Теория Опарина-Холдейна, Биология

В основе современных научных представлений о происхождении жизни лежит гипотеза биохимической эволюции Опарина — Холдейна.

  Александр Опарин                   Джон Холдейн

Согласно теории биохимической эволюции формирование жизни на Земле шло в три этапа:

• абиогенный синтез органических веществ;
• образование биополимеров;
• формирование мембранных структур и появление самовоспроизведения.

Абиогенный синтез органических веществ

Согласно теории Опарина возникновение жизни на Земле возможно было только в условиях древней атмосферы и отсутствия живых организмов.

На первых этапах своего существования наша Земля представляла собой раскалённый шар.

По мере её остывания постепенно формировалась первичная атмосфера, состоящая из аммиака, метана, углекислого газа, цианистого водорода и паров воды. Ни кислорода, ни озона в атмосфере древней Земли не было.

При дальнейшем понижении температуры образовался первичный океан. Под действием различных видов энергии (электрические разряды, ядерные реакции, солнечная радиация, извержения вулканов) образовались простые органические соединения: формальдегид, спирты, муравьиная кислота, аминокислоты и т. д. 

Окисление образовавшихся веществ не происходило, так как отсутствовал свободный кислород. Синтезированные вещества в течение десятков миллионов лет постепенно накапливались в древнем океане. Их накопление в итоге привело к образованию однородной массы —  «первичного бульона». По мнению Опарина, именно в «первичном бульоне» и возникла жизнь.

Этот этап биохимической эволюции был подтверждён экспериментально биохимиками С. Миллером, Дж.

Орои другими учёными.

В экспериментальных установках, моделирующих условия первобытной Земли, ими были получены альдегиды, аминокислоты, простые сахара, пуриновые и пиримидиновые основания, нуклеотиды.

Из простых органических веществ при определённых условиях синтезировались биополимеры. Аминокислоты соединялись в полипептиды, простые сахара превращались в полисахариды, а нуклеотиды — в нуклеиновые кислоты. Карбоновые кислоты, соединяясь со спиртами, могли образовать липиды, которые покрывали поверхность водоёмов жирной плёнкой.

Возникшие белки формировали коллоидные комплексы, притягивающие к себе молекулы воды. Так появились коацерваты — сгустки органических веществ, обособленные от остальной массы воды. В коацерваты постоянно поступали органические соединения, в результате чего происходил синтез более сложных веществ. Они могли сливаться и увеличиваться в размерах.

 

Слияние коацерватных капель  

Образование биополимеров и коацерватов в условиях древней Земли подтверждено экспериментально работами Л. Орджела и С. Акабори. Ими были получены простейшие белки и нуклеотидные цепи.

Формирование мембранных структур и появление самовоспроизведения

Из липидных плёнок на поверхности коацерватов могла сформироваться биологическая мембрана.

Объединение коацерватов с нуклеиновыми кислотами привело к образованию примитивных  самовоспроизводящихся живых организмов — пробионтов. Эти первичные организмы были анаэробами и гетеротрофами и питались веществами «первичного бульона».

Таким образом, около (3,5) млрд лет назад, согласно этой гипотезе, завершилось зарождение жизни на Земле.

Источники:

https://ppt-online.org/472066

Теория абиотического синтеза Основные характеристики / биология

Теория абиотического синтеза это постулат, который предполагает, что жизнь возникла из неживых соединений (абиотический = не живой). Это говорит о том, что жизнь возникла постепенно из синтеза органических молекул. Среди этих органических молекул есть аминокислоты, которые являются предшественниками более сложных структур, которые дают начало живым клеткам..

Исследователями, предложившими эту теорию, были русский ученый Александр Опарин и британский биохимик Джон Холдейн. Каждый из этих ученых, проводя исследования самостоятельно, пришел к одной и той же гипотезе: происхождение жизни на Земле произошло от органических и минеральных соединений (неживой материи), которые ранее существовали в первобытной атмосфере..

индекс

• 1 Из чего он состоит??
• 2 Теория Опарина и Холдейна
  • 2.1 Теоретические соображения
• 3 Эксперименты, которые поддерживают Теорию абиотического синтеза
  • 3.1 Миллер и Юри эксперимент
  • 3.2 Эксперимент Хуана Оро
  • 3.3 Сидней Фокс эксперимент
  • 3.4 Эксперимент Альфонсо Эрреры
• 4 Ссылки

Из чего он состоит??

Теория абиотического синтеза утверждает, что происхождение жизни на Земле произошло благодаря смеси между неорганическими и органическими соединениями, которые находились в атмосфере того времени, которая была заряжена водородом, метаном, водяным паром, углекислый газ и аммиак.

