Читайте также:
|
Наиболее сложным вопросом является вопрос о происхождении жизни. Дело в том, что до сих пор ученым не удалось экспериментально получить из неживых объектов живые организмы, не вовлекая в процесс какой-либо живой организм или его основной компонент. Тем не менее, имеются очень серьезные основания считать, что жизнь появилась на Земле примерно от 3,5 до 4 миллиардов лет тому назад в результате естественных химико-физических процессов, характеризовавших в то время состояние нашей планеты.
Первое. Материальным субстратом всех биологических систем являются органические вещества, состоящие из элементов или химических групп, имеющихся на Земле – углерода, водорода, воды, азота, кислорода, серы, гидроксильной группы и многих других. Никаких экзотических, внеземных веществ в живых организмах на Земле не обнаружено.
Второе. В настоящее время все биологические процессы так или иначе воспроизведены экспериментально: химические реакции, происходящие в живых организмах, процессы управления и взаимодействия с окружающей средой.
Третье. Люди достаточно глубоко разобрались в механизме наследственности и изменчивости – главном процессе живой природы. Оказалось, что этот механизм вполне естественен, – он связан со строением и взаимодействием двух типов молекул – рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой, с помощью которых закодирована и транслируется наследственная информация.
Четвертое. Археологические и эмбриональные изыскания убеждают нас в том, что формирование нынешней живой природы произошло путем постепенного усложнения структуры (развития) биологических организмов. Более того, оказалось, что это развитие соответствует законам существования диссипативных систем, установленным для неживой природы.
Пятое. По всем своим признакам живые организмы соответствуют диссипативным управляемым системам. Они подчиняются всем законам физики и кибернетики.
Шестое. Из всех планет Солнечной системы наилучшие условия для возникновения и существования жизни имеет Земля. В первую очередь это относится к диапазону температуры на поверхности Земли – от 200 до 350 
К. Во вторую – наличие гидро- и атмосферы, необходимых для жизни. В-третьих, срединное положение Земли, спасающее ее в значительной степени от "бомбардировки" окружающими Солнечную систему космическими объектами и поэтому обеспечивающее длительное бескризисное развитие.
Седьмое. Появившиеся в последние годы данные о том, что в определенных местах мирового океана существуют автономные биологические системы, не связанные с остальной живой природой [19]. На глубине до 3000 м на Срединно-Атлантическом хребте, там, где геосферные плиты раздвигаются выходящей из центральной части Земли магмой, находятся действующие вулканы, из которых вырывается расплавленная руда железа, меди и цинка, сопровождаемая черным дымом. И хотя вокруг такого вулкана, именуемого "черным курильщиком", безжизненное базальтовое дно с температурой всего 20С, сам он облеплен фантастическим оазисом с неизвестными формами жизни. В первую очередь это сероводородные бактерии, обитающие либо в виде колоний – толстых "матов", либо на лапках и жабрах существ, внешне напоминающих креветок. "Креветками" питаются крабы и голотурии – животные-цветы. Так на небольшом пространстве размером с трехэтажный дом в глубине океана существует автономный, оторванный от остального мира островок жизни.
Восьмое. Если допустить, что жизнь возникла не на Земле, а где-либо в другом месте космического пространства, остается вопрос – а как она появилась там? И хотим мы того, или нет, мы вынуждены допустить, что таким местом может быть еще какая-нибудь планета с условиями, сходными с земными. Иначе жизнь, даже возникнув, не смогла бы устойчиво существовать, не говоря о распространении на другие планеты.
Основные усилия учёных, изучающих проблему происхождения жизни на Земле, сосредотачиваются на поиске ответов на следующие вопросы:
1.Каковы основные условия, обеспечившие возникновение и устойчивое существование биологических систем? Попутно – как велика вероятность существования таких же условий на других космических объектах?
2.Насколько закономерно возникновение жизни даже при наличии тех условий, которые установлены при ответе на первый вопрос?
3.Каковы те основные физико-химические процессы, которые привели, в конечном счёте, к появлению основной структурной составляющей биологических систем – клетке?
