Современная теория возникновения жизни на Земле (теория биопоэза) была сформулирована в 1947 г. английским ученым Дж. Берналом.
Суть теории сводится к представлениям о 3 этапах возникновения жизни.
На первом этапе произошло возникновение органических молекул из неорганических, т.е. произошел абиогенный синтез. Опарин и Холдейн предположили (а позднее Миллер подтвердил это экспериментально), что в основе абиогенного синтеза лежало воздействие сильных электрических разрядов, ультрафиолетового облучения и радиации на первичную атмосферу Земли, содержавшую пары воды, метан, аммиак, углекислый газ, азот и в очень небольшом количестве водород. В результате образовались углеродные и азотистые соединения умеренной сложности - аминокислоты и азотистые основания. Органических веществ, образовавшихся на первом этапе, было очень мало, вероятность реакций между ними была чрезвычайно мала.
На втором этапе шел процесс концентрации возникших органических веществ. Такая концентрация могла идти за счет осаждения органики на частицах глины или гидроокиси железа за счет образования органическими веществами пленки на поверхности воды - такую пленку прибивало к берегу, где концентрация органических веществ увеличивалась в тысячи раз. Кроме того, концентрированию мог способствовать процесс объединения однородных частиц в разбавленных растворах - закон, хорошо известный в химии. В результате повышения концентрации вероятность взаимодействия между органическими молекулами значительно возрастала, что в конечном счете привело к возникновению коацерватов - молекул, окруженных водной оболочкой; такие коацерваты объединялись, образуя многомолекулярные комплексы, т.е. могли уже появиться полимеры.
На третьем этапе началось самовоспроизведение органических молекул, т.е. было положено начало размножению. Вероятно, первыми такими молекулами были ДНК и РНК.
В дальнейшем очень важным процессом было возникновение мембран, т.е. обособление клеток. В основе этого процесса могла лежать адсорбция растворенных в воде белковых молекул на поверхности липидной пленки, покрывающей водоемы. В результате могли возникать двойные липопротеидные пленки, от которых могли отрываться пузырьки. Такие пузырьки, теоретически, могли покрываться вторым липидно-белковым слоем, что приводило к возникновению четырехслойной оболочки с двумя слоями белков по краям и двумя слоями липидов внутри. Взаимная ориентация этих слоев определялась силами электрического притяжения и гидрофобного взаимодействия. Описанный механизм образования мембран - только один из возможных. Образование мембран привело к возникновению систем, которые были способны к саморегуляции и самовоспроизведению. Это и были первые живые организмы - пробионты.
18. Формирование метаболических путей – фотогетеротрофы, гетеротрофы, переходная форма – брожение, гликолиз, хемосинтез, фотосинтез, дыхание. Возможные варианты происхождения эукариот.
Гетеротрофы — организмы, которые используют органические источники углерода.
Фотогетеротрофы — это микроорганизмы, использующие световую энергию, а в качестве источника углерода — органические соединения.
Первые организмы жили в бескислородных условиях и были анаэробными гетеротрофами. Они использовали органические вещества абиогенного происхождения в качестве питательных веществ, энергию получали за счет бескислородного окисления и брожения. До настоящего времени сохранился анаэробный путь использования глюкозы — гликолиз. Значительным событием в эволюции живого стало появление фотосинтеза, когда для синтеза органических веществ стала использоваться энергия солнечной света. Бактериальный фотосинтез на первых этапах сопровождался расщеплением органических веществ (фотогетеротрофы, используют в качестве источника углерода органические вещества) или сероводорода (первые фотоавтотрофы, используют углекислый газ как источник углерода и Н2S — как источник водорода).
Эволюция углеродного питания осуществлялась, по-видимому, следующим образом гетеротрофы облигатные фотогетеротрофы факультативные фотогетеротрофы (восстановление СО2 на свету, сопряженное с окислением органических субстратов) —> облигатные фотоавтотрофы-фоторедукторы — фотосинтетики.
Первичная атмосфера Земли содержала водород, но в ней не было свободного кислорода, т.е. она обладала восстановительными, а не окислительными свойствами. В таких условиях преобладали примитивные гетеротрофные клетки, необходимую им энергию они, вероятно, получали путём брожения.
Брожение — это процесс бескислородного расщепления органических веществ, осуществляемый с помощью ферментов.
В метаболическом процессе брожение считается малоэффективным способом добычи энергии, поскольку при нём большая часть энергии углеродных соединений остается неиспользованной. В процессе аэробного (кислородного) дыхания происходит полный распад углеродных соединений до первоначальных минеральных веществ — воды и углекислого газа — с выделением большого количества энергии.
Если эволюция метаболических путей шла путем последовательного добавления новых ферментативных реакций к существовавшим ранее, то, подобно самым старым годовым кольцам на срезе ствола, наиболее древние реакции должны находиться ближе всего к центру «метаболического древа» - там, где синтезируются наиболее существенные молекулярные «кирпичики». Такое центральное положение в метаболизме прочно занимают реакции с участием фосфатов сахаров, в самом центре которых, видимо, находится последовательность реакций, называемая гликолизом и способная осуществлять расщепление глюкозы в отсутствие кислорода (т. е. анаэробно).
Хемосинтез – это процесс выработки органических веществ из неорганических веществ за счёт энергии, полученной в результате химической реакции окисления таких соединений, как: сероводород, водород, аммиак и т.д. Производится он бактериями, не содержащими хлорофиллы. Этот способ получения энергии - своего рода приспособление в тех местах, где солнечный свет, а значит и солнечная энергия, недоступны.
Для использования СО2 в ходе эволюции возник механизм фотосинтеза, в процессе которого СО2 превращается в органическое соединение за счет энергии солнечного излучения. Взаимодействие солнечного света с пигментной молекулой - хлорофиллом - переводит электрон в более высокое энергетическое состояние. Энергия, высвобождаемая при обратном переходе электрона на более низкий энергетический уровень, направляется молекулами белка на проведение химических реакций.
По всей вероятности, одной из первых реакций с использованием солнечного света было фосфорилирование нуклеотидов с образованием АТР - богатого энергией соединения.