2. Теория биохимической эволюции
Возвращаемся к вопросу о возможности самозарождения жизни на самой Земле. Возраст Земли составляет 5 — 7 млрд. лет. Все планеты проходят стадию раскаленного тела, температура на поверхности Земли в это время была более 4000ºС. Когда температура снизилась и стала меньше 100ºС, вода, находившаяся в первичной атмосфере Земли образовала мировой океан. В первичной атмосфере не было кислорода, атмосфера была "восстановительной". В ней были пары воды, аммиак, сероводород, метан, двуокись углерода, водород.
Очень продуктивной оказалась гипотеза советского академика А.И.Опарина, предполагающая возможность зарождения жизни на Земле. В 1924 году А.И.Опарин предположил, что появлению живых организмов предшествует абиогенное образование в атмосфере и океане органических соединений за счет энергии мощных грозовых разрядов, жесткого ультрафиолетового и радиоактивного излучения. Затем образуются биополимеры, которые концентрируются в коацерватах. В коацерватах идет эволюция органических молекул, появляются молекулы, придающие устойчивость коацерватам и способные к самовоспроизведению.
В 1953 году американский ученый С.Миллер смоделировал условия первобытной Земли, поместив в газовую камеру газы первичной атмосферы и за счет энергии электрических разрядов в эксперименте осуществил абиогенный синтез некоторых аминокислот, азотистых основания, рибозы, мочевины, молочной кислоты за счет энергии электрических разрядов. Отечественные ученые А.Г.Пасынский и Т.Е.Павловская получили сходные результаты с помощью энергии ультрафиолетовых лучей. Таким образом экспериментально было доказан абиогенный синтез всех важнейших биологических мономеров: аминокислот, азотистых оснований, сахаров, жирных кислот который происходил на первом этапе зарождения жизни на Земле.
Вторым этапом был синтез биополимеров. Американские ученые С.Фокс и К.Дозе доказали возможность образования полипептидов в условиях древней Земли. Экспериментально были получены рибонуклеотиды и олигорибонуклеотиды.
На третьем этапе происходит образование коацерватов, молекулы органических веществ гидратируются, взаимодействуя с молекулами воды, слипаются вместе, захватывают различные вещества, в них образуются биокатализаторы, придающие им определенную устойчивость. Происходит "естественный отбор" на уровне коацерватов. Но это еще не живые организмы, отсутствует важнейшее свойство, характерное для живых организмов — воспроизведение себе подобных. Американский биохимик Т.Чек открывает рибозимы — молекулы РНК, обладающие каталитической активностью. Была доказана возможность спонтанного образования на матричных РНК РНК-копий.
На четвертом этапе впервые появляется возможность для эволюции на уровне молекул, те молекулы РНК, которые придают устойчивость коацерватам и способны к самокопированию — размножаются, за счет мутационного процесса происходит их изменение и естественный отбор сохраняет наиболее удачные полирибонуклеотиды.
На следующих этапах происходит взаимодействие РНК с определенными аминокислотами, появляются РНК, кодирующие полезные для себя полипептиды, так появился белковый синтез, контролируемый РНК. За счет соединения РНК, кодирующих различные полипептиды, происходит образование крупных РНК, состоящих из нескольких генов. В дальнейшем преимущества получают ДНК: их двухцепочечное строение обеспечивает более точную репликацию и репарацию.
Первые организмы, появившиеся 3,0 — 3,5 млрд. лет назад, жили в бескислородных условиях, были анаэробными гетеротрофами. Они использовали органические вещества абиогенного происхождения в качестве питательных веществ, энергию получали за счет бескислородного окисления и брожения. До настоящего времени сохранился анаэробный путь использования глюкозы — гликолиз, завершающийся образованием молочной кислоты и образованием на моль глюкозы двух моль АТФ.
Замечательным событием в эволюции живого стало появление процесса фотосинтеза, когда для синтеза органических веществ стала использоваться энергия солнечной света. Бактериальный фотосинтез на первых этапах сопровождался расщеплением органических веществ (фотогетеротрофы, используют в качестве источника углерода органические вещества) или сероводорода (первые фотоавтотрофы, используют углекислый газ как источник углерода и Н2S — как источник водорода).
Появление автотрофного питания (фотоавтотрофного и хемоавтотрофного) привело к образованию органического вещества из неорганического. Исчезает зависимость от органического вещества абиогенного происхождения.
Позже, у синезеленых, появляется фотосистема, способная расщеплять воду и использовать ее молекулы в качестве доноров водорода. Начинается фотолиз воды, при котором происходит выделение кислорода. Фотосинтез синезеленых сопровождается накоплением кислорода в атмосфере и образованием озонового экрана. Кислород в атмосфере остановил процесс абиогенного синтеза органических соединений, но привел к появлению энергетически более выгодного процесса — дыхания. Появляются аэробные бактерии, у которых продукты гликолиза подвергаются дальнейшему окислению с помощью кислорода до углекислого газа и воды. И если при гликолизе образуется 2 моль АТФ на моль глюкозы, то при дальнейшем окислении продуктов гликолиза образуется еще 36 моль АТФ.
Симбиоз большой анаэробной клетки (вероятно, относящейся к архебактериям и сохранившей ферменты гликолитического окисления) с аэробными бактериями оказался взаимовыгодным, причем бактерии со временем утратили самостоятельность и превратились в митохондрии.
Потеря самостоятельности связана с утратой части генов, которые перешли в хромосомный аппарат клетки-хозяина. Но все же митохондрии сохранили собственный белоксинтезирующий аппарат и способность к размножению.
Важным этапом в эволюции клетки стало обособление ядра, отделение генетического аппарата клетки от реакций обмена веществ.
Различные способы гетеротрофного питания привели к формированию царства Грибов и царства Животных.
Симбиоз с цианобактериями привел к появлению хлоропластов. Хлоропласты так же утратили часть генов и являются полуавтономными органоидами, способными к самовоспроизведению. Их появление привело к развитию по пути с автотрофным типом обмена веществ и обособлению части организмов в царство Растений.
Закрепление. Беседа. Работа учащихся с тетрадью и кодограммой. В тетради записывается материал, наиболее важный с точки зрения учителя.
Задание на дом. Изучить текст параграфа, ответить на вопросы.
Приложение 1. Кодограммы к уроку.
