Головна

Добіологічних етап еволюції

  1. Квиток № 19 Різновиди мутацій. Мутації - матеріал еволюції.
  2. Квиток № 20 Молекулярні годинник еволюції. геном людини
  3. Квиток № 22 Проблема теорії еволюції. Системи Аристотеля, Ліннея, Ламарка
  4. Квиток № 23 Теорія Дарвіна. Синтетична теорія еволюції
  5. Квиток № 24 Системна теорія еволюції, поняття еволюції в синергетики
  6. Біфуркації при еволюції складних систем.
  7. В еволюції органів

Загальновизнано, що Земля виникла як оформлена планета 4,6 млрд. Років тому. Оскільки свідчення, що дозволяють однозначно судити про стан її поверхні і газовому складі атмосфери, нечисленні, всі наступні оцінки і можлива послідовність і характер етапів добіологіческой еволюції носять гіпотетичний характер.

Найбільш ймовірно, що всі основні складові атмосфери та гідросфери Землі до моменту її формування перебували в складі твердих речовин кори і мантії. Тому формування атмосфери та гідросфери відбувалося в ході дегазації магми, Яка надходила на поверхню Землі в результаті вулканічних процесів з верхньої мантії і формувала кору. Аналіз газових включень найдавніших кварцових порід віку більше 4 млрд. Років показав, що склад газів в них відповідає складу сучасних вулканічних газів. Останні на 75% складаються з води, 15% становить вуглекислий газ, а решта 10% припадають на метан, аміак, сірководень і двоокис сірки, пари кислот галогенового ряду (HCl, HF, HBr, HJ), а також благородні гази. Кисень в цій суміші абсолютно відсутня.

Атмосфера первинної Землі була досить тонкою і особливості теплообміну її поверхні, що нагрівається Сонцем, з міжпланетним простором повинні були підтримувати температуру близько + 15? С. При такій температурі водяна пара зі складу вулканічних газів конденсировался і формував гідросферу. Період термодинамічної рівноваги підтримувався за рахунок поглинання частини газів формується океаном, атмосфера залишалася тонкої і накопичення рідкої води при сталості температури призвело до формування гідросфери Землі. Накопичення води в гідросфері, перш за все - в океанах, відбувалося поступово і триває, поступово сповільняться, до теперішнього часу. Перші осадові породи, які можуть формуватися тільки при наявності водойм, виникли близько 4 млрд. Років тому і визначають нижню межу архейської ери. Саме ці породи - індикатори розпочатого процесу освіти гідросфери. Процес накопичення води завершиться з припиненням вулканічної активності, яка супроводжує процес гравітаційної диференціації надр Землі - опускання заліза в напрямку ядра і підняття більш легких алюмосиликатов до поверхні, що супроводжується виділенням великої кількості теплової енергії. Розрахунки показують, що цей процес повністю завершиться через півтора мільярда років.

В умовах первинної Землі при наявності вихідних простих з'єднань і стабільних джерел енергії у вигляді ультрафіолету і електричних розрядів (блискавки) могли йти процеси синтезу органічних сполук. Це було підтверджено в 1953 році в експериментах С. Мюллера, в яких при пропущенні електричних розрядів через суміш газів і водяної пари, що імітує складу первинної атмосфери, були отримані органічні сполуки, в тому числі і деякі амінокислоти. Виникало лише одна перешкода - в модельних експериментах завжди виходили рацемічні суміші право - і левовращающііх оптичних ізомерів, а в живих організмах завжди присутні тільки левовращающіе амінокислоти і правообертальні цукру.

Дослідження містяться в метеоритах слідів органічних молекул також не знайшло ознак асиметрії - у всіх випадках органічні сполуки, в тому числі амінокислоти і короткі пептидні ланцюжка представляли собою рацемічні комплекси. Таким чином, джерела космічної органіки також не могли дати відповідь про причини вибірковості живих об'єктів щодо оптичних ізомерів.

Тільки недавно намітилися деякі перспективи виходу з цього протиріччя. Одна з левовращающіх амінокислот - серин - виявила б?льшую здатність до утворення зв'язків з подібними молекулами в порівнянні з правовращающей формою, що вказує на можливу селективність процесів полімеризації щодо з'єднання однотипних оптичних ізомерів (принцип хіральної чистоти).

Наступний етап ускладнення хімічних з'єднань - утворення біополімерів - білків і полінуклеотидів. Принципова можливість такого синтезу також була продемонстрована в ряді модельних експериментів. Зокрема, співробітниками дослідницького центру НАСА був реалізований синтез коротких пептидних ланцюжків з амінокислот на субстратах у вигляді звичайної глини, що представляє природні алюмосилікати з надзвичайно розвиненою на молекулярному рівні внутрішньої поверхнею, що має шарувату структуру. Просочення субстрату розчинами амінокислот, при неодноразовому чергуванні процедури нагрівання, підсушування і просочення, привела до появи в глині ??пептидних фрагментів з 40 - 50 амінокислотних ланок.

Слід підкреслити, що подібні реакції синтезу органіки з простих неорганічних попередників могли дати результат тільки при практичній відсутності вільного кисню, що мабуть було характерно для атмосфери первинної Землі.

