Курс лекций по "Концепции современного естествознания"

Лекция 6.1 Особенности биологического уровня организации  материи.

1.Характерные  особенности живого. Специфика химического  строения живых  систем: белки и  нуклеиновые кислоты.

 
В развитии учений о происхождении  жизни существенное место занимает теория, утверждающая, что все живое происходит только от живого - теория биогенеза. Эту теорию в середине XIX века противопоставляли ненаучным представлениям о самозарождении организмов (червей, мух и др.). Однако как теория происхождения жизни биогенез несостоятелен, поскольку принципиально противопоставляет живое неживому, утверждает отвергнутую наукой идею вечности жизни.  
Абиогенез - идея о происхождении живого из неживого - исходная гипотеза современной теории происхождения жизни.  
В 1924 г. известный биохимик А.И.Опарин высказал предположение, что при мощных электрических разрядах в земной атмосфере, которая 4-4,5 млрд.лет назад состояла из аммиака, метана, углекислого газа и паров воды, могли возникнуть простейшие органические соединения, необходимые для возникновения жизни. Предсказание академика Опарина оправдалось. В 1955 г. американский исследователь С.Миллер, пропуская электрические заряды через смесь газов и паров, получил простейшие жирные кислоты, мочевину, уксусную и муравьиную кислоты и несколько аминокислот. Таким образом в середине XX века был экспериментально осуществлен абиогенный синтез белковоподобных и др. органических веществ в условиях, воспроизводящих условия первобытной Земли

    
В отношении самозарождения организмов необходимо отметить, что Французская Академия наук еще в 1859 г. назначила специальную премию за попытку осветить по-новому вопрос о самопроизвольном зарождении жизни. Эту премию в 1862 г. получил знаменитый французский ученый, основоположник современной микробиологии Луи Пастер. Своими опытами он доказал невозможность самозарождения микроорганизмов.  
Важно подчеркнуть, что в настоящее время жизнь на Земле не может возникнуть абиогенным путем.  
Еще Дарвин в 1871 г. писал: "Но если бы сейчас ... в каком-либо теплом водоеме, содержащем все необходимые соли аммония и фосфора и доступном воздействию света, тепла, электричества и т.п., химически образовался белок, способный к дальнейшим все более сложным превращениям, то это вещество немедленно было бы разрушено и поглощено, что было невозможно в период возникновения живых существ".  
Жизнь возникла на Земле абиогенным путем. В настоящее время живое происходит только от живого (биогенное происхождение). Возможность повторного возникновения жизни на Земле исключена.  
Наряду с теорией абиогенного происхождения жизни существуют и другие гипотезы. Так, в 1865 г. немецкий врач Г.Рихтер выдвинул гипотезу космозоев (космических зачатков), в соответствии с которой жизнь является вечной и зачатки, населяющие мировое пространство, могут переноситься с одной планеты на другую. Сходную гипотезу в 1907 г. выдвинул известный шведский естествоиспытатель С.Аррениус, предположив, что во Вселенной вечно существуют зародыши жизни - гипотезу панспермии.  
Панспермия - гипотеза о повсеместном распространении во Вселенной зародышей живых существ. Согласно панспермии, в мировом пространстве рассеяны зародыши жизни (например, споры микроорганизмов), которые движутся под давлением световых лучей, а попадая в сферу притяжения планеты, оседают на ее поверхности и закладывают на этой планете начало живого.  
Гипотеза А.И.Опарина о возникновении жизни на Земле опирается на представление о постепенном усложнении химической структуры и морфологического облика предшественников жизни (пробионтов) на пути к живым организмам. На стыке моря, суши и воздуха создавались благоприятные условия для образования сложных органических соединений. В концентрированных растворах белков, нуклеиновых кислот могут образовываться сгустки подобно водным растворам желатина. А.И.Опарин назвал эти сгустки коацерватными каплями или коацерватами

 
Коацерваты - это обособленные в  растворе органические многомолекулярные  структуры. Это еще не живые существа. Их возникновение рассматривают  как стадию развития преджизни. Наиболее важным этапом в происхождении жизни  было возникновение механизма воспроизведения себе подобных и наследования свойств предыдущих поколений. Это стало возможным благодаря образованию сложных комплексов нуклеиновых кислот и белков. Нуклеиновые кислоты, способные к самовоспроизведению, стали контролировать синтез белков, определяя в них порядок аминокислот. А белки-ферменты осуществляли процесс создания новых копий нуклеиновых кислот. Так возникло главное свойство, характерное для жизни - способность к воспроизведению подобных себе молекул. 
 