Приведём ответы на эти вопросы, содержащиеся в литературе последних лет [2,65, 66, 67, 68, 69]. Американский биохимик Л. Дж. Хендерсон (1878 – 1972г) в своём труде «Порядок природы» обосновал, что лишь наличие в неживой природе углерода С и воды Н2О обеспечивает возникновение жизни. Например, близкий к углероду по свойствам (и месту в таблице Менделеева) кремний образует значительно менее подвижный оксид SiO2 (песок), нежели абсолютно необходимый для формирования химических компонентов живого организма диоксид углерода СО2 (газ) [39].
Вода является главным фактором существования жизни. Поскольку жизнь – это сложная система химических реакций, – то наиболее приемлемой для нее средой является вода. Действительно, во-первых, она обладает самой высокой среди жидких неорганических веществ диэлектрической проницаемостью – в 81 раз больше, чем у вакуума. Это обеспечивает реакционную способность (т.е. способность вступать друг с другом в химические реакции) многочисленных веществ, растворённых или размешанных в ней.
Во-вторых, удельная теплоёмкость воды выше, чем у большинства других веществ. Именно поэтому гидросфера Земли выступает в роли естественного стабилизатора температуры поверхности Земли, что очень важно для поддержания биологических процессов. Температура самой гидросферы – мирового океана – колеблется в узких пределах от +20С до 350С, что вполне приемлемо для химических реакций полимеризации органических веществ.
Еще одно, третье важнейшее свойство воды – при замерзании её плотность уменьшается. Поэтому водоёмы при температуре ниже нуля по Цельсию оказываются естественным образом покрыты теплоизоляционной оболочкой.
В-четвёртых, вода обладает более высокой температурой и более широким диапазоном температур жидкой фазы, нежели другие естественные аналоги: аммиак (NH3) – -780... -330С; двуокись углерода (СО2) – -570... -790С; метан (СН4) – -1840... -1620С; цианистый водород (HCN) – -140... 260С. Это также очень важное обстоятельство, так как обеспечивает наиболее высокую скорость протекания химических реакций между органическими полимерами.
В-пятых, вода обладает большим, чем другие жидкости, поверхностным натяжением и поэтому легко поднимается по капиллярам почвы и тканей растений.
В-шестых, наличие водородных связей между молекулами воды Н2О приводит к созданию полимолекул (Н2О)n, структура которых зависит от начальных условий. Таким образом, вода обладает исходными признаками памяти, что, по-видимому, также сыграло важную роль на первом этапе возникновения жизни.
Согласно [66,67], гидросфера Земли появилась не менее, чем 3.8...4.0 млрд. лет тому назад. Надо полагать, что именно тогда начался второй подэтап первого этапа биологической эволюции – см. ниже.
Следующим фактором, обеспечившим возникновение жизни на Земле, является её масса и плотность. С одной стороны их величина обеспечивает удержание довольно толстого слоя атмосферы (например, у Марса и Луны, масса которых значительно меньше земной, атмосфера практически отсутствует). С другой стороны, эта величина не так велика, как, скажем, у Юпитера или Сатурна, что существенно уменьшает силовую нагрузку на живые организмы. Кроме этого, повышение давления смещает температурный диапазон жидкой фазы воды в область более высоких температур.
Ещё одним важнейшим фактором, обеспечившим возникновение жизни, является масса Солнца. Как было сказано в главе четвёртой, у звезды именно такой массы, как Солнце, длительность первой, основной фазы эволюции составляет 7...10 млрд. лет. Это обеспечивает стабильный температурный и радиационный режим поверхности Земли на протяжении срока, необходимого для превращения химической (абиогенной) эволюции в биологическую, т.е. нескольких миллиардов лет.
Все перечисленные условия являются необходимыми для зарождения жизни. Какова вероятность появления планеты с условиями, схожими с земными? Расчёты, проведённые рядом специалистов [2,35], показывают, что эта вероятность составляет миллиардные доли процента. Однако, учитывая, что общее число звёздных систем составляет 1021, нетрудно заключить, что во Вселенной могут находиться миллиарды планет, аналогичных Земле.