Теория Опарина и Холдейна

Опарин и Холдейн считали, что на примитивной Земле была восстановительная атмосфера; то есть атмосфера с небольшим количеством кислорода, где присутствующие молекулы стремятся пожертвовать свои электроны.

Впоследствии атмосфера будет постепенно меняться, образуя простые молекулы, такие как молекулярный водород (H2), метан (CH4), углекислый газ (CO2), аммиак (NH3) и водяной пар (H2O). В этих условиях они предположили, что:

– Простые молекулы могли бы реагировать, используя энергию, поступающую от солнечных лучей, электрические разряды от штормов, тепло от ядра Земли, среди других видов энергии, которые в конечном итоге влияли на физико-химические реакции..

– Это способствовало формированию коацерватов (систем молекул, из которых возникла жизнь, согласно Опарину), которые плавали в океанах.

– В этом «примитивном супе» условия были бы адекватными, чтобы строительные блоки могли быть объединены в последующих реакциях.

– В результате этих реакций образовались более крупные и более сложные молекулы (полимеры), такие как белки и нуклеиновые кислоты, которым, вероятно, способствовало присутствие воды из луж возле океана..

– Эти полимеры могли быть собраны в единицы или структуры, которые можно поддерживать и воспроизводить. Опарин полагал, что они могли быть «колониями» сгруппированных белков для осуществления метаболизма, и Холдейн предположил, что макромолекулы заключены в мембраны для формирования клеточных структур..

Соображения о теории

Детали этой модели, вероятно, не совсем верны. Например, геологи теперь считают, что первобытная атмосфера не сжималась, и неясно, являются ли пруды на берегу океана вероятным местом для первого появления жизни.

Однако основная идея «постепенного и спонтанного образования групп простых молекул, затем формирования более сложных структур и, наконец, приобретения способности к самовоспроизведению» остается основой большинства гипотез о происхождении текущая жизнь.

Эксперименты, поддерживающие Теорию абиотического синтеза

Миллер и Юри эксперимент

В 1953 году Стэнли Миллер и Гарольд Юри провели эксперимент, чтобы проверить идеи Опарина и Холдейна. Они обнаружили, что органические молекулы могут возникать самопроизвольно при восстановительных условиях, аналогичных тем, которые были описаны на примитивной Земле, описанной ранее..

Миллер и Юри построили закрытую систему, которая содержала некоторое количество нагретой воды и смеси газов, которые, как считалось, были в изобилии в атмосфере ранней Земли: метан (CH4), углекислый газ (CO2) и аммиак (NH3)..

Чтобы смоделировать лучи, которые могли бы обеспечить необходимую энергию для химических реакций, которые привели к возникновению наиболее сложных полимеров, Миллер и Юри послали электрические удары через электрод в своей экспериментальной системе..

После проведения эксперимента в течение недели Миллер и Юри обнаружили, что образовалось несколько типов аминокислот, сахаров, липидов и других органических молекул..

Большие, сложные молекулы, такие как ДНК и белок, отсутствовали. Однако эксперимент Миллера-Юри показал, что, по крайней мере, некоторые из основных компонентов этих молекул могут образовываться спонтанно из простых соединений..

Эксперимент Хуана Оро

Продолжая поиски источников жизни, испанский ученый Хуан Оро использовал свои биохимические знания для синтеза в лабораторных условиях других органических молекул, важных для жизни..

Оро ответил на условия эксперимента Миллера и Юри, который производит цианидные производные в больших количествах.

Используя этот продукт (синильную кислоту), а также аммиак и воду, этот исследователь смог синтезировать молекулы аденина, одного из 4 азотистых оснований ДНК и одного из компонентов АТФ, фундаментальной молекулы для обеспечения энергией большинства живых существ..

Когда это открытие было опубликовано в 1963 году, оно оказало не только научное, но и популярное влияние, поскольку продемонстрировало возможность самопроизвольного появления нуклеотидов на примитивной Земле без какого-либо внешнего воздействия..

Ему также удалось синтезировать, воссоздав в лаборатории среду, похожую на ту, которая существовала в ранней Земле, другие органические соединения, в основном липиды, которые являются частью клеточных мембран, некоторые белки и активные ферменты, важные для обмена веществ..

Сидней Фокс эксперимент

В 1972 году Сидни Фокс и его сотрудники провели эксперимент, который позволил им создать структуры с мембранными и осмотическими свойствами; то есть похожи на живые клетки, которые они называли Белковые микросферы.

Используя сухую смесь аминокислот, они начали нагревать их до умеренных температур; таким образом они достигли образования полимеров. Эти полимеры при растворении в физиологическом растворе образуют крошечные капельки размером с бактериальную клетку, способные проводить определенные химические реакции..

