С. Кашницкий Синтез судьбы? Превращение неживой материи в живую - совсем...

С. Кашницкий

Синтез судьбы?

Превращение неживой материи в живую - совсем не безнадежный бред средневековых алхимиков. Человек произошел вовсе не от животного. Homo Sapiens не венец природы, как мы привыкли думать, а такое же ее начало, как одноклеточные. Наша планета с древнейших времен была своеобразным Ноевым ковчегом, в котором проживали "прототипы" всех живых существ - "каждой твари". А гриппом нас может заражать космос. А человеческая цивилизация способна заселять планеты далеких звездных миров примерно так же, как некогда из просторов Вселенной на Землю была доставлена жизнь.

Еще? Пожалуйста.

Гомункул - выращенный в "колбе" наш собрат по разуму - не только имеет полное право на существование, но и готов стать полпредом человечества на космической целине.

Казалось бы, продолжая перечень сенсационных утверждений, мы придем к Волге, впадающей отнюдь не в Каспийское море. Однако все сказанное выше следствие строгой научной гипотезы, подтвержденной многочисленными опытами. Производятся они в астрофизическом отделе Физико-технического института имени А.Ф.Иоффе АН СССР под руководством старшего научного сотрудника кандидата физико-математических наук Евгения Алексеевича Каймакова.

Почтальоны жизни.

Эти небольшие небесные тела с огромными сияющими хвостами исстари наводили на людей суеверный страх. Их начали наблюдать в телескопы, научились предсказывать появление многих из них на небосклоне. Но в отличие от планет, больших спутников и астероидов с кометами не связывали развитие жизни. Какая там жизнь - ведь больше чем наполовину они состоят изо льда!

Немалую часть жизни астрофизик Каймаков посвятил космическим странницам, а семь лет назад [от 1981 года] высказал предположение: в кометных хвостах должны быть органические соединения, в первую очередь циан и ацетонитрил. Вскоре американские ученые нашли эти вещества в хвосте кометы Когоутека.

Интерес биофизиков к блуждающим светилам возрос: где цианистые соединения. Там очень вероятно появление аминокислот, элементарных "кирпичиков", из которых строится белок. Цианистый калий на свету - вот уже и аминокислота. В газопылевом облаке кометного хвоста содержатся метан и аммиак. Если пропустить грозовой электрический разряд через смесь этих газов и воды, получатся аминокислоты - такие опыты не раз успешно проделывали Миллер, Поннамперума и другие исследователи начала жизни. Сложные органические соединения в кометах! Значит, могут быть и нуклеотиды - такие же простейшие "кирпичики", только уже для цепочек ДНК. В спектрах излучения комет этих веществ не видно: они не столь летучи. Но, по предположению Каймакова, их количество может составить один процент от общей массы ядра. Не так уж мало: ведь ядро средней по размеру кометы - уже миллиард тонн.

Аминокислоты - значит белки; нуклеотиды - значит ДНК, сахара, жиры совсем не так далеко от того, что понимается под словом "жизнь". Понимается, конечно, биофизиками, а не философами. Если "компоненты жизни" есть в кометах, не могут ли хвостатые путешественницы быть разносчиками жизни?

Заманчиво было бы проверить предположение. Несколько лет назад Евгений Алексеевич приступил к экспериментальным проверкам. Поскольку пока невозможен полет к комете, пришлось сделать ее искусственно.

Заморожен раствор обычной поваренной соли. В вакуумной камере вода сублимирует, то есть испаряется, не переходя в жидкое состояние - как влага мокрого белья, которое сушат на морозе. В чашках с замерзшим раствором остается осадок: мелкозернистая соль "экстра". Микрокристаллики так малы, что рассмотреть их можно только в микроскоп. Заглянем: вот она, гранула, диаметр два микрона. Лед в вакууме испарился, а соль осталась, потому что ее летучесть в сто миллионов раз меньше, чем у воды.

Теперь то же самое с другим водным раствором, только вместо соли аминокислоты. Когда их достаточно много, в остатке снова "экстра", но не из поваренной соли, а из аминокислот. Если же концентрация мала, то сухой остаток изменяет свой вид. Никакой "экстры" больше нет - под микроскопом структура, похожая на мех песца. Вертикальные ворсинки "растут" очень густо: десять миллионов штук на квадратном сантиметре. Диаметр одной - два микрона, длина примерно 2 сантиметра. Взвесив осадок, Каймаков убедился, что остается пятая часть массы раствора. То есть ворсинки состоят не из одной примеси, но еще и льда. Выходит, сублимировала почему-то не вся вода - часть осталась в осадке. Что же произошло?

