•   Сделать стартовой   •   Добавить в избранное   •   Сегодня
Лекции  
Введение  
Тема 1  
Тема 2  
Тема 3  
Тема 4  
Тема 5  
Тема 6  
Тема 7  
Тема 8  
Тема 9  
Тема 10  
Тема 11  
Тема 12  
Тема 13  
Тема 14  

Скачать  
Введение  
Тема 1  
Тема 2  
Тема 3  
Тема 4  
Тема 5  
Тема 6  
Тема 7  
Тема 8  
Тема 9  
Тема 10  
Тема 11  
Тема 12  
Тема 13  
Тема 14  
  Добро пожаловать на наш информационный ресурс!  



Тема 10

Способность к эволюции - способность к обмену веществ и самовоспроизведению.

К настоящему моменту мы уже представляем, что начальный процесс возникновения жизни (а точнее, живой клетки!) необходимо разбить на два этапа "химической эволюции":
1 этап - синтез исходных органических соединений;
2 этап - формирование биополимеров, липидов, углеводородов.
Дальнейшее развитие должно идти по пути самосборки предшественников клетки: например, из липидов организуются оболочки (мембранного типа) и перегородки клеток.
Существует пока еще не решенная проблема: каким образом происходила самоорганизация неравновесной химической системы. Образовавшиеся путем самосборки агрегаты имеют общие черты с клетками, их все же нельзя считать "живыми", - нет генетической информации

Вторая проблема - как из хаоса получить порядок?
Решение даст ответ на вопрос о переходе с этапа химической эволюции к биохимическому этапу.
В нашем распоряжении есть только результат - живая клетка. Поэтому перед учеными стоит очень непростая задача - по результату восстановить ход эволюции.

Напомним самые общие сведения о клетках.
Самые простые - прокариотические клетки - безъядерные клетки.

Микоплазменная клетка имеет размеры 0.1-0.25 мкм.

В цитоплазме находятся молекулы ДНК, рибосомы и различные включения в виде гранул липидов и других веществ.

Однако прокариотические клетки - это уже одноклеточные организмы, например, бактерии и сине-зеленые водоросли.

Более сложные - эукариотические (ядерные) клетки

1 - Мембрана - регулирует обмен различными веществами между клеткой и внешней средой.
2 - Цитоплазматический матрикс - водная фаза с белковыми макромолекулами: - ядро, митохондрии, рибосомы и др.
3 - Ядерная мембрана - отделяет ядро от цитоплазмы.
4 - Ядро - содержит одно или два ядрышка, состоящих из РНК.
5 - Ядрышко
6 - Хромосомы - в ядре (палочки, нити, петли). Количество хромосом в клетках постоянно. В хромосоме - молекула ДНК
7 - Рибосомы - состоят из белка и РНК. На рибосомах происходит синтез белка.
8 - Митохондрии - структуры в виде палочек, нитей или гранул. В них питательные вещества окисляются, а высвобождаемая при этом энергия запасается в АТФ (аденозин-трифосфат).
9 - Лизосомы.
В растительных клетках - органеллы - хлоропласты, в которых содержится хлорофилл.


Недавно ученым удалось получить трехмерную фотографию клетки.

Здесь показана полная электронная томограмма дрожжевой клетки: плазменная мембрана, микротрубочки и светлые вакуоли (зелёный цвет), ядро, тёмные вакуоли и тёмные везикулы (золотой), митохондрия и крупные темные везикулы (голубой), а также светлые везикулы (розовый) (иллюстрация Johanna Hoog).

Возникает естественный вопрос: как можно построить такую сложную конструкцию- клетку? Могла ли природа случайным образом "слепить" клетку?
Естественно, надо начинать с постройки минимальной конструкции.
Минимальный размер клетки (из известных на сегодня) составляет ~1000 ангстрем; ученые считают, что теоретически возможный минимальный размер должен превышать 500 ангстрем. Но даже в такой клетке содержится 1.5 млн. атомов. Случайным образом осуществление такой постройки маловероятно (вероятность примерно такая же, как в случае, если ураган пронесется над огромной свалкой мусора, а затем из набранных деталей соберет новенький самолет "Боинг-747").
Но вспомним, что Природа в процессе химической эволюции уже синтезировала сложные химические соединения, т.е. нет необходимости строить здание из кирпичиков, можно собирать постройку из готовых блоков.