Эти микрошарики имели двойную проницаемую оболочку, похожую на современные клеточные мембраны, что позволяло им гидратироваться и обезвоживаться в зависимости от изменений среды, в которой они находились..

Все эти наблюдения, полученные при исследовании микросфер, показали идею о типе процессов, которые могли возникнуть у первых клеток.

Альфонсо Эррера эксперимент

Другие исследователи провели свои собственные эксперименты, чтобы попытаться воспроизвести молекулярные структуры, которые дали начало первым клеткам. Альфонсо Эррера, мексиканскому ученому, удалось искусственно создать структуры, которые он назвал сульфобиос и кольпоиды.

Эррера использовал смеси таких веществ, как сульфоцианид аммония, тиосианат аммония и формальдегид, с помощью которых он смог синтезировать небольшие структуры с высокой молекулярной массой. Эти богатые серой структуры были организованы аналогично живым клеткам, поэтому он назвал их сульфобиос.

Точно так же он смешал оливковое масло и бензин с небольшими количествами гидроксида натрия, чтобы создать другие типы микроструктур, которые были организованы аналогично простейшим; к этим микросферам он назвал их colpoides.

ссылки

1. Карранса Г. (2007). Биология я. Редакционный порог, Мексика.
2. Флорес Р., Эррера Л. и Эрнандес В. (2004). Биология 1 (1-е изд.). Редакция Прогресо.
3. Fox, S.W. (1957). Химическая проблема самозарождения. Журнал химического образования, 34(10), 472-479.
4. Fox, S.W., & Harada, K. (1958). Термическая сополимеризация аминокислот в продукт, напоминающий белок. наука, 128, 1214.
5. Гама А. (2004). Биология: биогенез и микроорганизмы (2-е изд.). Пирсон Образование.
6. Гама А. (2007). Биология I: конструктивистский подход (3-е изд.). Пирсон Образование.
7. Гордон-Смит, C. (2003). Гипотеза Опарина-Холдейна. в Происхождение жизни: достопримечательности двадцатого века. Получено с: simsoup.info
8. Эррера А. (1942). Новая теория происхождения и природы жизни. наука, 96: 14.
9. Ledesma-Mateos, I. & Cleaves, H. J. (2016). Альфонсо Луис Эррера и начало эволюционизма и исследования происхождения жизни в Мексике. Журнал молекулярной эволюции, 83(5-6), 193-203.
10. McCollom, T. (2013). Миллер-Юри и за его пределами: что узнали о реакциях пребиотического органического синтеза за последние 60 лет?. Ежегодный обзор наук о Земле и планетах, 41, 207-229.
11. Миллер С. (1953) Производство аминокислот в возможных примитивных условиях Земли. наука 117: 528- 529
12. Миллер, С. Л. (1955). Производство некоторых органических соединений в возможных примитивных условиях Земли. Журнал Американского химического общества.
13. Miller, S.L., Urey, H.C., & Oró, J. (1976). Происхождение органических соединений на первобытной земле и в метеоритах. Журнал молекулярной эволюции, 9(1), 59-72.
14. Оньяте Л. (2010). Биология 1, Том 1. Редакторы Cengage Learning.
15. Parker, E.T., Cleaves, H.J., Callahan, M.P., Dworkin, J.P., Glavin, D.P., Lazcano, A. & Bada, J.L. (2011). Пребиотический синтез метионина и других серосодержащих органических соединений на первичной Земле: современная переоценка на основе неопубликованного эксперимента Стенли Миллера 1958 года. Истоки жизни и эволюция биосфер, 41(3), 201-212.

г)Гипотеза А.И.Опарина и опыт Миллера – Биология

В 1924 году вышла в свет книга «Происхождение жизни» советского ученого А. И.

Опарина, где он экспериментально доказал, что органические вещества могут образовываться абиогенным путем при действии электрических зарядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси, содержащие пары воды, аммиака, метана и др.

Под влиянием различных факторов природы эволюция углеводородов привела к образованию аминокислот, нуклеидов и их полимеров, которые по мере увеличения концентрации органических веществ в первичном бульоне гидросферы способствовали образованию коллоидных систем, так называемых коацерватов, которые, выделяясь из окружающей среды и имея неодинаковую внутреннюю структуру, по-разному реагировали на внешнюю среду. Превращению углеродистых соединений в химический период эволюции способствовала атмосфера с ее восстановительными свойствами, которая потом стала приобретать окислительные свойства, что свойственно атмосфере и в настоящее время .

    Гипотеза Опарина способствовала конкретному изучению происхождения простейших форм жизни. Она положила начало физико-химическому моделированию процессов образования молекул аминокислот, нуклеиновых оснований, углеводородов в условиях предполагаемой первичной атмосферы Земли.