2.Клеточный уровень исследования живых систем. Молекулярно-генетический уровень организации живых систем: ДНК, РНК, синтез белков. Явление репликации ДНК. 

  Современные биологи обладают возможностями  рассуждать по поводу происхождения  жизни намного более основательно, чем их предшественники. В своих умозаключениях они исходят не из взрослых особей как таковых, а из биохимии. Происхождение жизни связывается со ступенями биохимической эволюции. Ясно, что биологи прошлых эпох не могли рассуждать в этом ключе: молекулярная биология была им неведома. Важнейшие химические соединений, входящих в состав живого вещества 

:форная кислота,  дезоксирибоза и аденин (равно  как и три других азотистых  основания: цитозин, гуанин и  тимин) входят в состав ДНК.  Из 20 аминокислот синтезируются белки. Жирные кислоты необходимы для образования мембранных структур в клетках животных и растений.

Как следует  из рис. 27, живое вещество состоит  в основном из четырех биогенных  элементов — Н, С, О, N (например, в  организме человека они составляют 96% его субстрата). Относительно происхождения химических элементов, в том числе биофильных, читатель осведомлен: они являются результатами нуклеосинтеза, происходящего в недрах звезд. Не подлежит сомнению, что на ранних стадиях развития Солнечной системы происходило образование различного рода органических соединений. Так, в составных элементах метеоритов, углистых хондритах обнаружены и углеводороды, и карбоновые кислоты, в том числе жирные, и азотистые соединения, в том числе азотистые основания, и аминокислоты [51, с. 41, 43]. Но в метеоритном и кометном веществе не обнаружена ДНК. Чтобы состоялась жизнь, требуется нечто большее, чем наличие соединений, содержащих биофильные элементы. Требуются определенные условия, например те самые, которые сложились на Земле 4—3,7 млрд лет тому назад.

По всем научным  данным выходит, что возникновение  жизни на Земле оказалось возможным  лишь после образования внешних  для планеты геосферных оболочек: литосферы, атмосферы, гидросферы. Каждая из геосфер содержала элементы, которые могли стимулировать химическую эволюцию в сторону живого вещества: водород, аммиак, метан и др. (атмосфера), вода и растворы соединений (литосфера и гидросфера), карбиды, нитриды и др. (литосфера). Источниками энергии химических реакций могли быть солнечный свет, ультрафиолетовое излучение, космические лучи, электрические разряды, энергия недр Земли.

Как показали эксперименты, впервые проведенные в'1953 г. американцем  С.Л.Миллером, путем пропускания  электрических разрядов через водород-аммиак-метановую смесь на удивление легко получить органические вещества, в том числе аминокислоты, сахара и жирные кислоты. Более того, в лабораторных условиях удалось также синтезировать из низкомолекулярных исходных веществ высокомолекулярные органические соединения (полипептиды).

Экспериментально  также установлено, что в растворах  высокомолекулярных веществ образуются так называемые коацерватные (от лат. coacervatia — накопление) капли, способные накапливать растворенные вещества. При введении протеноидов в теплую воду образуются микросферы размером до 5 мкм, способные путем почкования образовывать новые микросферы .

Итак, экспериментальным  способом реализуются три этапа  химической эволюции: абиогенное образование  соответственно низкомолекулярных  органических соединений (например, аминокислот), высокомолекулярных органических соединений (в частности, нуклеиновых кислот, табл. 14), полимерных агрегатов (коацерватных капель и микросфер). Но в лабораторных условиях не удается непосредственно из неживого вещества сотворить живое. На этом основании иногда делают вывод, что жизнь не могла зародиться естественным путем. Ученым суть дела видится в другом. В лабораторных условиях трудно, если вообще возможно, восстановить условия, которые существовали в ранней эволюции Земли, т.е. более 3,7 млрд лет тому назад. В науке очень часто мысленно реконструируют события, неповторимые в современных условиях. Важно, что эта реконструкция проводится в соответствии с существующими концепциями, подтверждаемыми теми или другими экспериментальными данными. С этих позиций именно эволюция полимерных агрегатов привела к возникновению первичных организмов (протобионтов), обладавших в элементарной форме всеми признаками живого.