Стерженек, "запеленатый" аминокислотами, не смог быстро испариться. Вода, сублимируя, выходит по спирали - точно также она вытекает из ванны, образуя воронку. Вот почему ниточка примеси обмотала ледяной сердечник по спирали. Молекулы примеси выстроились "в затылок друг другу". Вот такая сублимационная конструкция! Субликон, как назвал ее ученый.

Белок - это как раз такая же молекулярная цепочка из различных аминокислот, всего их двадцать типов. Субликон и есть подобное построение молекул. Остается лишь соединить их или, как говорит Евгений Алексеевич, "сшить" молекулы. Тогда будет биополимер. Это исследователь сделал, направив на субликон пучок света. Получился биосубликон.

А вот другой очень похожий опыт. Замораживается и сублимирует малоконцентрированный раствор нуклеотидов. Как "сшитые" аминокислоты образуют искусственный белок, так соединенные светом нуклеотиды - цепочку ДНК. Она - паспорт и жизненная программа живого существа.

Третий, самый главный опыт: в воде растворены аминокислоты и нуклеотиды всех типов. Сублимация в вакууме, свет - биосубликон. Прообраз живой клетки: ведь в ее спирали содержаться "полуфабрикаты" и белка и ДНК. Причем периодические участки произвольно чередуются с непериодическими, что и дает бесконечное разнообразие информации.

В биосубликонах уже предусмотрена упорядоченность, свойственная биополимерам различных классов. Достаточно теперь поместить биосубликоны в питательную жидкую среду, считает ученый, и в нем появятся самые настоящие клетки. Они будут реагировать на размножение и делиться. То есть жить.

Английские физики Хойл и Вихрамасингхе обнаружили связь между прохождением Землей кометных хвостов и вспышками пандемий. Казалось бы, вот оно, научное подтверждение мистических прорицаний: неверный свет приносит неисчислимые беды.

Теперь можно жать вполне материальное объяснение зловещим небесным знамениям. Межзвездные скитальцы осыпают Землю биосубликонами, которые, размораживаясь в питательной среде земных водоемов, вызывают к жизни вирусы и фаги.

Не так ли точно кометы "заразили" 3.5 миллиарда лет назад Землю жизнью? Правда, буйство всего живого на нашей планете началось лишь 700-800 миллионов лет назад, то есть через 2.5 миллиарда лет после появления сине-зеленых водорослей. Чем объяснить такой разрыв?

Взяв на вооружение свою гипотезу, Каймаков предлагает свой ответ на вопрос. В ДНК конкретного биосубликона записан уже вероятный конечный результат эволюции, вся программа развития.

Иными словами, по древней земле могли рядом ползти два одинаковых с виду червя. Но один уже отработал свою генетическую программу - стал тем, кем ему суждено быть в ходе строительства биосубликона для той давней клетки, что начала эволюционировать и добралась до червяка. Другой еще только в пути, в его цепочке ДНК записано: "выйти в люди". То есть мы с вами, строго говоря, никогда не были ни рыбой, ни ящерицей [это уж точно - R], ни белкой ни обезьяной - только принимали на время их обличье.

Наша планета, получив "партию биосубликонов" с "кометным транспортом", сразу запаслась фондом всех будущих видов растений и животных. Она стала тем Ноевым ковчегом, где жили "предки" всей грядущей флоры и фауны.

Кстати, некоторые астрофизики уверены, что не все кометы очень уж строго проживают по месту прописки - в Солнечной системе. Честь из них может путешествовать от звезды к звезде. А если это так, мы можем усомниться не только в своем земном, но даже околосолнечном происхождении.

И опять наполняется новым смыслом давно отвергнутая идея древних: человек и животные имеют совершенно различные корни. Или, в терминах новой гипотезы, биосубликоны с разной длиной цепочек и порядком расположения "кирпичиков" - бусинок.

Но если кометы - переносчицы жизни, может, они и сейчас заселяют Землю новыми биосубликонами, из которых со временем разовьются новые формы жизни?

Вряд ли. Биосубликоны - это как бы мясные кубики для бульона. А на них жадно набрасываются уже развившиеся вирусы и фаги, объедая "пришельцев". Вирусов легко понять: устраняют конкурентов - не исключено, что потенциально более высоко организованных, чем мы с вами.

Мы в долгу у космоса. Наступает время людям заселять далекие миры. Хоть сегодня отправляй биосубликоны на соседние планеты - только подыщи условия для оживления.

Но ведь можно задать параметры этих условий, кибернетическая система сама будет искать их на новых местах жительства и лишь потом "разгружать рефрижераторы". Длительности многих человеческих жизней не хватит на полет даже к ближайшей звезде. Зато биосубликоны успешно долетят куда угодно. И разовьются на новой родине в те живые существа, которые лучше всего приживутся в неведомом мире. Переставляя бусинки в цепочке, ученые сумеют варьировать облик и свойства посланцев Земли. И даже наделять их нужными качествами.