Вспомним, из чего состоит клетка?

В ней более 70 элементов, но лишь 10 из них (кислород, углерод, водород, азот, кальций, фосфор, кремний, сера, натрий, хлор) встречаются в большом количестве.
Вода - 70% массы протоплазмы. Вода уже была на Земле, поэтому создавать ее из атомов специально для клетки нет необходимости.
Основные органические соединения клетки - углеводы, липиды, белки, нуклеиновые кислоты и стероиды.
Углеводы (углеводороды) - соединения углерода, водорода и кислорода с общей формулой Cn(H2O)n. К углеводам относятся, например, моносахариды и полисахариды (С6Н10О5)n).
Моносахариды - группа содержит рибозу и дезоксирибозу - сахара, входящие в состав мономеров нуклеиновых кислот РНК и ДНК. Сюда же относятся глюкоза (виноградный сахар) и фруктоза. Главными углеводами протоплазмы являются глюкоза (у животных), и крахмал (у растений)
Полисахариды - целлюлоза и клетчатка - содержат около 50% всего углерода биосферы.
Липиды - соединения, получающиеся из высших жирных кислот и глицерина. Например, стеарин получается в результате реакции между глицерином и стеариновой кислотой:
C3H5(OH)3 + 3C17H35COOH -> (C17H35COO)3C3H5 + 3H2O
Белки - наиболее сложные химические соединения в клетках. Они построены из аминокислот. Молекула белка, по сути, неопределенно длинная цепь аминокислот.
Белки - это строительный материал живых клеток. . Очень важно также напомнить, что белки выступают и в качестве биологических катализаторов - ферментов.
Нуклеиновые кислоты - помимо углеводов, содержат кислород, водород, азот и фосфор. В клетках находятся дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая кислоты (ДНК и РНК). ДНК и РНК являются носителями генетической информации.

Теперь снова вернемся к вопросу: можно ли в эксперименте получить соединения, из которых состоит клетка, чтобы потом решить, были ли на Земле подходящие условия для синтеза таких соединений?
Начнем с основного материала, с белков. Белки состоят из 20 аминокислот, и все эти аминокислоты могут быть синтезированы небиологическим путем. В чем же разница между "искусственным" полимером - полипептидом и "клеточным" полимером - белком? Оказалось, что разница наблюдается всего лишь в различном "расположении" аминокислот. Образно говоря, белки - это красивое архитектурное сооружение, а "искусственный" полимер - это сарай.

Соблюдение определенной последовательности в пространственном расположении аминокислот при построении молекулы белка создают трудности для современной науки. В белковой молекуле - около 100 аминокислотных остатков, т.е. при построении белка возможно использовать 20100 вариантов различных комбинаций мономеров. Однако живая природа использует всего 202 различных сочетаний. Почему? Пока этот факт является для ученых загадкой.
Вывод - до сих пор опытным путем не удалось правильно уложить аминокислотные остатки и синтезировать белок.
Синтез углеводов - крахмал и сахар легко поддаются небиологическому синтезу, т.е. эти соединения могли быть получены в процессе химической эволюции.
Липиды (или жиры) - также могут быть синтезированы небиологическим путем.
Нуклеиновые кислоты - ДНК и РНК. Ученым удалось синтезировать полимеры, но не удается получить нужное "архитектурное" сооружение. Возникающие трудности очень схожи с теми, что мы имеем в случае белков.
 

Вывод: получить до-биологическим путем сразу простейшую клетку очень сложно. Поэтому естественно возникает предположение о существовании доклеточной стадии.
В настоящее время мы понимаем, что синтез белков происходит в соответствии с информацией, заложенной в ДНК. Но ДНК не может функционировать без ферментов, т.е. без белков. Получаем замкнутый круг - для синтеза белков нам необходимы...белки. Спрашивается, что появилось раньше? Иными словами, проблема происхождения жизни упирается в классический вопрос: что первично - курица или яйцо?
Итог: проблема происхождения жизни получила бы завершённость и могла бы перейти в разряд экспериментально проверяемых научных теорий, если бы удалось небиологическим путём синтезировать вещество, способное к самокопированию. В результате эволюционного изменения такого вещества могла появиться молекула ДНК

Учеными была выдвинута гипотеза - в начале начал лежит не ДНК, не белок, а РНК.
Такая гипотеза базируется на обнаруженной способности некоторых РНК действовать как катализаторы (ферменты), т.е. заменить в этом смысле белки. Кроме того, для молекулы РНК вполне вероятно ее самовоспроизведение. Таким образом, РНК могла бы быть одновременно и геном, и катализатором его репликации.