Цими фактами, по суті, обмежуються докази можливості абіогенного синтезу органіки, на основі якої могли йти процеси подальшого ускладнення структур, що передують виникненню перших організмів. Наступне принципове утруднення зводиться до того, що два головні компоненти живого - білки як структурна основа і носії ферментативної активності, а також полінуклеотіди як носії програми розвитку і функціонування в живому організмі представляють нерозривну єдність. Білки не здатні до реплікації, а полінуклеотіди не можуть без участі білків реалізувати власну реплікацію. Отже, первинними елементами живого повинні були бути з'єднання, що поєднують в собі здатність до реплікації і ферментативну активність, цю реплікацію забезпечує.

На цю роль була запропонована РНК, дослідження якої виявили у деяких її різновидів ознаки ферментативної активності. РНК, що входить до складу рибосом, каталізує збірку білків на основі інформації, що містяться в інформаційній РНК. Інші різновиди РНК, в тому числі отриманої в експериментах, здатні розривати зв'язку між нуклеотидами РНК, а також каталізувати збірку коротких, до 14 ланок, полінуклеотидних фрагментів. Цей клас РНК отримав назву рибозими. Однак отримати в експериментах рибозими, що забезпечують складання власних повноцінних молекул РНК, до теперішнього часу не вдалося. Оцінка ступеня складності цих процесів призводить дослідників до думки про те, що можливо попередником РНК була якась простіша молекула. Одна з гіпотез пов'язує цей етап з наявністю з'єднань, які поєднали в своїй структурі елементи білків і нуклеотидів - пептидо-нуклеїнових кислот.

Інший підхід до проблеми формування структур і процесів, що передують виникненню живих організмів, пов'язує виникнення живого не з виникненням носіїв інформації (репликатора), де метаболізм виникає вдруге, а з розвитком і ускладненням метаболізму як первинного процесу, який несе «на собі» всю інформацію про послідовності і структурі. У цьому варіанті інформаційні носії виникають на наступному етапі, а основою служить виникнення і послідовне ускладнення циклічних реакцій малих молекул.

Головна проблема полягає в тому, що навіть отримання шляхом хімічних реакцій всіх основних компонентів клітини не вирішує питання про їх об'єднання в живу клітину. На шляху хімічного моделювання життя не вдасться отримати нове, біологічне якість, в рамках хімічного підходу походження життя є принципово нерозв'язною проблемою. Необхідний методологічний підхід, здатний подолати цей хіміко-біологічний бар'єр.

Теоретичну основу концепцій, що дозволяють сформувати основні принципи і механізми переходу від хімічної до біологічної формі руху матерії, склала нерівноважна термодинаміка І. Пригожина.

Об'єктами дослідження класичної термодинаміки 19 століття були, перш за все замкнуті системи, в яких сумарна енергія зберігається постійною, а ентропія, Як міра невпорядкованості (хаосу) всередині них, необоротно зростає до тих пір, поки система не стає максимально простий і однорідною. У таких системах виникнення більш складних структур на базі простих виявляється принципово неможливим.

Класична термодинаміка розглядала в основному стан системи, близьке до рівноваги, а нерівноважні системи відносила до винятків з правил. В даний час швидше замкнуті системи розглядаються як виняток. У той же час виявилося, що саме в відкритих системах, які обмінюються енергією з навколишнім середовищем, які в силу випадкових коливань сильно відхилилися від рівноважного стану, можуть виникати структури такого рівня складності, що вони виявляють здатність до впорядкованої організації і, головне - переходу до самоорганізації. Отже, все концепції виникнення систем, що самоорганізуються, в тій чи іншій мірі намагаються знайти підходи до виникнення життя, можуть діяти тільки в рамках нерівноважної термодинаміки Пригожина.

Розгляд сутності живого і проблеми походження життя з позицій системного підходу робилося вченими різних напрямків. У відомій книзі «Що таке життя з точки зору фізика?» Е. Шредінгер визначає життя як систему, робота якої забезпечує зниження власної ентропії за рахунок підвищення ентропії навколишнього середовища, що підтримується постійним витяганням енергії ззовні.

Аналіз динаміки системи нуклеїнових кислот з позицій теорії інформації привів Г. Кастлера до висновку про те, що виникнення нової інформації можливо тільки тоді, коли в системі відбувається випадковий вибір і потім - запам'ятовування його результатів. Цілеспрямований відбір кращого варіанту не має таку здатність - він лише витягує з системи інформацію, закладену в ній спочатку.

Один з родоначальників кібернетики Дж. Фон Нейман в роботах про самовідтворюються автоматах встановив, що здатність до самовідтворення залежить від складності організації. До певного рівня складності вона вироджується, тобто автомат здатний відтворювати тільки простіші автомати. Але, починаючи з певного рівня, ця складність зберігає «батьківський» рівень і може навіть зростати.