Наконец, когда станет известен порядок следования нуклеотидов в ДНК человека, можно попытаться сконструировать биосубликон, оживающий в обычную женскую яйцеклетку. Так реализуется давняя мечта Аристотеля и Парацельса - искусственный человек. Наука, в давние времена осмеяв отцов гомункула, готова стать его матерью. Один из парадоксов познания.

А может, наши слабости и несовершенства тоже заданы нуклеотидами? Поменял местами бусинки - и сделал лучшего, чем я?

Хочется верить. Тем более, что наука позволяет.

Прокомментировать статью мы попросили одного из крупнейших советских астрофизиков - академика АН Таджикской ССР О.В.Добровольского.

Гипотезу о возможном отношении комет к зарождению жизни Е.А.Каймаков высказал, насколько мне известно, первый. О ее жизнеспособности говорит то, что ее сторонником является один из виднейших биохимиков мира Поннамперума, ответственный редактор научного журнала "происхождение жизни".

Было бы очень желательно продолжить опыты Каймакова. Это тем более важно, что делаются интересные логические заключения, указывающие путь длядальнейших выводов, но окончательное решение остается все-таки за экспериментом. Весьма вероятно, опыты могли бы помочь выяснению вопроса о происхождении жизни на Земле.

За тысячелетия до того, как начались первые «разборки» за патент на изобретения, люди занимались своеобразным плагиатом. В наше время изобретения и открытия делят на 89 классов, охватывающих все области техники и производства. А в «патентной библиотеке» природы есть «изобретения», относящиеся ко всем из них.

Учиться у природы

Человек научился всему что имеет, позаимствовав у природы множество оригинальных и необычных идей. Она создала свои творения с максимальной эффективностью. Их отличают безупречная точность и экономия ресурсов. По принципу работы крыльев насекомых созданы ветряные мельницы. Наблюдая, как паук плетет паутину, человек научился делать сети. А жители островов Тробриан до сих пор используют паутину гигантских лесных пауков как рыболовную снасть.

Люди переняли у животных такой прием охоты, как засада. Самый знаменитый хищник земной флоры – венерина мухоловка подсказала идею капкана. Греческие амфоры изготавливались в форме яйца, а первые тараны точно воспроизводили бараньи лбы. Рыба-прилипала дала идею изобретения клея. Первая бумага изготовлена китайцами из туевого дерева в ходе наблюдения за стенными осами. Они разжевывали дерево, перерабатывая его в материал для строительства своих гнезд.

Многие животные наделены природой удивительными способностями и возможностями. Изучение их уникальных свойств позволило научно-техническому прогрессу в ХХ веке сделать резкий рывок вперед. Организмы этих животных послужили образцами для высокоточных приборов, аппаратов и технологий. Заимствование и использование человеком в своих целях изобретений природы, ее идей получило название бионики.

Продолжение давних традиций

Бионика – это сознательное имитирование мудрых законов природы. За основу вентиляции высотных домов взят принцип работы этих систем в термитниках. Они послужили моделью для торгового центра «Истгейт» в Зимбабве. В нем прохладно даже в сорокаградусную жару. Слюнная железа клопа стала основой конструкции двигателей внутреннего сгорания. Только ее детали из хитина увеличили во много раз и заменили на металлические.

Репейник и застежка-«липучка» действуют по одному принципу

На создание акваланга Жак-Ива Кусто подтолкнуло наблюдение за жучком, тянувшим за собой в воду пузырек воздуха. На основе действия колючек репейника созданы липучки на куртках, обуви и многих других изделиях. Наблюдения за шимпанзе позволили выявить ряд лекарственных растений и применить их для лечения людей. Наши двухфокусные очки копируют принцип действия глаз четырехглазой рыбы. Ведь дальнозоркую верхнюю часть глаза эта рыба использует для наблюдения в воздухе, а нижнюю, близорукую – в воде.

Устройство уха тюленя подсказало идею изобретения гидрофона. Изучение быстроходных рыб послужило толчком к борьбе с турбулентностью воды при движении морских и речных судов и повысило их скорость. Не остался без внимания и способ реактивного передвижения кальмаров − на кораблях появились копирующие это явление механические водометы. Часто спасающий моряков автоматический предсказатель непогоды сделан на основе «инфрауха» медуз. Оказалось, что эхолокаторы летучих мышей имеют голографическую картинку, объемное изображение!

