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 (в первую очередь белки), которые концентрируются в коацерватах. В коацерватах идет эволюция органических молекул, появляются молекулы, придающие устойчивость коацерватам и способные к самовоспроизведению.

Первый этап – абиогенный синтез органических мономеров. 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. Молекулы органических веществ гидратируются, взаимодействуя с молекулами воды, слипаются вместе, захватывают различные вещества, в них образуются биокатализаторы, придающие им определенную устойчивость. Происходит образование коацерватов и естественный отбор на уровне коацерватов.

На третьем этапе происходит образование матричного синтеза. Коацерваты 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 этом 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.

В дальнейшем 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 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.

Важным этапом в эволюции клетки стало обособление ядра, отделение генетического аппарата клетки от реакций обмена веществ.

 

Согласно теории симбиогенеза, 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.

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.

 

Приложение 1. Кодограмма к уроку.

 

 

 

Приложение 2. Тестовое задание.

 

Задание 9. "Развитие представлений о возникновении жизни"

 

Тест 1. Доказал невозможность самозарождения личинок мух в сосудах с мясом, рыбой, угрями и змеей:

1. Л.Пастер.

2. Ф.Реди.

3. В.Гельмонт.

4. Спалланцани.

Тест 2. Доказал невозможность самозарождения микроорганизмов в колбе с питательным бульоном:

1. Л.Пастер.

2. Ф.Реди.

3. В.Гельмонт.

4. Спалланцани.

Тест 3. Появление жизни на Земле с помощью «Высшей силы» объясняет:

1. Теория панспермии.

2. Теории биогенеза.

3. Теории абиогенеза.

4. Теория креационизма.

Тест 4. Утверждает, что жизнь на Землю занесена из космоса:

1. Теория панспермии.

2. Теория биогенеза.

3. Теория абиогенеза.

4. Теория креационизма.

Тест 5. В 1924 году предположение, что в первичной атмосфере могли возникнуть простейшие органические соединения под влиянием электрических разрядов, было высказано:

1. С.Миллером.

2. А.Г.Пасынским.

3. Т.Е.Павловской.

4. А.И.Опариным.

5. Л.Пастером.

Тест 6. Впервые осуществил(и) абиогенный синтез органических молекул за счет энергии электрических разрядов:

1. С.Миллер.

2. А.Г.Пасынский и Т.Е.Павловская.

3. А.И.Опарин.

4. Л.Пастер.

Тест 7. Впервые осуществил(и) абиогенный синтез органических молекул за счет энергии ультрафиолетовых лучей:

1. С.Миллер.

2. А.Г.Пасынский и Т.Е.Павловская.

3. А.И.Опарин.

4. Л.Пастер.

Тест 8. Согласно гипотезе А.С.Опарина, на первом этапе зарождения жизни на Земле:

1. Появились коацерваты.

2. Происходил абиогенный синтез органических веществ.

3. Образовались биополимеры.

4. Появился матричный синтез.

**Тест 9. В состав первичной атмосферы входили:

1. Кислород.                    5. Метан.

2. Азот.                              6. Аммиак.

3. Водород.                      7. Пары воды.

4. Углекислый газ.