Основные стадии биопоэза
Абиогенное возникновение биологических мономеров (химическая эволюция).
1) 4500 млн. лет назад Земля представляла собой холодную сферу, состоящую из оксидов, карбанатов и карбидов металлов, а также газов, вырывающихся из недр, благодаря активной вулканической деятельности.
2) На Земле шло повышение температуры за счет уплотнения коры, распада радиоактивных соединений и потока ультрафиолетового излучения Солнца.
В результате этого вода была в состоянии пара, который постоянно поднимался высоко и в холодном пространстве конденсировался в облака, образуя тучи, что привело к сильным ливням, сопровождавшимся непрерывными молниями. Образовывались неглубокие водоемы, заполненные дождями.
Горячие лавовые потоки и вулканический пепел создавали разнообразные быстро меняющиеся условия, в которых могли протекать реакции синтеза органических соединений – мономеров (аминокислоты, нуклеотиды, сахара, жирные кислоты). Они могли образовываться лишь из тех неорганических соединений, которые в изобилии присутствовали в атмосфере древней Земли (водород, метан, аммиак). Ультрафиолет был основным источником энергии. Свободного кислорода не было, он входил в состав различных соединений, образуя множество минералов в земной коре. Этот период возникновения жизни длился примерно 1000 млн. лет.
Доказательство абиогенного синтеза
Этап химической эволюции на Земле был доказан в лабораторных условиях в 1953 году американскими учеными Миллером и Юри. Они смогли имитировать условия древней Земли, создав воздухонепроницаемый аппарат (рис. 34).
Рис. 34. Аппарат Миллера
Через систему труб подавалась смесь газов метана, аммиака и водорода, кипящая вода служила источником водяного пара, с помощью холодильника поддерживалась циркуляция газовой смеси через сосуд, источником энергии послужил электрический заряд, который пропускали в течение нескольких дней при напряжении 60 w. Через 6 дней в водной фазе аппарата образовались различные органические вещества, среди них были обнаружены биологические мономеры: мочевина, молочная кислота, несколько различных аминокислот.
Заменяя источники энергии и смесь газов в аппарате, ученые смогли получить в последующих экспериментах не только аминокислоты, но и некоторые сахара, жирные кислоты, азотистые основания, рибозу и дезоксирибозу. Теория абиогенного синтеза органических соединений получила свое подтверждение. Последующие этапы биопоэза основываются в основном на логике.
II. Биохимическая эволюция (образование биологических полимеров). Встал закономерный вопрос, какие биополимеры возникли на древней Земле первыми: белки или нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). Белки (полипептиды) – биополимеры, состоящие из соединенных друг с другом с помощью пептидных связей 20 аминокислот в разной последовательности, но их синтез на рибосоме осуществляется на основе генетического кода, кроме того, полипептиды не обладают способностью к самовоспроизведению, как нуклеиновые кислоты. В свою очередь, нуклеиновые кислоты (биополимеры, мономером которых являются 4 нуклеотида) не могут осуществлять процесс самовоспроизведения в отсутствии ферментов, которые по своей химической природе являются белками.
Американский ученый С. Фокс нагревал сухую смесь аминокислот и после охлаждения и растворения в воде обнаружил белковоподобные молекулы со случайной последовательностью аминокислот. Он предположил, что на древней Земле аминокислоты концентрировались в испаряющихся водоемах, а затем полиризовались под действием тепла лавовых потоков или входе высушивания под действием солнечных лучей. Последующие дожди растворяли полипептиды. Таким образом, можно представить, что на древней Земле, могли образовываться полипептиды, некоторые из которых могли обладать каталитической активностью.
Однако в настоящее время после открытия Т. Чеком в 1982 году каталитической активности РНК стали предполагать, что молекулы РНК были первыми биополимерами на Земле. В 80-е годы XX века был открыт «мир РНК».