Реферат на тему:


Воспользуйтесь поиском к примеру Реферат        Грубый поиск Точный поиск






Загрузка...
происхождение жизни

Происхождение жизни

Рассмотрим основные события, которые могли способствовать возникновению жизни на нашей планете, в аспекте гипотезы абиогенеза Опарина-Холдейна.

Современный взгляд на образование Солнечной системы и место Земли среди планет. Современная астрономия утверждает, что Земля и другие планеты Солнечной системы образовались из газово-пылевого вещества около 5 млрд лет назад. Такая газово-пылевая материя встречается в межзвездном пространстве и в наше время. Чтобы на планете могла возникнуть жизнь, она должна иметь определенные размеры и получать энергию от какой-либо звезды.

Размеры планеты. Масса планеты не должна быть слишком большой, так как энергия атомного распада естественных радиоактивных веществ может привести к перегреву планеты или, что еще более важно, радиоактивное загрязнение среды, что несовместимо с жизнью. В то же время в слишком маленьких планет есть другой недостаток. Они не могут содержать у себя атмосферу, так как сила тяжести в них невелика (например, Луна).

Источник энергии. Для возникновения жизни и ее дальнейшего существования необходима энергия. Постоянно и равномерно получать необходимое количество энергии позволяет движение планеты вокруг какой-либо звезды по круговой или близкой к круговой орбите. Кроме того, необходима постоянная интенсивность излучения светила. Это очень важно, потому что иначе поток лучистой энергии, поступающего на планету, а не будет равномерным. Неравномерность потока энергии приведет к резким колебаниям температуры, а это будет препятствовать возникновению и развитию жизни, потому что существование живых организмов возможно в определенном температурном диапазоне (ведь все живое на 70-80% состоит из воды). Всем этим требованиям отвечала планета Земля.

Итак, около 5 млрд лет назад на Земле появились космические, планетарные и химические условия для более высокого уровня развития материи ее эволюции в направлении возникновения жизни.

Основные этапы химической эволюции, которая предшествовала абиогенеза. Эти этапы включают образованния химических элементов и простых неорганических соединений.

Образование химических элементов. Образование химических элементов в процессе развития звездных систем, в том числе и таких, как наша Солнечная система, закономерное явление в эволюции материи.

Благодаря спектральному анализу доказано, что водород является наиболее распространенным элементом во Вселенной. В результате реакций ядерного синтеза с него возникает гелий, из которого, в свою очередь, образуется углерод. В результате присоединения к ядру углерода других ядер гелия возникают изотопы кислорода, неона, магния и других элементов. Таким образом, возникновение атомов химических элементов, из которых состоит основная масса звезд, планет и их атмосфер, является лишь начальным этапом неорганической эволюции. Однако для дальнейшего развития в направлении к возникновению жизни необходимы были определенные космические и планетарные условия.

Образование простых неорганических веществ. Водород, углерод, кислород, азот и фосфор (биогенные элементы) достаточно распространены в космосе и могут вступать в реакции, образуя при этом простые неорганические соединения, это следующий этап неорганической эволюции. Благоприятным фактором является поступление энергии от звезд в виде электромагнитного излучения и тепла.

Начальный этап существования Земли отмечался интенсивным термоядерным процессом, высокой температурой (более 1000 ° С) и активной химической деятельностью. По мере остывания планеты тяжелые элементы перемещались к ее центру, а более легкие соединения (H2, CO2, CH4та др.) Оставались на поверхности. Металлы и другие элементы, способные окисляться, соединялись с кислородом, и в атмосфере планеты свободного кислорода не было. Вся атмосфера ранней Земли состояла из свободного водорода и его соединений, поэтому имела восстановительный характер. Именно эта атмосфера НЕ окислительная, а восстановительная и способствовала возникновению жизни. Она состояла из водяного пара (Н2О), метана (СН,), диоксида углерода (С02), оксида углерода (СО), аммиака (NH3), азота (N2), сероводорода (H2S) и др.

Последние наблюдения радиоастрономиимежзвездного пространства показали, что те же молекулы, которые возникают одновременно с рождением звезд, присутствующие в первичной атмосфере любой планеты. Многим радиоастрономы удалось идентифицировать в межзвездном пространстве аммиак и водяной пар.

Соответствующие эксперименты, проведенные в то же время, подтвердили, что при наличии метана, воды и аммиака наверняка могут образоваться такие соединения, как цианистый водород (HCN) и формальдегид (НСОН). Именно эти молекулы и было обнаружено в межзвездном пространстве. Сам факт существования таких соединений свидетельствует о том, что они могли возникнуть из первичных газовых смесей в результате реакций, связанных с формированием новых звезд. Это подготовило условия для третьего этапа эволюции, который непосредственно и начал процесс абиогенеза.

