Способность к эволюции - способность к обмену веществ и самовоспроизведению.

Подводя итоги вышесказанному, можно отметить, что химическая эволюция должна была пройти два этапа: 1 этап - синтез исходных органических соединений; 2 этап - формирование биополимеров, липидов, углеводородов. При дальнейшем развитии должна происходить самосборка из липидов оболочек и перегородок мембранного типа. 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.

Прокариотические клетки - одноклеточные организмы Микоплазменная клетка 0.1-0.25 мкм.

В цитоплазме находятся молекулы ДНК, рибосомы и различные включения в виде гранул липидов и других веществ.

Прокариотические клетки - это бактерии и сине-зеленые водоросли.

Мембрана - регулирует обмен различными веществами между клеткой и внешней средой. Цитоплазматический матрикс - водная фаза с белковыми макромолекулами: - ядро, митохондрии, рибосомы и др. Ядро - содержит одно или два ядрышка, состоящих из РНК. Хромосомы - в ядре (палочки, нити, петли). Количество хромосом в клетках постоянно. В хромосоме - молекула ДНК Рибосомы - состоят из белка и РНК. На рибосомах происходит синтез белка. Митохондрии - структуры в виде палочек, нитей или гранул. В них питательные вещества окисляются, а высвобождаемая при этом энергия запасается в АТФ (аденозин-трифосфат) В растительных клетках - органеллы - хлоропласты, в которых содержится хлорофилл.

Как можно построить клетку? Минимальный размер ~1000 (>500 ). В ней - 1.5 млн. атомов. случайным образом осуществление такой постройки маловероятно (ураган над свалкой мусора соберет новенький самолет "Боинг-747"). Природа в процессе химической эволюции синтезировала сложные химические соединения.

Из чего состоит клетка?

Более 70 элементов, но лишь 10 из них (кислород, углерод, водород, азот, кальций, фосфор, кремний, сера, натрий, хлор) встречаются в большом количестве. Вода - 70% массы протоплазмы. Основные органические соединения клетки - углеводы, липиды, белки, нуклеиновые кислоты и стероиды. Углеводы - соединения углерода, водорода и кислорода с общей формулой C_n(H₂O)_n. Углеводы - моносахариды и полисахариды (С₆Н₁₀О₅)_n). Моносахариды - группа содержит рибозу и дезоксирибозу - сахара, входящие в состав мономеров нуклеиновых кислот РНК и ДНК; глюкозу (виноградный сахар) и фруктозу. Главными углеводами протоплазмы являются глюкоза (у животных), и крахмал (у растений) Полисахариды - целлюлоза и клетчатка - 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. 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.

Можно ли в эксперименте получить соединения, из которых состоит клетка, чтобы потом решить, были ли на Земле подходящие условия для синтеза таких соединений? Белки - 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.

Соблюдение определенной последовательности при построении молекулы белка создают трудности для современной науки. В белковой молекуле - около 100 аминокислотных остатков, т.е. при построении белка возможно 20100 вариантов различных комбинаций мономеров. Однако живая природа использует всего 202 различных сочетаний, что является для ученых загадкой. До сих пор опытным путем не удалось правильно уложить аминокислотные остатки и синтезировать белок. Синтез углеводов - 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. 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? Гипотеза - в начале начал лежит не ДНК, не белок, а РНК. РНК - действуют как катализаторы - ферменты и вполне вероятно ее самовоспроизведение. Таким образом, РНК могла бы быть одновременно и геном, и катализатором его репликации.

"Мир РНК"

1. первичные организмы состояли из простых самовоспроизводящихся молекул РНК

2. РНК приобрели способность к синтезу белков, что позволило им увеличить скорость репликации

3. Синтез и липидов, которые сформировали мембрану

4. возникновение клетки

5. Передача функции носителя генетической информации двухцепочечным молекулам ДНК, как более надежным.

Но 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 РН"Жизнь, каковой она предстает перед нами является функцией асимметрии Вселенной и следствий этого факта". Луи Пастер

Свойство объекта не совпадать со своим зеркальным отображением называется хиральностью. Понятие правого и левого - объектов (болты или рука человека). Объекты, совпадающие со своим зеркальным отображением, называют зеркально симметричными, или ахиральными.

Не только предметы, но и процессы, например химические реакции, могут проявлять зеркальную асимметрию. Человек обладает структурной хиральностью: сердце у него находится слева, а печень - справа. Кроме того, у человека имеется и функциональная хиральность: люди делятся на правшей и левшей. Но оказывается, что и молекулы обладают хиральностью.