Поэтому ученые предложили рассматривать "Мир РНК". Основные стадии эволюции этого мира:

  1. Первичные организмы состояли из простых самовоспроизводящихся молекул РНК ;
  2. РНК приобрели способность к синтезу белков, что позволило им увеличить скорость репликации ;
  3. Произошел синтез липидов, которые сформировали мембрану
  4. возникновение клетки ;
  5. Передача функции носителя генетической информации двухцепочечным молекулам ДНК, как более надежным.
Но остается нерешенным вопрос: каким образом возникли первые РНК? Искусственно синтезировать РНК и составляющие их нуклеотиды довольно трудно даже в оптимальных условиях добиологического синтеза.
Сегодня выдвигаются гипотезы, в которых признается, что изначально существовало какое-то более простое сравнительно с РНК и, может быть, вовсе на нее не похожее химическое соединение, "подготовившее почву" для мира РНК.

Говоря о сложных и нерешенных вопросах, связанных возникновением первых клеток, необходимо еще остановиться на проблеме, обусловленной асимметрией живых организмов.

"Жизнь, каковой она предстает перед нами
является функцией асимметрии Вселенной
 и следствий этого факта".
Луи Пастер
Напомним несколько определений:
  1. Свойство объекта не совпадать со своим зеркальным отображением называется хиральностью.
  2. Понятие правого и левого объектов (резьба болта, рука человека)
    Объекты, совпадающие со своим зеркальным отображением, называют зеркально симметричными, или ахиральными.

Подчеркнем, что не только предметы, но и процессы, например химические реакции, могут проявлять зеркальную асимметрию. Наш обычный опыт говорит, что человек обладает структурной хиральностью: сердце у него находится слева, а печень - справа. Кроме того, у человека имеется и функциональная хиральность: люди делятся на правшей и левшей.
 

Луи Пастер (1848) впервые внимание на то, что и молекулы обладают хиральностью.

Например, существует два типа кристаллов соли винной кислоты, каждый из которых является зеркальным отображением другого. Если приготовить растворы из этих кристаллов, то оказывается, что один из растворов вращает плоскость поляризации света по часовой стрелке, а другой - в обратном направлении. Пастер предположил, что существует два вида молекул соли - так называемые "правые" и "левые" изомеры.
Пастер обнаружил, что живые организмы не обладают зеркальной симметрией: в них преобладают либо правые (D- Dextro), либо левые (L- Levo) молекулы-изомеры.
Действительно, напомним, что белки состоят из 20 аминокислот, и для всех этих аминокислот (за исключением глицина) существуют L- и D- изомеры. Однако почти все белки построены  из L- аминокислот (за исключением специальных пептидов).
(Не надо думать, что изомеры очень трудно различить. Например, лимонен обладает изомерами с различным запахом: один из изомеров пахнет лимоном, другой - апельсином).
В нуклеиновых кислотах присутствует только правый изомер сахара и поэтому, как правило, ДНК и РНК образуют правую спираль.
Надо отметить, что существование изомеров не очень ожидаемо. Действительно, все химические реакции по существу являются результатом электромагнитных взаимодействий атомов. Для электромагнитных сил характерна симметрия (электромагнитные силы сохраняют четность), поэтому на первый взгляд можно ожидать, что в природе должно быть равные количества L- и D- изомеров.
В то же время мы понимаем, что Вселенная является несимметричной на всех уровнях - от субатомного до макроскопического. Каковы причины этого явления?