Благодаря исследованиям листьев лотоса создали самоочищающиеся покрытия. На основе принципа устройства оболочек голотурий (морских огурцов) созданы биомедицинские препараты. Медицинские шприцы копируют укус пчелы или осы. Жук-бомбардир подал идею бинарного оружия: два безвредных в отдельности химических соединения при реакции дают боевое отравляющее вещество. Изучение зубов животных привело к созданию самозатачивающихся инструментов. По подсказке природы сделаны парашюты и дельтапланы. Стрекозы дали идею вертолета.

Исследовались присоски гекконов и древесных лягушек, позволяющие им бегать по вертикальным поверхностям. Разлагающийся со временем изоляционный и упаковочный материал создан на основе принципа природной переработки отходов при помощи грибов вешенок. В фильтрах очистки воды собираются использовать белок аквапарин, содержащийся в мембранах клеток. Даже американский марсоход копирует механизм действия речных раков, способных пятиться назад.

Подарки гремучей змеи и лягушки

Змея наделена удивительным органом, при помощи которого видит тепловые (инфракрасные) лучи. Две ямки на голове дают ей потрясающую зоркость ночью. Змея способна увидеть на расстоянии 200 метров выползающую из норки полевую мышь и поймать ее. Разглядывая своеобразный портрет теплокровного животного, она улавливает разницу в тысячную долю градуса! Эта способность змеи была использована людьми при создании медицинских аппаратов и приборов ночного видения. Повысив точность «змеиного метода» до одной десятитысячной доли градуса, ученые создали потрясающую тепловизорную диагностику. На обработанных компьютером снимках сверхчувствительной аппаратуры видно все, что находится в недрах земли на несколько километров. Можно диагностировать здания и сооружения. Под домами, мостами, дорогами, трубопроводами четко видны разломы земной коры, карстовые пустоты и потоки грунтовых вод. Зная о них раньше, строители обошли бы стороной эти гиблые для сооружений места, и не было бы «загадочных» обрушений зданий.

Обыкновенная лягушка виртуозно ловит языком комаров и мошек. Исследования показали, что она имеет особую «систему оповещения», которая позволяет ей получать раздельную информацию о форме насекомого, расстоянии до него и четкости изображения. Лягушка быстро и точно определяет положение летящей мошки в пространстве. Молниеносно вылетает язык − и добыча оказывается в желудке. Лягушачий принцип раздельного видения изображения в 1970-х годах применили в электронных машинах для чтения рукописных текстов. Один узел «мозга» машины следил за формой знаков, второй – за их контрастностью. Этот же принцип лежит в основе работы современных сканеров.

Лягушка озёрная ( L.) ловит добычу

Муха впереди

Так нелюбимая нами муха дала плагиаторам от науки две идеи для подражания. На основе принципа работы ее органов – жужжальцев, назначение которых исследователи не могли понять несколько десятилетий, инженеры изготовили важнейший прибор – вибрационный гироскоп. Он высокочувствительно и мгновенно фиксирует любые изменения положения сверхзвуковых самолетов в пространстве и стал незаменимым в авиации.

Другую идею подсказали фасеточные глаза мухи, состоящие из особого сетчатого экрана. Их строение позволяет насекомому видеть не одно, а множество изображений какого-либо предмета. При движении наблюдаемый объект переходит из одного изображения в другое, что позволяет с большой точностью определить скорость его передвижения. Биологи изучили принцип устройства глаза мухи, а инженеры создали новый прибор. Его так и назвали − «Глаз мухи». С его помощью в навигационных службах и аэропортах определяют скорость полета современных авиалайнеров.

Самка слепня Tabanus lineola

Неудачи изобретателей

Сделанные человеком самые совершенные механизмы часто не могут сравниться с биологическими чудо-приборами живых существ. Многие их достижения все еще остаются для человека далекой мечтой. Ученые только пытаются «копировать» природные наноструктуры и использовать их в качестве оптических волноводов и светоотделителей. Паутина послужила прототипом кевлара – пуленепробиваемой «кожи». Наука и инженерная мысль так и не смогла скопировать и угнаться за даром сверхчувствительности «живых приборов», способных предсказывать погоду и катаклизмы.

Как известно, никто не в состоянии предсказать время одного из величайших бедствий – землетрясения. Однако некоторые рыбы-малютки чутко реагируют на сейсмические процессы. За 5-7 часов до землетрясения они начинают бешено метаться по аквариуму. В сейсмоопасных районах Земли они спасли тысячи жизней. Многие животные обладают даром предсказания долгосрочного прогноза погоды, на недели и месяцы вперед. Они «знают», каким будет паводок и места, которые попадут в зону затопления, будет лето сухим или дождливым, какие морозы ожидать зимой. Наблюдение за ними позволяет избежать многих бед и несчастий. Обычные золотые рыбки точнее лучших химических приборов определяют загрязнения в воде. Они замечают наличие ядовитых веществ даже в разбавленных в 10 раз, очищенных сточных водах. Исследование морфологических особенностей живых организмов дает ученым все новые идеи для технического конструирования. Действительно, тайники природы неисчерпаемы.