Абиогенез. Первый этап образования простых органических соединений. Для синтеза первых "кирпичиков" жизни необходима была "сырье", то есть "строительный материал" и энергия.

Сырьем могли быть N2 Н2, CO, СО2, Н20, NH3, СН4, H2S, HCN, НСОН и др.

Источниками энергии были: тепловая энергия тепло земной коры, которая охлаждалась; а также энергия вулканических извержений и метеоритов, попадали в атмосферу Земли; ионизирующая радиация космические лучи и энергия радиоактивного распада тяжелых элементов; солнечный свет в первую очередь мощное ультрафиолетовое излучение, которое при отсутствии озонового экрана беспрепятственно проникал на Землю; энергия электрических разрядов от ударов молний; ударные волны (вследствие падения метеоритов).

Об этом этап, то есть о создании мономеров "Кирпичиков" биологических полимеров из газов, содержавшиеся в первичной атмосфере, известно больше, так как эти реакции можно воспроизвести и полностью из моделей юваты в лабораторных условиях. Достаточно успешные эксперименты в этой области были проведены уже в 1913 году (Ж. Леб). Но наибольшую известность получили эксперименты американских биохимиков С. Миллера и Юри, которые в 1953 убедительно доказали возможностьтаких преобразований. Пропуская в течение нескольких дней через смесь газов Н2, СН4 и NH3 и водяного пара электрический разряд при напряжении 60 тыс Вольт (что по количеству энергии можно сравнить с продолжительностью периода около 50 млн. Лет на примитивной Земле) они получили в водяной фазе смесь, состоящая из различных органических веществ, в том числе из 6 аминокислот (в том числе аспарагин; глицин, глутамин), 11 органических кислот от муравьиной и уксусной к янтарной, мочевину и метилсечовину.

В дальнейшем оказалось, что абиогенным путем при отсутствии кислорода с ядовитой смеси газов (N2 Н2, CO, СО2, NH3, СН4, H2S, HCN, НСОН) и водяного пара (Н 0) при участии растворов солей тяжелых металлов, смеси глин и минералов в качестве катализаторов, а в качестве источника энергии электрических разрядов, ультрафиолетового излучения, ионизирующей радиации и очень высокой температуры, можно синтезировать очень много простых органических соединений, входящих в состав биологических полимеров: белков, полисахаридов, липидов и нуклеиновых кислот.

Так, американский биохимик С. Фокс синтезировал почти все жизненно важные аминокислоты.

Этапы синтеза аминокислот, которые образуются под действием электрического разряда или ультрафиолетового излучения, если их пропускать через смесь газов Н2, СН4 и NH, i водяной пар, исследовали в свое время Миллер и Юри. Изучая появление и исчезновение отдельных продуктов синтеза, который длился в течение многих недель, они убедились, что концентрация аммиака неуклонно снижалась, а азот аммиака входил в состав прежде всего щанистого водорода (HCN) и цианогены (C2N2). Это и были рядом с альдегидами первые синтезированные соединения. Аминокислоты синтезировались позже с цианистого водорода и альдегидов. Такой ход синтеза позволяет предположить, что аминокислоты образовались из альдегидов путем, который хорошо известен химик-органик под названием реакции Штрекер.

Кроме аминокислот, при нагревании смесей в закрытых сосудах к высоким температурам (600-900 ° С) поучастия руд различных металлов в качестве катализаторов образовывались жирные кислоты и некоторые сахара. Среди синтезированных искусственным путем сахаров является шести-углеродные (гексозы) и пьятивуглецеви (пентозы). Рибозу и дезоксирибозу, в частности, было получено в результате воздействия на смесь газов ультрафиолета и гамма-излучения.

Еще Бутлеров в XIX веке доказал, что при нагревании в прочном щелочном растворе формальдегид (НСОН) превращается в смесь сахаров.

В XX веке другие авторы (Поннамперума и Бейбел) предложили модель возникновения сахаров под действием гидротермальных источников. Пропускания разбавленного раствора формальдегида над поверхностью нагретой глины или даже обычное кипячение формальдегида вызывали реакции конденсации и образования сахаров.

В наше время химики-органики достаточно легко получают сахара из смеси метана (СН.), Аммиака (NH3) и Н20 благодаря действию ионизирующей радиации. При этом пентозы, в частности, образуются в результате конденсации промежуточного продукта формальдегида (НСОН). Этот процесс состоит из ряда этапов, но суммарная реакция проста: из 5-ти молекул формальдегида образуется одна молекула рибозы.