        ОПИСАНИЕ ОПЫТА МИЛЛЕРА

    Собранный аппарат представлял собой две колбы, соединённые стеклянными трубками в цикл. Заполнявший систему газ представлял собой смесь из метана (CH4), аммиака (NH3), водорода (H2) и монооксида углерода (CO).

Одна колба была наполовину заполнена водой, которая при нагревании испарялась и водные пары попадали в верхнюю колбу, куда с помощью электродов подавались электрические разряды, имитирующие разряды молний на ранней Земле.

По охлаждаемой трубке конденсировавшийся пар возвращался в нижнюю колбу, обеспечивая постоянную циркуляцию.

    После одной недели непрерывного цикла Миллер и Юри обнаружили, что 10—15 % углерода перешло в органическую форму. Около 2 % углерода оказались в виде аминокислот, причём глицин оказался наиболее распространённой из них. Были также обнаружены сахара, липиды и предшественники нуклеиновых кислот.

Эксперимент повторялся несколько раз в 1953—1954 годах. Миллер использовал два варианта аппарата, один из которых, т. н. «вулканический», имел определённое сужение в трубке, что приводило к ускоренному потоку водных паров через разрядную колбу, что, по его мнению, лучше имитировало вулканическую активность.

Интересно, что повторный анализ проб Миллера, проведённый через 50 лет профессором и его бывшим сотрудником Джеффри Бейдом (англ. Jeffrey L.

 Bada) с использованием современных методов исследования, обнаружил в пробах из «вулканического» аппарата 22 аминокислоты, то есть гораздо больше, чем считалось ранее.

    Миллер и Юри основывались в своих экспериментах на представлениях 1950-х годов о возможном составе земной атмосферы. После их экспериментов многие исследователи проводили подобные опыты в различных модификациях.

Было показано, что даже небольшие изменения условий процесса и состава газовой смеси (например, добавления азота или кислорода) могли привести к очень существенным изменениям как образующихся органических молекул, так и эффективности самого процесса их синтеза. В настоящее время вопрос о возможном составе первичной земной атмосферы остаётся открытым.

Однако, считается, что высокая вулканическая активность того времени способствовала выбросу также таких компонентов как диоксид углерода (CO2), азот, сероводород (H2S), двуокись серы (SO2).

    Предполагается, что Солнце и планеты Солнечной системы возникли из облака космической пыли. Возраст Земли составляет более 5 млрд лет. Сначала температура Земли была очень высокой, по мере ее остывания тяжелые вещества оседали к центру и образовывали ядро планеты, а более легкие — ее оболочку.

Постепенно газы, вовлеченные во внутренние слои планеты, начали выделяться, и благодаря им образовалась земная атмосфера. В ее состав входили метан (СН4), аммиак (NH3), углекислый газ (С02), водород (Н2), вода (Н20). Когда температура поверхности планеты стала ниже 100 С, из водяных паров атмосферы образовались первичные моря и океаны.

    Постоянные ливни и сильнейшие грозовые разряды сотрясали первичную атмосферу планеты. В этих условиях, по мнению А. И.

Опарина, под действием мощных электрических разрядов, а также ультрафиолетового излучения (кислород в атмосфере отсутствовал, и, следовательно, не было защитного озонового экрана) и высокой радиации могли возникать органические соединения, которые накапливались в океане, образуя «первичный бульон».    В 1953 г. это предположение А. И.

Опарина было экспериментально подтверждено опытами американского ученого С. Миллера. В созданной им установке (рис. 85) были смоделированы условия, предположительно существовавшие в первичной атмосфере Земли. В результате опытов были получены аминокислоты.

Сходные опыты многократно повторялись в различных лабораториях и позволили доказать принципиальную возможность синтеза в таких условиях практически всех мономеров основных биополимеров. В дальнейшем было установлено, что при определенных условиях из мономеров возможен синтез более сложных органических биополимеров: полипептидов, полинуклеотидов, полисахаридов и липидов.

    Следующим этапом, по мнению А. И. Опарина, было образование многомолекулярных комплексов — коацерватов. Известно, что в концентрированных растворах белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов при определенных условиях могут образовываться сгустки, называемые коацерватны-ми каплями, или коацерватами (рис. 86).

Коацерваты могут расти за счет синтеза новых соединений, происходящего с участием химических веществ, поступающих в них из раствора.    Коацерваты — это еще не живые существа. У них проявляются лишь некоторые признаки, характерные для живых организмов, — рост и обмен веществ с окружающей средой.     А. И.

Опарин полагал, что решающая роль в превращениях неживого в живое принадлежит белкам.            Белковые коацерваты он рассматривал как пробионты — предшественники живого организма. В коацерватные капли из внешней среды поступали ионы металлов, выступавшие в качестве первых катализаторов.