Белково-коацерватная теория Опарина

Пожалуй, первая научная, хорошо продуманная теория происхождения жизни абиогенным путем была предложена биохимиком А.И. Опариным еще в 20-х годах прошлого века. Теория базировалась на представлении, что все начиналось с белков, и на возможности в определенных условиях спонтанного химического синтеза мономеров белков - аминокислот - и белковоподобных полимеров (полипептидов) абиогенным путем. Публикация теории стимулировала многочисленные эксперименты в ряде лабораторий мира, показавшие реальность такого синтеза в искусственных условиях. Теория быстро стала общепринятой и необыкновенно популярной.

Основным ее постулатом было то, что спонтанно возникавшие в первичном "бульоне" белковоподобные соединения объединялись" в коацерватные капли - обособленные коллоидные системы (золи), плавающие в более разбавленном водном растворе. Это давало главную предпосылку возникновения организмов - обособление некой биохимической системы от окружающей среды, ее компартментализацию. Так как некоторые белковоподобные соединения коацерватных капель могли обладать каталитической активностью, то появлялась возможность прохождения биохимических реакций синтеза внутри капель - возникало подобие ассимиляции, а значит, роста коацервата с последующим его распадом на части - размножением. Ассимилирующий, растущий и размножающийся делением коацерват рассматривался как прообраз живой клетки (рис. 1).

Рис. 1. Схематическое представление пути происхождения жизни согласно белково-коацерватной теории А.И. Опарина

Все было хорошо продумано и научно обосновано в теории, кроме одной проблемы, на которую долго закрывали глаза почти все специалисты в области происхождения жизни. Если спонтанно, путем случайных безматричных синтезов в коацервате возникали единичные удачные конструкции белковых молекул (например, эффективные катализаторы, обеспечивающие преимущество данному коацервату в росте и размножении), то как они могли копироваться для распространения внутри коацервата, а тем более для передачи коацерватам-потомкам? Теория оказалась неспособной предложить решение проблемы точного воспроизведения - внутри коацервата и в поколениях - единичных, случайно появившихся эффективных белковых структур.

Мир РНК как предшественник современной жизни

Накопление знаний о генетическом коде, нуклеиновых кислотах и биосинтезе белков привело к утверждению принципиально новой идеи о ТОМ, что все начиналось вовсе не с белков, а с РНК. Нуклеиновые кислоты являются единственным типом биологических полимеров, макромолекулярная структура которых, благодаря принципу комплементарности при синтезе новых цепей, обеспечивает возможность копирования собственной линейной последовательности мономерных звеньев, другими словами, возможность воспроизведения (репликации) полимера, его микроструктуры. Поэтому только нуклеиновые кислоты, но не белки, могут быть генетическим материалом, то есть воспроизводимыми молекулами, повторяющими свою специфическую микроструктуру в поколениях.

По ряду соображений именно РНК, а не ДНК, могла представлять собой первичный генетический материал.

Во-первых, и в химическом синтезе, и в биохимических реакциях рибонуклеотиды предшествуют дезоксирибонуклеотидам; дезоксирибонуклеотиды - продукты модификации рибонуклеотидов.

Во-вторых, в самых древних, универсальных процессах жизненного метаболизма широко представлены именно рибонуклеотиды, а не дезоксирибонуклеотиды, включая основные энергетические носители типа рибонуклеозид-полифосфатов (АТФ и т.п.).

В-третьих, репликация РНК может происходить без какого бы то ни было участия ДНК, а механизм редупликации ДНК даже в современном живом мире требует обязательного участия РНК-затравки в инициации синтеза цепи ДНК.

В-четвертых, обладая всеми теми же матричными и генетическими функциями, что и ДНК, РНК способна также к выполнению ряда функций, присущих белкам, включая катализ химических реакций. Таким образом, имеются все основания рассматривать ДНК как более позднее эволюционное приобретение - как модификацию РНК, специализированную для выполнения функции воспроизведения и хранения уникальных копий генов в составе клеточного генома без непосредственного участия в биосинтезе белков.