Следующий вопрос – о неизбежности возникновения жизни при наличии перечисленных выше условий – получает всё большее экспериментальное подтверждение. Во-первых, в космическом пространстве (газовых облаках, метеоритах и кометах) обнаружены достаточно сложные органические соединения [67] – формальдегид Н2СО, муравьиная кислота НСООН, цианоацетилен НС3N, формамид НСОNН3. Предполагать, что эти вещества затем оказались в составе поверхностного слоя Земли и положили начало химической эволюции, было бы неправомерным. Дело в том, что начальная температура этого слоя, которая продержалась несколько сот млн. лет, составляла 800...9000К. При такой температуре эти вещества должны были распасться. Однако сам факт появления этих веществ на космических объектах свидетельствует о естественности их синтеза.
Во-вторых, многочисленные лабораторные исследования [67] убеждают в том, что в условиях, существовавших на начальном этапе эволюции Земли, возникновение органических соединений, составивших материальную основу живых организмов, было неизбежным. Судя по всему, из пород, сформировавших Землю, в атмосферу выделялся метан СН4, аммиак NН3, азот N2, оксид углерода СО2 и СО, сероводород Н2S и пары воды Н2О. Основным источником энергии, воздействовавшим на эту атмосферу, было солнечное излучение. Выше (см.§3.4) указывалось, что на 1м2 земной поверхности попадает 1010 Дж солнечной радиации (по всему частотному спектру – от инфракрасного до g- лучей) в год. Эта энергия соответствует [49] потоку информации 6´1014 Вт / 0К на всю поверхность Земли или 1023 байт на 1 м2 ежесекундно. Энергия всех других источников (радиоактивный распад, вулканические процессы, разряды) меньше солнечной в 104...106 раз. Ни в коей мере не исключая роль всех перечисленных источников, исследователи основное предпочтение отдают фотопроцессам, обусловленным солнечной энергией. При этом весьма существенную роль играют каталитические свойства некоторых соединений кислорода, кремния, алюминия, кальция, магния и титана, входящих в состав земной коры.
В соответствии с имеющимися археологическими данными возникновение и развитие жизни на Земле можно разбить на три главных этапа. Первый этап занимает период от 4,5 до 3,5 млрд. лет тому назад, т.е. от момента возникновения Земли до появления первых одноклеточных живых существ. Этот период "абиогенного синтеза" [76] характеризуется появлением предбиологических соединений и образованием из мирового океана, покрывавшего всю поверхность Земли, "первичного бульона".
Второй этап длился наиболее долго - от 3,5 до 0,8 млрд. лет тому назад. Это период формирования и бурного размножения одноклеточных в мировом океане. По сути дела в этот период жизнь прошла путь от продукта неживой природы Земли к активному формированию ее структуры. Начиная с этого периода, строение верхних слоев литосферы, состав атмосферы и гидросферы во многом определяется живыми организмами, в том числе одноклеточными. В этот период окончательно сформировалась сложнейшая структура клеток, предопределившая дальнейшее развитие жизни.
Третий этап начался 600 - 1000 миллионов лет назад и длится поныне. Это период возникновения и бурного развития многоклеточных живых организмов – царства растений, царства грибов и царства животных.
В свою очередь, первый этап абиогенного синтеза или химической эволюции можно разбить на два подэтапа.
Оба подэтапа отличаются друг от друга тем обстоятельством, что в течение первых 500¸600 млн.лет существования Земли температура на её поверхности была выше 1000С и лишь 3.9¸4.0 млрд.лет тому назад она остыла настолько, что появилась гидросфера. Именно этот рубеж и является разделительным для обоих подэтапов.
На первом подэтапе температура атмосферы Земли, её химический состав, жёсткое ультрафиолетовое облучение Солнца и активная вулканическая деятельность обусловили возникновение базовых органических веществ. Атмосфера Земли мало отличалась от атмосфер других планет Солнечной системы и состояла, в основном, из простейших соединений углерода, водорода, азота между собой и с кислородом: NH3, CH4, H2O, HCN, NO(NO2,…), CO и СО2. К этим компонентам добавлялись вырабатываемые извержениями вулканов P, S, Cl и ряд других элементов.
Многочисленные лабораторные исследования последних десятилетий показали, что под воздействием ультрафиолетового излучения и электрических разрядов, сопровождавших извержения вулканов, возникают аминокислотные мономеры (пептиды), нуклеотиды, сахариды и липиды.
Неизбежность этих химических реакций подтверждает обнаружение базовых органических веществ в ряде метеоритов и на других планетах Солнечной системы.