Из огромного количества химических соединений, присутствовавших в «первичном бульоне», отбирались наиболее эффективные в каталитическом отношении комбинации молекул, что в конечном счете привело к появлению ферментов.    На границе между коацерватами и внешней средой выстраивались молекулы липидов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны.

    Предполагается, что на определенном этапе белковые пробионты включили в себя нуклеиновые кислоты, создав единые комплексы.    Взаимодействие белков и нуклеиновых кислот привело к возникновению таких свойств живого, как самовоспроизведение, сохранение наследственной информации и ее передача последующим поколениям.

    Пробионты, у которых обмен веществ сочетался со способностью к самовоспроизведению, можно уже рассматривать как примитивные проклетки, дальнейшее развитие которых происходило по законам эволюции живой материи. Дж. Холдейн также выдвинул гипотезу абиогенного происхождения жизни. Согласно его взглядам, впервые изложенным в 1929 г., первичной была не коацерватная система, способная к обмену веществ с окружающей средой, а макромолекулярная система, способная к самовоспроизводству. Другими словами, А. И. Опарин отдавал первенство белкам, а Дж. Холдейн — нуклеиновым кислотам.    Гипотеза Опарина — Холдейна завоевала много сторонников, так как возможность абиогенного синтеза органических биополимеров получила экспериментальное подтверждение.Однако она имеет и слабую сторону, на которую указывают ее оппоненты. В рамках данной гипотезы не удается объяснить главную проблему: как произошел качественный скачок от неживого к живому.

Теория Опарина-Холдейна – основные положения, этапы и доказательства

Время на чтение: 12 минут

Основные положения

Теория Опарина о происхождении жизни на Земле базируется на ряде важнейших принципов. Жизнь на планете, согласно взглядам отечественного ученого, зарождалась в три этапа.

Сначала возникли органические соединения как таковые. Далее произошло образование белков, полисахаридов и липидов, то есть полимерных соединений.

Наконец, процесс завершился появлением примитивных, но уже способных к воспроизводству, живых организмов.

Вторая особенность гипотезы — согласно ей, биологической (биогенной) эволюции предшествовала химическая, которая стала основной причиной появления сложных веществ. Сущность процесса:

1. На формирование сложных соединений оказала влияние атмосфера Земли, лишенная кислорода, а также разряды молний и УФ-лучи солнца.
2. Органические вещества стали основой появления биополимеров, которые, в свою очередь, использовались для образования примитивных форм жизни (пробионтов).
3. Когда в пробионтах появились нуклеиновые кислоты, они получили возможность передавать наследственную информацию и усложняться в следующих поколениях.
4. Результат естественного отбора — выжить смогли лишь те организмы, которые оказались способными к воспроизводству.

Положения теории вполне логичны и вытекают одно из другого. Однако важно понимать то, какая проблема не была решена гипотезой Опарина. Дело в том, что пробионты (или проклетки, прообраз современных клеток) по сей день не изучены досконально. Поэтому непонятно, что именно побудило скопление полимеров перейти от нежилого состояния к дыханию, питанию и воспроизводству.

История и эксперименты

Как и любая другая теория происхождения жизни, гипотеза Опарина подвергалась критике оппонентов и формулировалась в течение продолжительного времени.

Прежде всего, основные положения академик опубликовал в труде «Происхождение жизни», в котором предположил, что растворенные в жидкости биополимеры под воздействием внешних условий оказываются способными к образованию коацерватов или коацерватных капель.

Они представляют собой средоточие органического вещества, отделенного от внешней среды посредством мембраны и способное поддерживать обмен с нею. Данный процесс представляет собой предшествующую стадию коагуляции — соединения мельчайших частиц воедино.

Именно эти два процесса являются причиной образования из «первичного бульона» (термин введен в научный обиход академиком) аминокислот. А они, в свою очередь, стали основой всего живого.

Интересно, что независимо от Опарина данным вопросом начал заниматься британский биолог Джон Холдейн, также интересовавшийся зарождением жизни на Земле.

Однако во взглядах двух исследователей можно отметить разницу: Холдейн полагал, что в «первичном бульоне» образовывались не коацерваты, а макромолекулярные вещества, также способные к воспроизводству.

Таким образом, первичными веществами были нуклеиновые кислоты, а не белки.

