Лекция 11. Возникновение и эволюция жизни.

Наиболее распространенными теориями возникновения жизни на Земле являются следующие:

1) жизнь была создана сверхъестественным существом в определенное время (креационизм);

2) возникала неоднократно из неживого вещества (самопроизвольное зарождение);

3) жизнь существовала всегда (теория стационарного состояния);

4) жизнь занесена на нашу планету извне (панспермия);

5) жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам (биохимическая эволюция).

Теория спонтанного зарождения была распространена в Древнем Китае, Вавилоне и Египте. Аристотель также придерживался теории спонтанного зарождения жизни. Согласно его гипотезе, определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при определенных условиях может создать живой организм. Течение, называемое витализмом, также объясняло специфику живых организмов наличием в них «жизненной силы».

Ряд ученых исследовал проблему зарождения жизни. Ван Гельмонт за три дня якобы создал мышей. Для этого были нужны грязная рубашка, темный шкаф и горсть пшеницы. Ф.Реди проводил эксперименты с червями. Часть сосудов с дохлой рыбой он запечатал, а часть оставил открытыми. Черви появились лишь в открытых сосудах. Реди сделал вывод, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (концепция биогенеза). А. Левенгук усилил теорию применительно к микроорганизмам. В 1860 году проблемой происхождения жизни занялся Л. Пастер. Он показал, что бактерии вездесущи и что неживые материалы могут быть заражены живыми существами.

Подтверждение теории биогенеза породило другую проблему. Поскольку для возникновения живого организма необходим другой живой организм, то откуда же взялся самый первый живой организм?

Биохимическая эволюция.

Принято считать, что возраст Земли 4,5 – 5 миллиардов лет. По мере того как Земля остывала, углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались и образовывали земную кору. Атмосфера была иной, чем сейчас. Водород, гелий, кислород и азот (легкие газы) уходили из атмосферы. Атмосфера была в большей степени «восстановительной». В древних породах Земли присутствуют металлы в восстановленной форме (двухвалентное железо). Более молодые горные породы содержат металлы в окисленной форме (трехвалентное железо). Органические вещества гораздо легче создаются в восстановительной среде, чем в атмосфере, богатой кислородом. По мнению А.Опарина органические вещества, возможно, углеводороды, могли создаваться в океане из более простых соединений. Энергия для таких реакций поступала от Солнца. В результате в океанах постепенно накопились органические вещества и образовался «первичный бульон», в котором возникла жизнь. Первый этап предбиологической эволюции – образование простых органических соединений из неорганических, а затем - образование сложных полимерных органических молекул из простых.

В 1953 году С.Миллер в ряде экспериментов моделировал условия, предположительно существовавшие на Земле. В созданной им установке удалось синтезировать многие вещества, имеющие важное биологическое значение.

Опарин полагал, что решающая роль в превращениях из неживого в живое принадлежала белкам. Белковые молекулы притягивают к себе молекулы воды, образуя гидрофильные комплексы (коацерваты). Входящие в их состав вещества вступали в дальнейшие химические реакции. В результате включения в коацерват предсуществующей молекулы, способности коацервата к самовоспроизведению (механизм авторепликации) и внутренней перестройки (матричная сборка) могла возникнуть примитивная клетка. Самое трудное для этой теории – объяснить появление способности живых систем к самовоспроизведению. На определенном этапе предбиологические структуры приобрели способность к авторепликации (самопроизводству) и, благодаря этому размножались в большом числе копий. Наиболее вероятный механизм авторепликации – матричная сборка, когда каждый участок исходной большой молекулы – полимера имеет химическое сродство к малым молекулам –мономерами, похожим на него самого. Появляется и естественный отбор - количество «строительного материала» ограничено и преимущество имеют те молекулы, которые эффективней захватывают мономеры. Возникают также мутации – образовавшийся вновь полимер может быть и не точной копией предыдущего. В 70е годы М.Эйген построил математическую теорию самоорганизации молекул. Он рассмотрел систему, в которой происходит полимеризация мономеров и обратный распад полимеров. Система является открытой. При изменении параметров внешней среды равновесие между основным видом и мутантами смещается: преимущество получает та форма, которая отвечает новым условиям.