В таблице 5.2 приводятся результаты одного из первых опытов по синтезу аминокислот при воздействии ультрафиолетового облучения и электрических разрядов на смесь,имитирующую первичную атмосферу, и обнаруженные в одном из метеоритов остатки аминокислот.
Таблица 5.2
Выход природных аминокислот при имитации предбиологического синтеза: опыт Миллера (пропускание электрического разряда через смесь CH4, N2, и Н2О) и в метеорите Мергинсона
| Аминокислота | Опыт Миллера, мкм | Метеорит Мергинсона (мкм/1г) |
| Глицин | ||
| Аламин | ||
| Аспаранг. к-та | ||
| Валин | 19,5 | |
| Лейцин | 11,3 | - |
| Глутамин. к-та | 7,7 | |
| Серин | 5,0 | - |
| Изолейцин | 4,8 | - |
| Треонин | 1,6 | - |
| Пролин | 1,5 |
Процесс синтеза сложных органических молекул протекал в такой последовательности [81]. Сначала, поглощая кванты длинноволнового излучения, молекулы NH3, H2O, CH4, N2 и СО2 распадаются соответственно на (NН2+Н),(ОН+Н), (СН3+Н) и (СН2+Н2), (N+N), (СО+О). Затем из этих промежуточных продуктов образуются простейшие органические соединения – формальдегид, цианистый водород, формамид. Затем, уже после образования водоёмов, начали синтезироваться более сложные соединения – липиды, сахариды, порфирины, аминокислоты, нуклеотиды. И, наконец, уже в водоёмах, по-прежнему под воздействием солнечной радиации, стал происходить процесс полимеризации этих соединений. Таким образом, химический состав атмосферы и поверхности Земли, а также интенсивное воздействие солнечной радиации привели 3,5...4 млрд. лет тому назад к тому, что на поверхности Земли возникли водоёмы, насыщенные органическими молекулами, которые находились в непрерывном химическом взаимодействии под влиянием солнечной радиации. Следовательно, первые живые организмы были продуктами интенсивной химической эволюции. Эта эволюция привела не только к подавляющему доминированию полипептидов - катализаторов, но и к существенному усложнению каталитических процессов. Среди многочисленных вариантов сложных взаимозависимых химических реакций появились циклические. Циклическая последовательность химических реакций – это такая, при которой периодически возникает одна и та же концентрация одних и тех же веществ. Примером таких циклов является реакция Белоусова – Жаботинского, описанная в[16]. Следует, однако, отметить, что реакция Белоусова - Жаботинского постепенно угасает, так как концентрация её исходных веществ с каждым циклом уменьшается. Её можно поддерживать сколь угодно долго, если постоянно подавать в раствор исходные компоненты и убирать шлаки в постоянно увеличивающемся количестве.
Именно такие циклические реакции возникли на втором подэтапе первого этапа в «первичном бульоне» согласно гипотезе М. Эйгена и П. Шустера [68]. Основными компонентами этих реакций были полипептиды и полинуклеотиды. Роль первых – инициировать вполне определённые реакции полимеризации аминокислот и нуклеотидов. Роль вторых – «координировать» структуру образовавших их аминокислотных полимеров, и катализировать формирование дубликатов этих последних.
Второй подэтап, наступивший после снижения температуры поверхности Земли ниже 1000С и образования Мирового океана, явился, судя по всему, инициирующим в процессе возникновения жизни. Его можно разбить на следующие стадии:
1.Полимеризация пептидов и нуклеотидов, преобразование Мирового океана в коллоидный раствор этих полимеров – «первичный бульон».
2.Дальнейшее снижение температуры гидросферы и возникновение «коацерватов».
3. Компартментация (покрытие полупрозрачными оболочками) коацерватов и возникновение «гиперциклов».
4.Эволюция гиперциклов, обусловленная их конкуренцией, возникновение процессов трансляции и репликации – превращение гиперциклов в «пробионты».
Рассмотрим эти стадии подробнее, а заодно раскроем содержание тех терминов, которыми они именуются.