После того как были открыты каталитически активные РНК, идея первичности РНК в происхождении жизни получила сильнейший толчок к развитию, и была сформулирована концепция самодостаточного мира РНК, предшествовавшего современной жизни. Возможная схема возникновения мира РНК представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схематическое представление пути происхождения жизни согласно современной концепции первичности мира РНК

Абиогенный синтез рибонуклеотидов и их ковалентное объединение в олигомеры и полимеры типа РНК могли происходить приблизительно в тех же условиях и в той же химической обстановке, что постулировались для образования аминокислот и полипептидов. Недавно А.Б. Четверин с сотрудниками (Институт белка РАН) экспериментально показали, что по крайней мере некоторые полирибонуклеотиды (РНК) в обычной водной среде способны к спонтанной рекомбинации, то есть обмену отрезками цепи, путем транс-эстерификации. Обмен коротких отрезков цепи на длинные, должен приводить к удлинению полирибонуклеотидов (РНК), а сама подобная рекомбинация способствовать структурному многообразию этих молекул. Среди них могли возникать и каталитически активные молекулы РНК.

Даже крайне редкое появление единичных молекул РНК, которые были способны катализировать полимеризацию рибонуклеотидов или соединение (сплайсинг) олигонуклеотидов на комплементарной цепи как на матрице, означало становление механизма репликации РНК. Репликация самих РНК-катализаторов (рибозимов) должна была повлечь за собой возникновение самореплицирующихся популяций РНК. Продуцируя свои копии, РНК размножались. Неизбежные ошибки в копировании (мутации) и рекомбинации в самореплицирующихся популяциях РНК создавали все большее разнообразие этого мира. Таким образом, предполагаемый древний мир РНК - это "самодостаточный биологический мир, в котором молекулы РНК функционировали и как генетический материал, и как энзимоподобные катализаторы" .

Возникновение биосинтеза белка

Далее на основе мира РНК должно было происходить становление механизмов биосинтеза белка, появление разнообразных белков с наследуемой структурой и свойствами, компартментализация систем биосинтеза белка и белковых наборов, возможно, в форме коацерватов и эволюция последних в клеточные структуры - живые клетки.

Проблема перехода от древнего мира РНК к современному белок-синтезирующему миру - наиболее трудная даже для чисто теоретического решения. Возможность абиогенного синтеза по-липептидов и белковоподобных веществ не помогает в решении проблемы, так как не просматривается никакого конкретного пути, как этот синтез мог бы быть сопряжен с РНК и подпасть под генетический контроль. Генетически контролируемый синтез полипептидов и белков должен был развиваться независимо от первичного абиогенного синтеза, своим путем, на базе уже существовавшего мира РНК. В литературе предложено несколько гипотез происхождения современного механизма биосинтеза белка в мире РНК, но, пожалуй, ни одна из них не может рассматриваться как детально продуманная и безупречная с точки зрения физико-химических возможностей. Представлю свою версию процесса эволюции и специализации РНК, ведущего к возникновению аппарата биосинтеза белка, но и она не претендует на законченность.

Предлагаемая гипотетическая схема содержит два существенных момента, кажущихся принципиальными.

Во-первых, постулируется, что абиогенно синтезируемые олигорибонуклеотиды активно рекомбинировали посредством механизма спонтанной неэнзиматической трансэстерификации, приводя к образованию удлиненных цепей РНК и давая начало их многообразию. Именно этим путем в популяции олигонуклеотидов и полинуклеотидов и могли появиться как каталитически активные виды РНК (рибозимы), так и другие виды РНК со специализированными функциями. Более того, неэнзиматическая рекомбинация олигонуклеотидов, комплементарно связывающихся с полинуклеотидной матрицей, могла обеспечить сшивание (сплайсинг) фрагментов, комплементарных этой матрице, в единую цепь. Именно таким способом, а не катализируемой полимеризацией мононуклеотидов, могло осуществляться первичные копирование (размножение) РНК. Разумеется, если появлялись рибозимы, обладавшие полимеразной активностью, то эффективность (точность, скорость и продуктивность) копирования на комплементарной. матрице должна была значительно возрастать.

Второй принципиальный момент в моей версии состоит в том, что первичный аппарат биосинтеза белка возник на базе нескольких видов специализированных РНК до появления аппарата энзиматической (полимеразной) репликации генетического материала - РНК и ДНК. Этот первичный аппарат включал каталитически активную прорибосомную РНК, обладавшую пептидил-трансферазной активностью; набор про-тРНК, специфически связывающих аминокислоты или короткие пептиды; другую прорибосомную РНК, способную взаимодействовать одновременно с каталитической прорибосомной РНК, про-мРНК и про-тРНК. Такая система уже могла синтезировать полипептидные цепи за счет катализируемой ею реакции транспептидации. Среди прочих каталитически активных белков - первичных ферментов (энзимов) - появились и белки, катализирующие полимеризацию нуклеотидов - репликазы, или НК-полимеразы.