Последующая разработка

Следующий этап развития теории — опыты и исследования американского химика Стэнли Миллера, который заинтересовался данным вопросом еще в студенческие годы. Ему удалось воссоздать искусственную среду и получить из неживой материи аминокислоты. Суть эксперимента:

1. В колбах, связанных между собой, были имитированы условия планеты.
2. Колбы заполнили аммиаком, водородом и монооксидом углерода — смесью газов, которые составляли атмосферу Земли раннего периода.
3. Часть системы составляла кипящая вода, пары при этом подвергались воздействию имитирующих молнию разрядов электричества.
4. После охлаждения пар накапливался в нижней трубке в виде конденсата.
5. Через неделю непрерывного процесса в колбе удалось обнаружить сахара, липиды и аминокислоты.

Однако эксперимент Миллера до сих пор критикуется представителями научного мира и не признается доказательством достоверности гипотезы Опарина и Холдейна.

Еще один виток в развитии теории — книга «Эгоистичный ген», изданная Ричардом Докинзом, британским исследователем-биологом, в 1979 году. Здесь ученый предположил, что изначально в первичном бульоне самообразовались способные к воспроизводству молекулы, которые постепенно заполнили океан.

Отличия взглядов и вклад в науку

Рассмотрев основные положения теории Опарина, можно отметить, что они с Холдейном дошли до сходных идей вне зависимости друг от друга. Однако в гипотезах двух ученых имеются и некоторые различия.

Основное из них — разное представление о том, какие именно изначальные элементы стали источниками зарождения жизни.

Согласно взглядам Опарина, это были белки, Холдейн же полагал, что основную роль сыграли нуклеиновые кислоты.

Другое различие:

1. Русский исследователь — создатель теории — был убежден, что самозарождение жизни из неживой материи, то есть аборигенное, было возможным исключительно в условиях древнейшей атмосферы.
2. Холдейн считал, что первичной была макромолекулярная система, способная к самовоспроизводству, а не коацерватная система.

Вклад Опарина в биологию считается весомым, кратко можно отметить следующие положения. Прежде всего — это серьезная и обоснованная концепция зарождения жизни из «первичного бульона». Кроме того, ученый, действуя в непростых условиях российской действительности 20−30 годов прошлого века, изучал развитие жизни.

Суть теории

Кратко можно сформулировать основные постулаты гипотезы двух авторов: живые организмы появились на планете из неживой материи, однако для этого процесса необходимы были условия, царившие на Земле миллиарды лет назад. Сейчас представляется невозможным полностью воссоздать эту картину, ведь то, что творилось в атмосфере столь глубокой древности, может быть высказано лишь на уровне предположений.

Особенности атмосферы тех лет:

1. Отсутствие кислорода (сейчас его образуют зеленые растения, которые в тот период, конечно, не существовали).
2. Определенный температурный режим — очень жарко.
3. Наличие источников энергии.
4. Обязательное наличие воды.

Кроме того, гипотеза подразумевает и нахождение в атмосфере неорганических веществ, которые стали предшественниками органических соединений.

Согласно теории, можно выделить 5 этапов становления и развития жизни на планете, которые в наглядной форме представлены в таблице.

Этап	Основные события
Первый — 6,5−3,5 млрд лет назад	Образовалась первичная атмосфера, включающая аммиак, метан, водород, пары воды, углекислый газ и окись углерода.
Второй	Поверхность планеты охлаждается до температуры +100°C, происходит образование первичного океана за счет конденсации водяного пара. В воде растворяются газы и минеральные вещества. Все это сопровождается сильнейшими грозами. Удары молний и ультрафиолетовые радиации становятся причиной синтеза аминокислот, сахаров, азотистых соединений — простых органических образований.
Третий	Формирование белков простейшей структуры. Коацерватов, жиров.
Четвертый — 3,5−3 миллиарда лет назад	Появление протобионтов, способных к обмену веществ и самовоспроизведению.
Пятый — 3 миллиарда лет назад	Появление организмов с клеточным строением (прокариот-бактерий)

Идея о составе первичной атмосферы планеты основана на данных других наук, а также анализе оболочек иных планет Солнечной системы. Кроме того, доказательства второй и третьей стадии удалось получить в ходе многочисленных экспериментов по синтезированию жизни.

Развитие и доказательства

Теории происхождения жизни на планете принято подразделять на две большие группы: биогенез — все живое произошло от живого и абиогенез — живая материя образовалась из неживой. Гипотеза Опарина-Холдейна относится ко второму классу. В настоящее время современные исследования позволили несколько видоизменить и дополнить ее.

Сейчас большая часть исследователей полагает, что сначала у организмов возникла способность к самовоспроизведению, а лишь потом — к обмену веществ. Именно самовоспроизведение является основой передачи полезных качеств представителям нового поколения, то есть важнейшим составляющим эволюции в целом и естественного отбора в частности.

Выделяют также и дополнительные источники энергии, под воздействием которого сформировались первые живые организмы. Кроме разрядов молний и УФ-лучей, к ним относят:

• естественную радиоактивность;
• вулканические извержения;
• солнечный ветер.