Вспомним, что во Вселенной действует всего четыре вида сил (взаимодействий):
1. Гравитационные - сохраняют четность;
2. Электромагнитные (отвечают за обычные химические реакции) - сохраняют четность;
3. Сильные ядерные (удерживают части ядра вместе с помощью глюонов) - сохраняют четность;
4. Слабые ядерные - не сохраняют четность (примером может служить испускание b-лучей при радиоактивном распаде, при котором число левых электронов намного превосходит число правых).
Теоретические расчеты показывают, что и молекулы должны становиться ахиральными из-за учета асимметричных сил, действующих на атомном уровне: L- аминокислоты должны количественно превосходить D- аминокислоты в соотношении 1:10-17. Такое бесконечно малое различие объясняет, почему в лабораторных условиях оптические L- и D-изомеры получают практически в равных количествах.
Ранее мы отмечали различные уровни организации окружающего мира, начиная с уровня элементарных частиц. Уже первый уровень зеркально асимметричен, и асимметричность элементарных частиц приводит к тому, что все атомы тоже становятся ахиральными.

Рассмотрим теперь вопрос о том, почему в живой природе ахиральность проявляется в столь существенном масштабе. На каком этапе химической эволюции от неживого к живому появилась и закрепилась хиральная "частота" биомолекул.
Зеркально симметричные химические реакции могут приводить к образованию неравных количеств L- и D- аминокислот благодаря явлению, которое называют спонтанным нарушением симметрии.
Спонтанное нарушение симметрии - это механизм, в результате которого система "спонтанно", самопроизвольно, переходит из симметричного состояния в асимметричное.
Этот рисунок показывает, что при наличии автокаталитических реакций может происходить синтез изомеров только какого-то одного типа .
Таким образом, была предложена модель, описывающая асимметрию живых организмов. В этой модели предполагалось, что каждый вид способен к самовоспроизведению и что присутствие одного из них уменьшает скорость роста популяции другого. Иными словами, происходит "межвидовая борьба" за существование.
Рассматривалось 4 различных варианта.

Первая клетка образована сразу из L-аминокислот (маловероятный вариант). затем она побеждает в борьбе.

Первая клетка образуется с небольшим избытком L-аминокислот и затем происходит эволюционный отбор


Первые клетки образуются одновременно с избытком L- и D- аминокислот,а затем происходит межвидовая борьба


Спонтанное нарушение симметрии приводит сразу к тому, что выживают во всех местах только L-аминокислоты

Очевидно, что ключевые вопросы о происхождении гомохиральности жизни остаются без ответа, равно как и вопросы о происхождении зеркальной асимметрии на макроскопическом уровне.

 

Подведем некоторые итоги. Моделирование добиологической эволюции:
 

1. Случайная самоорганизация хаоса с возникновением необратимой эволюции практически нереализуема.
2. Системы должны быть открытыми, находиться в состояниях, далеких от равновесных, чтобы была возможность осуществления самоорганизации.
3. Самоорганизация и отбор сложных органических макромолекул возможны, если абиогенная (химическая) молекулярная система характеризуется метаболизмом, самовоспроизведением и мутабельностью.
Метаболизм означает, что система открыта и в ней происходят полимеризация и распад полимеров. Метаболизм осуществляется за счет притока вещества, обладающегоизбыточной свободной энергией (в частности, это нуклеозидтрифосфаты, например, АТФ).
Самовоспроизведение - матричное копирование полимера означает автокаталитический процесс.
Мутагенез - необходим для создания новой информации.

4. Молекулярная система определенное время способна существовать в стационарном состоянии (условие сохранения постоянной организации или условие постоянных потоков). Эти условия определяются условиями окружающей среды.
5. Такая система может быть названа "дарвиновской", поскольку происходит отбор и самосовершенствование. "Выживают" молекулы, обладающие наибольшей селективной ценностью (быстрее других реплицируются и эффективнее используют поступающие в систему вещества и энергию). Такие молекулы называются "главными копиями". Очередной шаг в развитии наступает в результате мутаций, приводящих к созданию новых "главных копий".
6. Химическая эволюция развивалась в локальных системах (каоцерватах, микросферах, порах глинистых материалов), которые образовали химические микрореакторы. В ходе конкуренции этих микрореакторов возникал "молекулярный язык", приводящий к созданию генетического кода.

Спасибо за Ваше внимание. А теперь отдохните:

  Наверх

Дополнительные материалы  

Тема 10

"Зеркальная асимметрия Вселенной" - Р.А.Хегстрём, Д.К.Кондепуди.

"СВЕТ ДАЛЕКИХ ЗВЕЗД И ЖИЗНЬ НА ЗЕМЛЕ" ("Наука и жизнь", №6, 2000).

 


kaplya@softhome.net