Как известно, гексозы (глюкоза, в частности) входят как мономеры в состав полисахаридов, а пентозы (рибоза и дезоксирибоза) в состав нуклеотидов, которые являются мономерами нуклеиновых кислот. Для образования нуклеотида, кроме пентозы, нужны еще фосфорная кислота и одна из азотистых оснований, которые принадлежат к двум классам пуринов и пиримидинов.

Неоднократно предпринимались попытки и довольно успешные продемонстрировать возможность абиогенного синтеза азотистых оснований, входящих в состав нуклеиновых кислот, путем ряда реакций конденсации с цианистого водорода (HCN), который, в свою очередь, удается получить при нагревании до высоких температур смесей из метана (СН4), аммиака (NH3) и воды.

Цианистый водород (HCN), который является смертельным ядом для современной биосферы, на первичной Земле, вероятно, был очень распространенной составом и види игра вал важную роль вабиогенных процессах. Результаты спектроскопических исследований свидетельствуют о том, что он входит и в состав комет. Согласно последним радиоастрономическими данным, HCN распространен также в межзвездном пространстве.

Благодаря разнообразным реакциям, источником которых был HCN, его производные и некоторые другие соединения, в условиях, приближающихся к условиям первобытной Земли, было получено аденин, гуанин, урацил и цитозин. При этом легче синтезируется аденин.

Одним из первых достижений в синтезе пуринов в возможных первичных условиях Земли была работа Хуана Оро из университета Хьюстона, который путем термического воздействия на цианистый аммоний получил аденин.

Если внимательно рассмотреть молекулу аденин а о составе которой дает представление эмпирическая формула C5H5N5, можно установить, что представляет собой пентамер цианистого водорода, то есть с 5-й молекул HCN образуется одна молекула C5H5N5. Вероятно, что сначала из 4-х молекул цианистого водорода (HCN) возникает его тетрамер C4H4N4 (диаминомалеонитрил). Это соединение является важным промежуточным продуктом во многих реакциях, приводящих к синтезу азотистых оснований. Оказалось, что под действием света может происходить перестройка молекулы C4H4N4 с присоединением еще одной молекулы HCN, в результате чего образуется аденин.

Несколько иным путем можно получить другую азотистых оснований, которая входит в состав нуклеотидов, гуанин. Исходным продуктом для его синтеза является тот же диамино-малеонитрил (C4H4N4). Но в данном случае прибегают к реакции гидролиза с участием цианогены (C2N2).

Сложнее с синтезом пиримидинов (тимина, урацила и цитозина), однако определенного успеха достигнуто и здесь. Так, Оро удалось синтезировать урацил путем взаимодействия аммиачного раствора мочевины с соединениями, которые возникают из простых газов под влиянием электрических разрядов. Л. Оргела синтезировал цитозин, нагревая вместе мочевину и цианоацетилен (C3HN), который образуется, в свою очередь, в результате воздействия электрического разряда на смесь метана и азота.

Азотистые основания (аденин, гуанин, тимин, урацил ицитозин), соединяясь с пентозы (рибозой или дезоксирибозой), образуют нуклеозиды. Последние, в свою очередь, соединяясь с фосфорной кислотой, образуют нуклеотиды. В результате присоединения аденина к рибозы образуется аденозин. Из него после присоединения к молекуле "хвоста", который состоит из трех фосфатных групп, образуется аденозинтрифосфат (АТФ).

Следует заметить, что для объединения с трифосфатом в процессе абиогенеза было выбрано именно аденозин, а не какой-либо другой нуклеозид. Нет никаких явных указаний на то, что АТФ приспособлен для сохранения энергии лучше, чем ГТФ (гуанозинтры-фосфат), ЦТФ (цитидинтрифосфат), ТТФ (тимидинтрифосфат) или УТФ (уридин-трифосфат). Возможно, что аденин использовался для синтеза энергосберегающей соединения именно потому, что он был компонентом первичного "бульона" в более высокой концентрации, поскольку синтез его относительно прост.

Подводя итог, можно сказать, что подобные результаты, подтверждающие теорию абиогенного образования простейших органических соединений, были получены во всех вышеприведенных и других экспериментах. При этом оказалось, что из смеси газов (N, Н2, CO, CO., NH3, СН4, H2S) и водяного пара сначала образуются высокоактивные промежуточные соединения, такие, как цианистый водород (HCN), формальдегид (НСОН), цианогены (CjNj ) и др., а уже потом из этих соединений образуются в результате химической эволюции мономеры биологических полимеров; именно они и составляли содержание "первичного бульона" на нашей планете. Отсюда следует, что возникновение "первичного бульона" не случайность, а закономерность. На планете с оптимальной температурой, достаточным количеством воды и атмосферой, состоящей из самых распространенных во Вселенной газов, "первичный бульон" должен был возникать в 100 случаях из 100.