Впрочем, возможно, что гипотеза о древнем мире РНК как предшественнике современного живого мира так и не сможет получить достаточного обоснования для преодоления основной трудности - научно правдоподобного описания механизма перехода от РНК и ее репликации к биосинтезу белка. Имеется привлекательная и детально продуманная альтернативная гипотеза А.Д. Альтштейна (Институт биологии гена РАН), в которой постулируется, что репликация генетического материала и его трансляция - синтез белка - возникали и эволюционировали одновременно и сопряженно, начиная с взаимодействия абиогенно синтезирующихся олигонуклеотидов и аминоацил-нуклеотидилатов - смешанных ангидридов аминокислот и нуклеотидов.



Биология

9 класс

ТЕСТ

Происхождение и развитие

органического мира

Вариант 1

1. Окончательно опроверг теорию самозарождения организмов

а) К. Линней

б) Аристотель

в) А. ван Левенгук

г) Л. Пастер

2. Согласно гипотезе А.И. Опарина,

а) жизнь на Земле существовала всегда

б) жизнь на Земле была занесена из космоса

в) первые предшественники организмов появились в результате химической эволюции

г) первые предшественники организмов появились в результате естественного отбора

3. Прообразами живых организмов были

а) вирусы

б) бактерии

в) одноклеточные водоросли

г) коацерваты

4. Кислород в атмосфере Земли возник благодаря

а) автотрофам

б) гетеротрофам

в) коацерватам

г) прокариотам

5. Как назывались первые наземные растения?

а) мхи

б) папоротники

г) риниофиты

6. В эпоху катархея произошло

а) появление первых наземных растений

б) образование «первичного бульона»

в) появление простейших

г) появление беспозвоночных

7. Расцвет рептилий произошел в

а) мезозое

б) кайнозое

в) протерозое

г) палеозое

8. Выберите три верных утверждения

а) первичная атмосфера не содержала кислород

б) первичная атмосфера содержала кислород

в) свободный кислород появился в результате деятельности гетеротрофов

г) в первичной атмосфере отсутствовал метан

д) в результате деятельности автотрофов в атмосфере появился кислород

е) в первичной атмосфере присутствовали водяные пары

9. Установите правильную последовательность развития жизни на Земле

А) одноклеточные водоросли

Б) коацерваты

В) бактерии

Г) насекомые

Д) кистеперые рыбы

10. Сторонники какой теории утверждали, что все живые организмы происходят исключительно из живой материи? _______________________________________________

11 . Какие органические вещества подвергаются брожению быстрее всех? ______________

Происхождение и развитие

органического мира

Вариант 2

1. В первичной атмосфере НЕ было

а) водорода

б) углекислого газа

в) аммиака

г) кислорода

2. Согласно гипотезе А.И. Опарина, главная роль в развитии жизни на Земле принадлежит

а) белкам

б) углеводам

в) липидам

г) аминокислотам

3. Первые живые организмы по способу питания были

а) автотрофами

б) гетеротрофами

в) прокариотами

г) эукариотами

4. Первые фотосинтезирующие организмы, вырабатывающие кислород, - это

а) коацерваты

б) зеленые водоросли

в) цианобактерии

г) амебы

5. Первые эукариотические клетки появились в

а) катархее

б) архее

в) протерозое

г) мезозое

6. В мезозойскую эру появилась (-ись)

а) многоклеточность

б) основные типы беспозвоночных

в) рептилии

г) млекопитающие

7. В настоящее время живые организмы появляются на Земле

а) только абиогенным путем

б) абиогенным и биогенным путями

в) только биогенным путем

г) благодаря самозарождению

8. Выберите три верных утверждения

а) первые живые существа появились 5000 млн лет назад

б) первые живые существа появились 4000 - 3500 млн лет назад

в) первыми живыми организмами были прокариоты

г) первыми живыми организмами были водоросли

д) первыми наземными растениями были риниофиты

е) первыми наземными животными были земноводные

9. Установите правильную последовательность эр развития органического мира на Земле

А) кайнозой

Б) палеозой

В) катархей

Г) протерозой

Д) архей

Е) мезозой

Ответ: __________________________

10. Сторонники какой теории утверждали, что все живые организмы способны самозарождаться из неживой материи? ____________________________________________

11 . Появление какого процесса жизнедеятельности организмов положило конец процессу зарождения жизни? ____________________________________________________________

Сущность этой теории состоит в том, что биологической эволюции - т.е. появлению, развитию и усложнению различных форм живых организмов, предшествовала химическая эволюция - длительный период в истории Земли, связанный с появлением, усложнением и совершенствованием взаимодействия между элементарными единицами, «кирпичиками», из которых состоит все живое - органическими молекулами.

