1 Этап - синтез исходных органических соединений;

2 Этап - формирование биополимеров, липидов, углеводородов.

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 самосборкипредшественников 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. 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 Höög).

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1000Å. Ученые считают, что теоретически возможный минимальный размер должен превышать500Å. 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 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 химических 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 C_n(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).

К полисахаридам относятся целлюлоза и клетчатка, которые 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.Они 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.

Есть еще одна особенность, которую необходимо учитывать. В создании белка участвуют 20 аминокислот, в белковой молекуле - около 100 аминокислотных остатков, т.е. при построении белка возможно 20¹⁰⁰вариантов различных комбинаций мономеров. Однако живая природа использует всего 20²различных 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:вспомним, что 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?

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.