На этом заканчивается 1-й этап химической эволюции. Следующая фаза образования полимеров, поскольку аминокислоты, жирные кислоты, сахара и азотистые основания это еще не жизнь.

Второй этап образования быаючы нуклеозид и фосфат, можно получить нуклеотид.

Для первичной Земли такая последовательность событий вполне вероятно. Первым, кто обратил на это внимание, был английский физик Дж. Бернал. По его мнению, морские лагуны, периодически пересыхают, могли быть идеальным местом для образования больших молекул. Влияние солнечного излучения на органический материал, адсорбированный на илистом дне лагун, приводил к его дегидратации. Полимеры, которые возникали при этом, смывались затем водой в океан. Подобные реакции могли происходить вдоль всей прибрежной полосы.

Одна из самых удачных моделей этого этапа принадлежит С. Фоксу, который в результате нагревания смеси сухих аминокислот получил полипептиды разной длины. Они получили название "протеиноидов", то есть предшественников белков. Полученные полипептиды можно было потом растворять в воде при этом они оставались стабильными. В одном из экспериментов Фокс вместо колбы использовал выдолбленный кусок вулканической лавы. Выход пептидов при этом достигал 40% от исходного количества аминокислот. По мнению Фокса, центрами возникновения жизни на этом этапе были горячие, сухие вулканические районы, которые в то время на Земле было много. Горячие склоны вулканов покрывались коркой органических веществ; дождь смывал пептиды, которые образовывались, в океан. Вряд ли первичный океан напоминал современный, если сравнивать глубины. Воды на первичной Земле было, скорее всего, мало, такой океан могла бы перебрести и курица. Именно незначительное количество воды обеспечила высокую концентрацию низкомолекулярных веществ в "первичном бульоне" и сделала вероятной их взаимодействие.

Если для образования простых органических веществ необходимы были достаточно мощные источники энергии, то для образования полимеров достаточно было простого нагревания. Однако для реакции полимеризации необходимые катализаторы. В клетке эту роль выполняют ферменты. Было высказано предположение, что катализаторами в процессе синтеза полимеров на первичной Земле могли быть поверхности минеральных глин. экспериментально было доказано, что раствор аминокислоты аланина в водной среде в присутствии особого вида глинозема и АТФ может давать полимерные цепочки полиаланину.

Таким образом на древней Земле могли образоваться полипептиды. Некоторые из них были, возможно, каталитически активными. Однако это могло и не иметь прямого отношения к возникновению жизни, поскольку полипептиды не имеют способности к самовоспроизведению, что является наиболее важным признаком живого. Это свойство является, как известно, в нуклеиновых кислот, которые способны к репликации.

Были попытки синтезировать нуклеиновые кислоты неферментативные способом. Исходным веществом для этого были высокоэнергетические фосфаты. Благодаря этим соединениям удалось получить полинуклеотиды даже при умеренных температурах. Некоторые реакции проводились при температуре 150-160 ° С, но полимеризация происходила даже при температуре 65 ° С.

Интересными оказались эксперименты, когда в среде, содержащей соли фосфорной кислоты (фосфаты) и рибонуклеотиды в высоких концентрациях, спонтанно синтезируются короткие полирибонуклеотиды. Также спонтанно, путем спаривания комплементарных оснований, могут образоваться РНК-копии. Обе эти реакции протекают без участия ферментов или других белков. Отсюда следовало, что РНК может проявлять собственную каталитическую активность, и подтвердил американский биохимик Т. Чек, который открыл в 1982 году. Каталитические свойства РНК.

Пока трудно установить, как могла возникнуть ДНК. Эта органическое вещество приспособлена лучше, чем РНК, к долгосрочного хранения информации. Во всяком случае известно, что отсутствие кислорода в 2-положении дезоксирибозы делает молекулу ДНК более устойчивой, в отличие от РНК, к гидролитического расщепления в слабощелочных водных растворах, а именно такие растворы были в первичных водоемах и сохранились в современных клетках. Кроме того, наличие двух комплементарных цепей ДНК обеспечивает процесс репликации и облегчает исправление ошибок, возникающих в

Загрузка...

Страницы: 1 2