Все это помогло образованию химических связей. Изменились и представления ученых о составе атмосферы раннего периода, поскольку появились новые объективные данные. В частности, удалось установить, что концентрация углекислого газа была гораздо меньшей, чем полагали авторы гипотезы.

Атмосфера планеты очень напоминала ту, которая сейчас наблюдается у Марса и Венеры: состояла в основном из углекислого газа и азота, другие же газы содержались в ней в весьма малой концентрации.

Новые данные заставили повторить эксперимент Миллера, однако в его системе указанные вещества не повлекли за собой появления органики.

Сейчас теория о первоисточнике жизни, который автор решил назвать «первичным бульоном», считается устаревшей.

На смену ей пришли гипотеза «первичной пиццы» (в соответствии с которой живые организмы появились на минеральных подложках при периодическом высыхании последних) и «первичного майонеза» (выдвинуть ее решил Гарольд Моровиц, суть: клеточные мембраны, а точнее, их примитивные аналоги, существовали до того, как появилась способность к самовоспроизводству).

Кроме того, удалось выявить определенные свойства «первичного бульона», которые делают его неподходящей средой для зарождения жизни:

1. В водной среде белки обладают неустойчивостью, поэтому велик риск их распада. На безжизненной планете для образования соединений аминокислот требовалось избавление от воды, с этой целью можно было использовать лагуны, заливы, а также вулканические районы.
2. «Первичный бульон» лишен границ, вот почему, несмотря на наличие мембран, первичные аминокислоты «растекались», передавая свои клетки соседним, что делало процесс самовоспроизводства невозможным.

Несмотря на выявленные современными исследователями недостатки, гипотеза Опарина и Холдейна стала важнейшим шагом в изучении особенностей появления первых живых организмов на планете. Ученым удалось создать четкую концепцию, которая в дальнейшем стала основой для множества теорий аборигенного зарождения жизни, их отправной точкой.

Абиогенез – определение, суть теории, доказательства и примеры — Природа Мира

В этой статье дается определение термина “абиогенез” и рассматриваются доказательства, подтверждающие эту теорию. Мы также обсудим раннюю Землю и возможности для зарождения первой жизни на планете с чисто научной точки зрения.

Определение

Как возникла жизнь на Земле? Когда все началось? Эти вопросы оставались загадкой на протяжении тысячелетий человеческой истории.

Мы знаем, что возраст Земли составляет около 4,5 миллиардов лет, и что первые бактерии уже обитали на нашей планет более 3,5 миллиард лет назад.

Теория эволюции дает нам объяснение того, как жизнь началась с одноклеточных бактерий и распространилась на миллионы видов животных, растений, грибов и бактерий. Но откуда взялась первая живая клетка?

Абиогенез — это научная теория, утверждающая, что жизнь на Земле появилась спонтанным естественным путем благодаря существующим в то время условиям. Другими словами, живая материя возникла из неживой.

Абиогенез предполагает, что первые созданные формы жизни были очень примитивными и постепенно становились все более сложными. Биогенезу, в котором жизнь возникает в результате воспроизводства другой жизни, предположительно предшествовал абиогенез, который стал невозможным, когда атмосфера Земли приняла свой нынешний состав.

Ранняя Земля

Представьте себе безжизненную Землю: постоянные извержения вулканов, мощные грозы, кипящие океаны, частые землетрясения и атмосфера с высоким уровнем токсичных газов.

Так как же и почему возникла жизнь в этих условиях? Эта тема интересовала многих ученых, которые хотели найти достоверный ответ на столь важный вопрос.

Теория Опарина — Холдейна

В 20-х годах прошлого века британский ученый Холдейн, Джон Бёрдон Сандерсон и русский биохимик Александр Опарин независимо друг от друга выдвинули схожие идеи относительно условий, необходимых для возникновения жизни на Земле.

Оба считали, что органические молекулы могут быть образованы из абиогенных материалов в присутствии внешнего источника энергии (например, ультрафиолетового излучения), и что примитивная атмосфера была с очень низким количеством свободного кислорода и содержала аммиак, водяной пар, водород и метан.

Оба также подозревали, что первые формы жизни появились в теплом примитивном океане и были гетеротрофными (получая предварительно сформированные питательные вещества из соединений, существовавших на ранней Земле), а не автотрофными (синтезирующими питательные вещества из солнечного света или неорганических веществ).

Опарин считал, что жизнь возникла из коацерватов, микроскопических спонтанно сформированных сферических агрегатов липидных молекул, которые удерживаются вместе за счет электростатических сил и, возможно, были предшественниками клеток.