По мнению большинства ученых (в первую очередь астрономов и геологов), Земля сформировалась как небесное тело около 5 млрд лет назад путем конденсации частиц вращавшегося вокруг Солнца газопылевого облака.
В этот период Земля представляла собой раскаленный шар, температура поверхности которого достигала 4000-8000°С.
Постепенно, за счет излучения тепловой энергии в космическое пространство, Земля начинает остывать. Около 4 млрд лет назад Земля остывает настолько, что на ее поверхности формируется твердая кора; одновременно из ее недр вырываются легкие, газообразные вещества, поднимающиеся вверх и формирующие первичную атмосферу. По составу первичная атмосфера существенно отличалась от современной. Свободный кислород в атмосфере древней Земли отсутствовал, а в ее состав входили водород (Н 2), метан (СН 4), аммиак (NH 3), пары воды (Н 2 О), азот (N 2), окись и двуокись углерода (СО и С0 2).
Отсутствие в атмосфере первичной Земли свободного кислорода является важной предпосылкой возникновения жизни, поскольку кислород легко окисляет и тем самым разрушает органические соединения. Поэтому при наличии в атмосфере свободного кислорода накопление на древней Земле значительного количества органических веществ было бы невозможно.
Когда температура первичной атмосферы достигает 100°С, в ней начинается синтез простых органических молекул, таких, как аминокислоты, нуклеотиды, жирные кислоты, пр остые сахара, многоатомные спирты, органические кислоты и др. Энергию для синтеза поставляют грозовые разряды, вулканическая деятельность, жесткое космическое излучение и, наконец, ультрафиолетовое излучение Солнца, от которого Земля еще не защищена озоновым экраном, причем именно ультрафиолетовое излучение ученые считают основным источником энергии для абиогенного (т.е. проходящего без участия живых организмов) синтеза органических веществ.

При температуре первичной атмосферы ниже 100°С формируется первичный океан, начинается синтез простых органических молекул, а затем и сложных биополимеров. Прообразами живых организмов являются коацерватные капли, появившиеся в первичном океане и сформировавшими органический бульон. Коацерватные капли обладают некоторым подобием обмена веществ:

• могут избирательно впитывать из раствора некоторые вещества и выделять в окружающую среду продукты их распада и расти;
• по достижении определенного размера начинают «размножаться», отпочковывая маленькие капельки, которые, в свою очередь, могут расти и «почковаться»;
• в процессе перемешивания под действием волн и ветра могут покрываться оболочкой из липидов: одинарной, напоминающей мицеллы мыла (при однократном отрыве капли от поверхности воды, покрытой липидным слоем), либо двойной, напоминающей клеточную мембрану (при повторном падении капли, покрытой однослойной липидной мембраной, на липидную пленку, покрывающую поверхность водоема).

Процессы возникновения коацерватных капель, их роста и «почкования», а также «одевания» их мембраной из двойного липидного слоя легко моделируются в лабораторных условиях.

Таким образом процессы абиогенного синтеза органических молекул были воспроизв едены в модельных экспериментах.

В 1828 г. выдающийся немецкий химик Ф. Вёлер синтезировал органическое вещество - мочевину из неорганического - циановокислого аммония.

В 1953г. молодой американский исследователь, студент-дипломник Чикагского университета Стенли Миллер воспроизвел в стеклянной колбе с впаянными в нес электродами первичную атмосферу Земли, которая, по мнению ученых того времени, состояла из водорода метана СН 4 , аммиака NH 3 , и паров воды Н 2 0. Через эту газовую смесь С. Миллер в течение недели пропускал электрические разряды, имитирующие грозовые. По окончании эксперимента в колбе были обнаружены α-аминокислоты (глицин, аланин, аспарагин, глутамин), органические кислоты (янтарная, молочная, уксусная, гликоколовая), у-оксимасляная кислота и мочевина. При повторении опыта С. Миллеру удалось получить отдельные нуклеотиды и короткие полинуклеотидные цепочки из пяти-шести звеньев.

Дж. Оро при умеренном нагревании смеси водорода, углерода, азота, NH 3 , H 2 O получил аденин, а при взаимодействии аммиачного раствора мочевины с соединениями, возникающими из газов под влиянием электрических разрядов, - урацил.

Л. Орджел (1980-е г.) в сходных экспериментах синтезировал нуклеотидные цепи длиной в шесть мономерных единиц.

С. Акабюри получил полимеры простейших белков.

Абиогенный синтез органических молекул может происходить на Земле и в настоящее время (например, в процессе вулканической деятельности). При этом в вулканических выбросах можно обнаружить не только синильную кислоту HCN, являющуюся предшественником аминокислот и нуклеотидов, но и отдельные аминокислоты, нуклеотиды и даже такие сложные по строению органические вещества, как порфирины. Абиогенный синтез органических веществ возможен не только на Земле, но и в космическом пространстве. Простейшие аминокислоты обнаружены в составе метеоритов и комет.