Однією з найбільш детально розроблених концепцій, що самоорганізуються стосовно до процесів формування макромолекул є гіпотеза гіперциклів (Нелінійних автокаталитических ланцюгів) М. Ейгена. Основою освіти упорядкованих макромолекул служать процеси матричної репродукції і природного відбору (ЕО). Важливо відзначити, що ці процеси відбуваються на рівні хімічних реакцій, а не живих організмів.

Рис.2.1. Етапи формування гіперциклів Ейгена (Єськов, 2001)

Першим рівнем каталітичних реакцій є реакційні цикли. Прикладом такого циклу служить цикл Кребса (цикл лимонної кислоти) - один з етапів клітинного дихання, в якому відбувається каталітичне перетворення ацетил-коферменту a в дві молекули діоксиду вуглецю і вісім атомів водню. У всіх реакціях такого типу відбувається перетворення багатого енергією вихідного продукту в кінцеві бідні енергією речовини при циклічному відтворенні проміжних продуктів (Рис.2.1., Верхній ряд).

Другий рівень реакцій такого типу - каталітичні цикли. У таких реакціях проміжні продукти є каталізаторами для будь-якої наступної реакції. Кожен такий проміжний продукт утворюється з продукту, багатого енергією, за допомогою каталітичного взаємодії з проміжним продуктом попереднього етапу. Каталітичний цикл, отже, являє собою в цілому автокатализаторов (Рис.2.1., Середній ряд). Прикладом такої самовідтворюється системи є двуцепочечной ДНК.

Третій, найвищий рівень реакцій виникає при з'єднанні каталітичних циклів в циклічну послідовність більш високого рівня. Його елементи (автокатализаторов) не тільки забезпечують власне відтворення, а й відтворення з багатого енергією субстрату подальшого проміжного продукту іншого автокаталитического циклу. Цей рівень - каталітичний гіперциклу - має властивості, які властиві об'єктам біологічного рівня (Рис.2.1., нижній ряд). Найпростішим представником систем цього класу є процес інфекції клітини РНК-фагом.

Гіперциклу здатний до конкуренції з іншими самовідтворюючому циклами, які не включені в нього, а також з іншими гіперциклу, якщо не утворює з ними автокаталитически об'єднання більш високого порядку. Отже, залишаючись системою реакцій хімічного рівня, гіперциклу здатний подолати той поріг складності, починаючи з якого подібно до автомату Дж. Фон Неймана може не тільки відтворювати системи однаковою з ним складності, але і цю складність підвищувати, інтегруючи елементи вихідного рівня.

Ієрархія каталітичних циклів трьох рівнів і принципова відмінність гіперциклу від циклів нижніх рівнів відображена на малюнку 10 (Ейген, 1982)

Подальше підвищення рівня інтеграції на певному етапі могло привести до появи систем типу найпростіших живих організмів, в конкуренції з якими гіперциклу міг поступитися їм місцем.

Серед гіпотез, що виходять з системного принципу розгляду походження життя, дещо інший підхід використовується в моделі А. С. Раутіан. Вона заснована на існуванні на Землі ще до появи на ній життя геохімічних циклів, Які виникають з причини конвекційних процесів в атмосфері і гідросфері під впливом температурного градієнта між нагрівається Сонцем поверхнею і навколишнім Землю Космосом. У ці циклічні процеси перенесення речовини втягується і матеріал твердої поверхні. За характером активності глобальний цикл схожий на біосферу, а окремі цикли - на екосистеми. Добові коливання надходження сонячної енергії - єдиного її джерела - викликають зміни інтенсивності кругообігу в циклах, що в свою чергу могло викликати свого роду селекцію серед них на стабільність. Ця стабільність може забезпечуватися двома шляхами - за рахунок вирівнювання енергії в світловий і темновой фазах циклу шляхом її акумулювання, а також за рахунок прискорення обороту включених в цикл компонентів. Другий шлях залежить від ефективності каталітичних систем, що забезпечують це прискорення. Оскільки високомолекулярні сполуки вуглецю мають досить ефективними в енергетичному відношенні каталітичні властивості, їх включення в геохімічні цикли, безумовно, повинно було підвищувати стабільність останніх і тим самим забезпечувати їм певні селективні переваги. Таким чином, стабілізуюча геохімічні цикли роль органічних каталізаторів могла бути схожою з роллю живих організмів, а самі каталітичні системи - виконувати функції останніх в свого роду «протобіосфере».

Теоретичні побудови, засновані на системному підході і принципах нерівноважноїтермодинаміки І. Пригожина, відкривають нові можливості для розкриття проблеми походження життя. Однак величезні труднощі моделювання цих процесів і відсутність точних знань про умови, в яких вони протікали, призводять до висновку, що вирішення цієї проблеми не є справою найближчого майбутнього.

В даний час з'явився ряд моделей, на основі яких обговорюється можливість синтезу органічних сполук в процесі утворення планет і навіть виникнення первинних форми життя в цей період. Такі сценарії виникнення життя знімають тимчасові обмеження на процеси добіологіческой еволюції, що виникають у разі, якщо початок цих процесів відносити до часу завершення всіх геологічних процесів формування Землі як планети.

виникнення життя | Виникнення і перші етапи еволюції життя

© 2016-2022  um.co.ua - учбові матеріали та реферати