Работа Опарина с коацерватами подтвердила, что ферменты, лежащие в основе биохимических реакций метаболизма, функционируют более эффективно, когда они содержатся в мембраносвязанных сферах, чем когда они свободны в водных растворах.

Холдейн, незнакомый с коацерватами Опарина, полагал, что сначала образуются простые органические молекулы, а в присутствии ультрафиолетового света они становятся все более сложными, в конечном итоге формируя клетки. Идеи Холдейна и Опарина легли в основу многих исследований абиогенеза, проводившихся в последующие десятилетия.

Эксперимент Миллера — Юри

В 1953 году американские химики Гарольд Клейтон Юри и Стэнли Миллер проверили теорию Опарина — Холдейна. В своем эксперименте они использовали аппарат с колбой, наполненной водой и химическими веществами, которые, как считалось, существовали на ранней Земле.

Ученые обнаружили, что эти химические вещества при определенных условиях спонтанно образуют органические молекулы.

Эксперимент предполагает, что органические молекулы могли самопроизвольно образоваться на молодой Земле, став фундаментом для появления первых живых существ.

Некоторые ученые считают, что условия эксперимента Миллера — Юри не соответствовали реальным, но последующие эксперименты с измененной атмосферой показали аналогичные результаты спонтанного образования аминокислот, липидов и нуклеотидов.

Рнк пришла первой

В течение многих лет ученые спорили о том, что важнее — ДНК или РНК. ДНК служит основным средством хранения генетической информации. РНК — это рибонуклеиновая кислота, которая может выступать в качестве генетической библиотеки и катализировать реакции. Эта способность делает РНК идеальным кандидатом для зарождения первой жизни на Земле.

Так откуда же взялась РНК? Может ли РНК самопроизвольно образовываться? Сначала рассмотрим структуру РНК, состоящую из четырех нуклеотидных оснований:

1. Аденин
2. Гуанин
3. Цитозин
4. Урацил

Эти четыре нуклеотида являются строительными блоками РНК. Если они могут быть синтезированы самопроизвольно в условиях ранней Земли, тогда можно будет решить большую часть головоломки о том, как зародилась жизнь. И вот, недавно было обнаружено, что некоторые молекулы действительно могут образовывать все четыре нуклеотида в присутствии ультрафиолетового излучения или солнечного света.

Первые клетки

Итак, если органические молекулы и РНК могут спонтанно образовываться, то как насчет клеток? Как создаются клеточные мембраны?

Липиды – это молекулы, которые составляют слой клеточной мембраны. Как стало ясно из эксперимента Миллера — Юри, липиды могут спонтанно образовываться при определенных атмосферных условиях. Они имеют гидрофильную и гидрофобную стороны.

В то время как гидрофильная сторона может взаимодействовать с водой, гидрофобная сторона – нет, и поэтому они образуют кластеры в воде. Гидрофильная сторона, обращена наружу, а гидрофобная – внутрь.

Это похоже на то, как масло в лавовой лампе никогда не смешивается с жидкостью.

В липидном бислое молекулы ориентированы таким образом, что их полярные части направлены в сторону водной фазы и формируют две гидрофильные стороны, а неполярные «хвосты» формируют гидрофобную внутри бислоя. Это препятствует прохождению воды между ними и образует мембрану клетки.

Вода из клетки не выходит наружу, и вода снаружи клетки не проникает внутрь. Из-за структуры липида он может спонтанно собираться в бислой в присутствии воды.

Зная все это, можно предположить, что некоторые из первых структур РНК были заключены в примитивную клетку, состоящую из липидного бислоя, заполненного водой, неорганическими и органическими молекулами. Эти примитивные клетки затем дали начало первым живым клеткам.

Другие гипотезы

Хотя научные доказательства абиогенеза являются авторитетной научной теорией, некоторые ученые сформулировали другие гипотезы для объяснения происхождения жизни на Земле. Одной из таких гипотез является панспермия, которая утверждает, что жизнь прибыла на Землю из космоса и, следовательно, возникла в других частях галактики. Это интересная гипотеза, но ее трудно проверить.

Подведение итогов

Теория абиогенеза говорит, что жизнь возникла спонтанно при определенных условиях из неживой материи. Как ученые пришли к этой гипотезе? Эксперименты показывают, что органические молекулы, нуклеотиды РНК и клеточные мембраны могут самопроизвольно образовываться в условиях, схожих на раннюю Землю.

РНК – это нуклеиновая кислота, которая может действовать как генетическая библиотека и катализировать реакции, поэтому, вероятно, первая жизнь на Земле была способна функционировать исключительно с РНК.

За миллионы лет эти молекулы РНК развили новые каталитические способности и в конечном итоге превратились в сложные клетки, которые мы знаем сегодня.

Не все нашли? Используйте поиск по сайту ↓