  Все организмы  состоят из клеток. Надо полагать, решающее значение в происхождении жизни имели те эволюционные процессы, которые привели к образованию клеток. В этом отношении особенно важную роль сыграло свойство комплементарного (от лат. сотр1етеп1ит — дополнение) спаривания нуклеотидов, урацила (V), аденина (А), цитозина (С) и гуанина (О). Эти четыре типа молекул содержит полинуклеотид, подобный РНК (ри-бонуклеиновой кислоте).

Таблица 14. Абиогенное образование высокомолекулярных веществ

  Нуклеотиды  урацил, аденин, цитозин, гуанин способны линейно связываться друг с другом, причем в произвольной последовательности. Цепочки нуклеотидов способны связываться  друг с другом также посредством  слабых (водородных) химических связей, при этом гуанин  предпочтительно связывается с цитозином, а аденин с урацилом.

  Такое связывание позволяет одной цепочке нуклеотидов  быть матрицей для синтеза другой. В результате открывается возможность для создания комплементарных структур. Это явление называется репликацией (от лат. Relicare -обращать назад).

  Вполне  естественные причины, а именно избирательные  активности полинуклеотидов, приводят к явлению саморепликации. В процессе репликации закодированная в исходной нуклеотидной последовательности информация передается комплементарной последовательности. Самореплицирующиеся молекулы реагируют на условия среды избирательно. В результате они образуют уникальные пространственные структуры, относительно устойчивые к влиянию среды.

  Видимо, именно естественный отбор привел к киралъной (от греч. chira — рука) чистоте белков и нуклеиновых кислот, их несовместимости со своими зеркальными отображениями. Белки построены только из аминокислот, поляризующих свет влево, нуклеиновые кислоты состоят из Сахаров, поляризующих свет вправо. По некоторым расчетам для перехода биологических полимеров к киральной чистоте потребовалось порядка 1 млн лет. Это обстоятельство в известной степени объясняет, почему в лабораторных условиях до сих пор не удалось получить непосредственно из неживого живое вещество. В лабораторных условиях вряд ли возможно создани.' тех условий естественного отбора, которые существовали в многовековую эпоху ранней эволюции Земли. 

Резюме

  • В становлении  биосферы огромнейшее значение имел переход от анаэробного к аэробному способу фотосинтеза.

  • Для  большинства современных организмов не брожение, а дыхание является главной формой диссимиляции.

  • ДНК  каждого вида организмов содержит специфическое  распределение четырех азотистых  оснований: аденина (А), тимина (Т), гуанина (С), цитозина (С). Это открывает простор для огромного разнообразия организмов, оцениваемых числом порядка 10¹⁰⁰.

  • Все  организмы, для которых характерны эукариотические клетки, дивергировали  от общего предка, причем растения, грибы  и животные относительно поздно — менее 2 млрд лет тому назад.

  • Процесс  биологической эволюции имеет длительную (порядка 4 млрд лет) историю. Согласно данным палеонтологии, он неоднократно сопровождался катастрофическими явлениями, обусловленными оледенениями, резкими изменениями концентрации

кислорода в  воде и атмосфере, столкновениями Земли  с крупными метеоритами.

  • Живые  организмы обладают только им присущими  признаками — гомеостазом, самовоспроизведением себе подобных, обменом со средой веществом, энергией, обработкой и выдачей информации и многими другими, реализация которых образует феномен жизни.

  • Содержание феномена жизни интерпретируется комплексом биологических наук, в том числе  биофизикой и биохимией, а также  молекулярной биологией.

Генные  механизмы

Биология перестала быть сугубо феноменологической, т.е. описывающей явления наукой лишь после выработки микродинамического подхода. Согласно его главному положению, интерпретация природы любых биологических явлений в конечном счете должна основываться на генных механизмах, осуществляемых посредством нуклеиновых кислот, ДНК и РНК. Все живые организмы, от бактерий до человека, состоят из клеток, организация и функционирование которых определяется в первую очередь биохимическими свойствами нуклеиновых кислот. Вплоть до середины XX в. полагали, что в логике биологических интерпретаций первичным звеном являются ссылки на свойства белков. Успехи молекулярной биологии вынудили пересмотреть это представление. Направленность современных биологических аргументации можно изобразить следующим образом:

ДНК -> РНК -> белки.

ДНК — хранилище  биологической информации, без учета  которой рассуждения о РНК  и белках (как известно, РНК —  посредник в осуществлении белкового  синтеза) считаются малосодержательными.