнь кто-то создал; но мало кто представляет, что эти звенья можно реконструировать. На данный момент восстановить все эти звенья никто не может, но мы попытаемся представить некоторые из них, показать, каким способом можно реконструировать этапы возникновения жизни на Земле и ее развитие.

ДНК РНК БЕЛОК

Эта схема называется догмой молекулярной биологии. Она появилась в 50-60-е годы 20 века, когда стали ясны в общих чертах основные процессы синтеза ДНК, РНК и белка. Считалось, что это закон жизни - на матрице ДНК синтезируется РНК, на матрице РНК синтезируется белок. И функции "молекул жизни" были, казалось бы, ясны: ДНК хранит информацию, РНК ее переносит от ДНК к белку, белок выполняет всю работу в клетке. Но в 1975 г. схема изменилась:

ДНК РНК БЕЛОК

В 1975 г. Говард Темин и Дэвид Балтимор независимо друг от друга открыли обратную транскрипцию. Оказалось, что существует фермент ревертаза, который синтезирует ДНК на матрице РНК. Они за это открытие получили Нобелевскую премию.

Еще одно открытие, касающееся нашей темы (и тоже удостоенное Нобелевской премии), было сделано в 1989 году Сиднеем Олтменом и Томасом Чеком. Оказалось, что РНК может выполнять ферментативную функцию. Олтмен и Чек установили, что молекула РНК сама способна «откусить» от себя кусочек, и для этого ей не нужны никакие белки. Потом были найдены другие, более сложные формы каталитической активности РНК. РНК-ферменты были названы рибозимами (по аналогии с белковыми ферментами, энзимами).

Надо сказать, что рибозимы работают несколько медленнее белков, но, тем не менее, в некоторых ферментах РНК выполняют основную работу, а белки ей помогают, то есть без белков РНК выполняет свою работу гораздо хуже, но тем не менее может работать и без белков. Когда были открыты рибозимы, ученые - биологи стали ставить РНК в центр размышлений о происхождении жизни и о ранних этапах эволюции жизни. Во-первых, РНК - нуклеиновая кислота, которая может образовывать комплементарные связи, то есть ее можно реплицировать. РНК может выполнять функцию саморепликации, ферментативную также может выполнять, то есть она может работать как РНК-геном и как РНК-фермент.

Гипотеза о том, что РНК могла возникнуть раньше, чем ДНК и белки, была названа РНК-миром. Сейчас это считается общепризнанным фактом, хотя, строго говоря, нельзя исключить другие сценарии развития жизни. Гипотеза объясняет очень многое, гораздо больше, чем другие гипотезы. Гипотеза о том, что белки лежат у истоков жизни менее рациональная, так как надо искать еще и ответ на вопрос, почему белки, которые самореплицировались, утратили потом эту способность?

Гипотеза РНК-мира не говорит о самом начале возникновения живых молекул на Земле, она говорит о следующем этапе эволюции, когда биомолекулы существуют, существуют какие-то процессы, но мир еще не такой, как сейчас, к которому мы привыкли. ДНК в том мире еще нет, белков, видимо, тоже нет, хотя аминокислоты и олигопептиды уже есть, нет процесса трансляции, зато есть процесс транскрипции, только РНК не на матрице ДНК синтезируется, а на матрице РНК. Есть РНК-геном, на котором синтезируется рабочая молекула РНК-фермента. Некоторые авторы, пытаясь реконструировать особенности этого мира предполагают, что т-РНК - это реликт РНК-мира, и что РНК-геном был похож на т-РНК. Молекулы т-РНК участвуют не только в биосинтезе белков в качестве переносчиков аминокислот, но участвуют и в других процессах, в том числе и регуляторных.

Следующий появившийся процесс - трансляция. На РНК начали синтезироваться белки и есть множество гипотез, как и почему это произошло и почему это было выгодно. Считают, что последней появилась ДНК. Так как РНК менее стабильна, ДНК стала выполнять функции генома, а РНК сохранила только часть функций, которые имела в РНК-мире. ДНК-копии молекул РНК могли возникнуть в процессе обратной транскрипции. Но для того, чтобы считать информацию с ДНК, должен был появиться процесс ДНК-РНК транскрипции. Правда, совсем без РНК до сих пор обойтись не удается - ДНК-полимеразе для инициации синтеза ДНК требуется РНК-затравка.

Предполагаемый порядок появления функций живого такой: каталитические функции рибозимов и репликация РНК, затем добавляется трансляция, затем добавляется обратная транскрипция, после этого возникает репликация ДНК. Позже всего возникла компактизация ДНК -- гистоны, нуклеосомы и суперспирализованный хроматин, но это произошло уже только у эукариот.

Интересно заметить, что все ныне живущие организмы используют один и тот же генетический код, и все основные метаболические процессы у всех организмов сходны. Считается, что все эукариоты произошли от одного общего предка. Общим предком считается сложный эндосимбионт, представлявший объединение нескольких организмов, обладавших разными свойствами и возможностями.

Этот общий предок, имевший все основные системы современных организмов (ДНК, РНК, белок), называется прогенот (прародитель).

Что было до этого, можно строить только гипотезы, но гипотезы эти должны быть обоснованы. Например, есть работы, в которых пытаются реконструировать метаболизм РНК-мира. Как это делают? В начале изучают метаболические процессы современной клетки и пытаются в них найти реликты РНК-мира. То есть если представить, что существовал РНК-мир, то современный метаболизм был «написан» поверх того, который существовал тогда. Например, мы знаем, что АТФ работает как донор фосфора, но донором фосфора могут быть и другие молекулы. Зачем же тогда сохранять молекулу, содержащую рибонуклеиновую часть? Предполагают, что это как раз реликт РНК-мира. Не только АТФ имеет функции, параллельные с другими веществами, но и множество рибонуклеиновых ко-факторов, то есть соединений, участвующих в ферментативных реакциях, служащих посредниками, "помощниками" в работе ферментов. Например, НАДФ - никотинамид динуклеотидфосфат и др. Проделав такой анализ, нашли процессы, которые могли быть представлены в РНК-мире. Интересно, что синтез жирных кислот, предположительно, не был представлен в РНК-мире, ведь для него нужны обязательные белковые компоненты, которых тогда не было.

Литература

1.Алексеев, С.И. Практикум по дисциплине «Концепции современного естествознания». / Московский международный институт эконометрики, информатики, финансов и права, - М. 2003- 19 с.

2.Горбачев, В.В. Концепции современного естествознания: учебник / В.В. Горбачев. - М.: Оникс, 2008. - 592 с.

3.Концепции современного естествознания: учебник / Под ред. Михайлова Л.А. - Изд-во: Питер, 2008. - 336 с.

Размещено на Allbest.ru