Сущность жизни нельзя сводить к обмену веществ. В мире неживого, например, у некоторых растворов наблюдается обмен веществ в его простейших формах. В основе жизнедеятельности все организмов лежит сложная система взаимосвязанных химических реакций, как окислительных, так и восстановительных. В них участвуют молекулы белков и нуклеиновых кислот, являющихся «материальными» носителями жизни. Они должны непрерывно воспроизводиться. В основе такого воспроизводства лежит синтез белков, который происходит в клетках при помощи нуклеиновых кислот ДНК (дезоксирибонуклеиновая) и РНК (рибонуклеиновая). Белки – сложные макромолекулы (их масса доходит до 10⁷а.е.м.). Структурные элементы белка – аминокислоты. Всего известно около 100 аминокислот, но в организме используются только 20. Основой структуры белка является последовательность образующих его аминокислот. Нуклеиновые кислоты образуют длинные полимерные цепи, элементами которых являются нуклеотиды – соединения азотистого основания, сахара и остатка фосфорной кислоты. У молекулы ДНК азотистые основания (аденин, гуанин, тимин, цитозин) присоединяются к сахару по одному в разной последовательности.

В 1953 году Ф.Крик и Д.Уотсон с помощью рентгеноструктурного анализа расшифровали код ДНК. Каждая молекула представляет собой две спаренные нити, закрученные в спирали. Каждая из них соединяется с другой водородными связями, причем аденин соединяется с тимином, а гуанин с цитозином (свойство комплементарности). Открытие Крика и Уотсона стало фундаментом молекулярной биологии. Основной функцией ДНК является передача по наследству генетической информации. Был обнаружен механизм репликации ДНК (копирование генетического материала). Молекулы ДНК играют роль кода, по «указанию» которого происходят все синтезы белковых молекул в клетках организма. Значение двойной спирали понял Р.Гамов в 1954 году. В кажущемся беспорядке присоединения азотистых оснований к сахару Гамов усмотрел «шифр». Если предположить, что каждой аминокислоте соответствует комбинация азотистых оснований (определенный порядок чередования), понятно, что каждой кислоте не может соответствовать сочетание из двух соединений, так как возможных комбинаций оказалось 16, а аминокислот 20. Минимальное число должно быть 3 из 4, так как число возможных комбинаций – 64. Гипотеза Гамова нашла подтверждение в 1961 году после экспериментов биохимиков Ниренберга и Матте. Был найден код для всех 20 аминокислот. Текст в ДНК подобен мозаике, на которой смысловые куски отделены друг от друга «бессмысленными», не несущими информации. Когда с ДНК снимается информация, лишние куски «вырезаются».

Как закодированная в ДНК информация определяет синтез белков? Решающая роль здесь принадлежит РНК, отличающейся от ДНК составом сахара, имеющей вместо тимина – урацил и состоящей из одной цепи. Молекулярная масса РНК – 10⁶ а.е.м. Синтез белков происходит в особых областях клетки, так называемых рибосомах, которые можно назвать «фабриками белка». Существует три вида РНК: высокомолекулярная РНК, локализованная в рибосомах, информационная РНК, образующаяся в ядре клетки «под контролем» ДНК и «транспортная» РНК. Информационная РНК повторяет в своей структуре последовательность азотистых оснований ДНК (генетический код переписывается с молекулы ДНК на молекулу информационной РНК - транскрипция). Из ядра клетки молекулы поступают в рибосомы, где происходит синтез белков (трансляция). Трансляция – считывание кода молекулы ДНК и перевод его в определенную последовательность аминокислот в полимерных цепях. Перенос и присоединение отдельных аминокислот к месту синтеза осуществляется транспортной РНК. Эта схема достаточно упрощенно и грубо описывает работу внутриклеточной «фабрики белков».

Под влиянием внешних факторов (например, жесткой радиации) могут происходить нарушения в системе кода наследственности. Такие нарушения могут приводить к появлению у потомков совершенно новых признаков, которые могут передаваться дальше по наследству. Это явление называется мутациями. В результате естественного отбора выживают те организмы, у которых мутации оказались полезными для данного вида. Согласно дарвинизму, этот процесс является движущей силой эволюции живых существ на Земле.

Лекция 12.