Первая стадия – возникновение «первичного бульона» - длилась не менее 100¸200 млн.лет и характеризовалась относительно высокой температурой воды – не менее 500С. Эта температура способствовала полимеризации пептидов и нуклеотидов, последовательности которых носили, естественно, случайный, стохастический характер. Это не исключало их взаимное каталитическое влияние, поэтому в коллоидном растворе их в воде возникла химическая эволюция, о которой говорилось в § 3.5, и которая вела к увеличению концентрации химически активных полимеров и постепенному исчезновению нейтральных. Одновременно и в атмосфере и в гидросфере продолжалось, всё более увеличиваясь в производительности, производство исходных, базовых органических веществ, о которых говорилось выше.
Вторая стадия – стадия возникновения «коацерватов» – характеризуется дальнейшим снижением температуры воды до стационарного уровня, который с небольшими колебаниями сохранился до нашего времени. При такой температуре – + 2¸350С – в коллоидном растворе полипептидов образуются коацерватные капли или просто коацерваты – клубки (глобулы) полипептидов, о химических причинах возникновения которых сказано в §5.6. Вокруг каждой такой капли формировалась оболочка из молекул воды. Эта оболочка частично изолировала коацерват от окружающей среды, создавая исходные предпосылки для компартментации. Однако эта оболочка не мешала полимерным молекулам коацервата присоединять к себе аминокислотные мономеры из окружающей среды. Такой способ обмена веществ именуется гетеротрофным [28,29]. Капля естественным образом росла и, достигнув определённых размеров, разваливалась на несколько «дочерних» капель в силу причин, изложенных в §5.2. Эти новые капли вовсе не повторяли процессы «родительской», а «жили» новой, совсем непохожей «жизнью». Единственным системным процессом в этом потоке коацерватов была химическая эволюция, т.е. увеличение концентрации химически активных полипептидов в них. Длилась стадия также, по-видимому, несколько десятков миллионов лет.
Третья стадия – возникновение «гиперциклов» - наступила вследствие продолжающейся химической эволюции. В результате происходило не только увеличение химической активности полипептидов, но и появление более системно сложных каталитических процессов. В частности, появились коацерваты с замкнутыми циклами инициирующих друг друга химических реакций. Особую роль играли в них вплетённые в глобулы полипептидов полинуклеотиды. Такое переплетение представляется естественным, учитывая случайный характер формирования химического состава коацерватов. Полинуклеотиды в силу своих свойств кодировали последовательности аминокислот входящих в каплю полипептидов и благодаря этому вносили определённую упорядоченность в замкнутый цикл химических реакций. Такая последовательность взаимозависимых полипептидов, полинуклеотидов и связывающих их химических реакций полимеризации именуется гиперциклом [6, 49, 68].
Первоначально гиперциклы формировались полипептидами, образованными всего двумя наиболее примитивными аминокислотами – глицином (радикал R состоит из атома водорода H) и аланином (радикал состоит из метиловой группы СН3), и нуклеиновыми кислотами, образованными всего двумя нуклеотидами – Г и Ц. Интересно, что глицину соответствует комбинации ГГГ и ГГЦ, а аланину ГЦГ и ГЦЦ. Поэтому можно предположить, что полипептиды, состоящие из набора глицина и аланина, катализировали полимеры, состоящие из нуклеотидов Г и Ц, причем в такой последовательности, которая соответствовала Гли и Ала в исходных молекулах – катализаторах.
Важнейшим событием эволюции гиперциклов стало возникновение репликации входящих в них полинуклеотидов. Судя по всему, катализаторами такой репликации (синтеза пары молекул – дублёров) выступали первоначально сами исходные полинуклеотиды по схеме сдваивания цепи в транспортных РНК(тРНК) – [49].
Из всех известных в настоящее время нуклеиновых кислот только тРНК (транспортные РНК) вступают непосредственно в химическую реакцию с аминокислотами. Поэтому очевидно, что молекулами НК, которые явились активными участниками абиогенной эволюции, были предшественники тРНК [49, 68].
Основные структурные особенности этих молекул: 1)образование петель, которые замкнуты параллельными цепочками комплементарных нуклеотидов (например, есть участок, в котором оба участка соединены
| А |
| Т |
| Т |
| Г |
| Г |
| А |
| Ц |
| Т |
| А |
| А |
| Ц |
| Ц |
| Т |
| Г |
Дата добавления: 2015-08-27; просмотров: 45 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
| Управление в многоклеточных организмах | | | Т А Т Т Г Г А Ц |