Луи Пастер (1848) Два типа кристаллов соли винной кислоты, каждый из которых является зеркальным отображением другого. Один из растворов вращает плоскость поляризации света по часовой стрелке, а другой - в обратном направлении. Пастер предположил, что существует два вида молекул соли - "правые" и "левые". Пастер обнаружил, что живые организмы не обладают зеркальной симметрией: в них преобладают либо правые (D- Dextro), либо левые (L- Levo) молекулы-изомеры. Белки - из 20 аминокислот, и для всех этих аминокислот (за исключением глицина) существуют L- и D- изомеры. Белки построены исключительно из L- аминокислот (за исключением специальных пептидов). Лимонен также обладает изомерами и различие можно определить по запаху: один из изомеров пахнет лимоном, другой - апельсином. В нуклеиновых кислотах присутствует только правый изомер сахара и поэтому, как правило, ДНК и РНК образуют правую спираль. Все химические реакции по существу являются результатом электромагнитных взаимодействий атомов. Для электромагнитных сил характерна симметрия (электромагнитные силы сохраняют четность), поэтому на первый взгляд можно ожидать, что в природе должно быть равные количества L- и D- изомеров. Вселенная является несимметричной на всех уровнях - от субатомного до макроскопического. Каковы причины этого явления? Почему?

Четыре вида сил:

1. Гравитационные - сохраняют четность

2. Электромагнитные (отвечают за обычные химические реакции) - сохраняют четность;

3. Сильные ядерные (удерживают части ядра вместе с помощью глюонов) - сохраняют четность;

4. Слабые ядерные - не сохраняют четность (примером может служить испускание -лучей при радиоактивном распаде, при котором число левых электронов намного превосходит число правых).

5. "Электрослабые" - (действуют между электронами и протонами и нейтронами ядра), не сохраняют четность.

Ранее мы отмечали различные уровни организации окружающего мира, начиная с уровня элементарных частиц. Уже первый уровень зеркально асимметричен, и асимметричность элементарных частиц приводит к тому, что все атомы тоже становятся ахиральными.

Рассмотрим теперь вопрос о том, почему в живой природе ахиральность проявляется в столь существенном масштабе. На каком этапе химической эволюции от неживого к живому появилась и закрепилась хиральная "частота" биомолекул. порядка. Зеркально симметричные химические реакции могут приводить к образованию неравных количеств L- и D- аминокислот благодаря явлению, которое называют спонтанным нарушением симметрии. Спонтанное нарушение симметрии - это механизм, в результате которого система "спонтанно", самопроизвольно, переходит из симметричного состояния в асимметричное. В этой модели предполагалось, что каждый вид способен к самовоспроизведению и что присутствие одного из них уменьшает скорость роста популяции другого. Иными словами, происходит "межвидовая борьба" за существование.

Первая клетка - сразу из L-аминокислот (маловероятно)

Первая клетка - с небольшим избытком L-аминокислот и затем эволюционный отбор

Первые клетки одновременно с избытком L- и D- кислот, а затем - межвидовая борьба

Спонтанное нарушение симметрии приводит сразу к тому, что выживают во всех местах только L-аминокислоты

Очевидно, что ключевые вопросы о происхождении гомохиральности жизни остаются без ответа, равно как и вопросы о происхождении зеркальной асимметрии на макроскопическом уровне.

Моделирование добиологической эволюции:

1. Случайная самоорганизация хаоса с возникновением необратимой эволюции практически нереализуема.

2. Системы должны быть открытыми, находиться в состояниях, далеких от равновесных, чтобы была возможность осуществления самоорганизации.

3. Самоорганизация и отбор сложных органических макромолекул возможны, если абиогенная (химическая) молекулярная система характеризуется метаболизмом, самовоспроизведением и мутабельностью. Метаболизм означает, что система открыта и в ней происходят полимеризация и распад полимеров. Метаболизм осуществляется за счет притока вещества, обладающего избыточной свободной энергией (в частности, это нуклеозидтрифосфаты, например, АТФ). Самовоспроизведение - матричное копирование полимера - означает автокаталитический процесс. Мутагенез - необходим для создания новой информации.

4. Молекулярная система определенное время способна существовать в стационарном состоянии (условие сохранения постоянной организации или условие постоянных потоков). Эти условия определяются условиями окружающей среды.

5. Такая система может быть названа "дарвиновской", поскольку происходит отбор и самосовершенствование. "Выживают" молекулы, обладающие наибольшей селективной ценностью (быстрее других реплицируются и эффективнее используют поступающие в систему вещества и энергию). Такие молекулы называются "главными копиями". Очередной шаг в развитии наступает в результате мутаций, приводящих к созданию новых "главных копий".

6. Химическая эволюция развивалась в локальных системах (каоцерватах, микросферах, порах глинистых материалов), которые образовали химические микрореакторы. В ходе конкуренции этих микрореакторов возникал "молекулярный язык", приводящий к созданию генетического кода.

Cамовоспроизводство - присуще всему живому. В основе его лежит способность молекулы ДНК к удвоению, которое называется репликацией ДНК. В ДНК заключена вся информация. Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка, называется геном.

Структура молекулы ДНК - в 1953 г. Дж.Уотсон и Ф.Крик.