Osvita.ua Вища освіта Реферати Біологія Виникнення життя на Землі: наукові гіпотези. Реферат
Провідні компанії та навчальні заклади Пропозиції здобуття освіти від провідних навчальних закладів України та закордону. Тільки найкращі вищі навчальні заклади, компанії, освітні курси, школи, агенції. З питань розміщення інформації звертайтесь за телефоном (044) 200-28-38.

Виникнення життя на Землі: наукові гіпотези. Реферат

Гіпотеза Опаріна. Гіпотеза РНК-світу: ідея світу РНК; крихкість нуклеїнових кислот; значення; труднощі

Наукові гіпотези

Згідно з астрономічними та геологічними даними вік Землі становить приблизно 4,5 — 5 млрд. років. Вважається, що в минулому стан нашої планети був мало схожий на сьогоднішній.

Ймовірно, температура на поверхні була дуже високою (4000 — 8000 °C), по мірі того, як Земля остигала, тугоплавкі метали конденсувалися і утворили земну кору; поверхня планети була, напевно, голою і нерівною, оскільки на ній внаслідок вулканічної активності, переміщень і стиснень кори, викликаної охолодженням, відбувалося утворення складок і розривів.

Вважається, що гравітаційне поле ще недостатньо щільної планети не могло утримувати легкі гази: водень, кисень, азот, гелій і аргон — внаслідок чого вони йшли з атмосфери. Але прості сполуки, що містять серед інших ці елементи (вода, аміак, CO2, метан) виявились достатньо важкими і залишились на планеті.

Поки температура Землі не впала нижче за 100 °C, вся вода знаходилася в пароподібному стані. Атмосфера була, очевидно, "відновною", про що свідчить наявність в древніх породах металів у відновленій формі (наприклад, двовалентного заліза). Більш молоді породи містять метали в окисненій формі (Fe3+). Відсутність кисню, скоріш за все, була необхідною умовою для виникнення життя. Лабораторні досліди свідчать про те, що органічні речовини (основа життя) набагато легше утворюються в бідній киснем атмосфері.

Гіпотеза Опаріна

У 1923 р. А. І. Опарін, виходячи з теоретичних міркувань, запропонував думку, що органічні речовини, можливо вуглеводні, могли утворюватися в океані з більш простих сполук. Енергію для цих процесів постачала інтенсивна сонячна радіація, головним чином ультрафіолетове випромінювання, що потрапляло на Землю до того, як утворився озоновий шар, який затримує велику її частину.

На думку Опаріна, різноманітність простих сполук, що знаходилися в океанах, площа поверхні Землі, доступність енергії і масштаби часу дозволяють припустити, що в океанах поступово накопичилися органічні речовини і утворився "первісний бульйон". В такому "первісному бульйоні", на його думку, могло виникнути життя.

У 1953 р. Міллер Стенлі у ряді експериментів моделював умови, що приблизно існували на первісній Землі. У створеній ним установці йому вдалося синтезувати багато речовин, що мають важливе біологічне значення, в тому числі ряд амінокислот, аденін і простий цукор, такий як рибоза.

Після цього Орджел з Інституту Солка в схожому експерименті синтезував нуклеотидні ланцюги довжиною шість мономірних одиниць (прості нуклеїнові кислоти).

Виникнення подібних сполук в природі є досить очікуваним. Амінокислота гліцин (складова частина білків) має досить просту формулу C2H5NO2. Тому у навіть у місячному ґрунті та метеоритах Оргейл, Муррей та Мерчисон були виявлені амінокислоти: гліцин, глутамін, аланін, аспаргін, серін. Однак у жодному з дослідів Міллера та інших дослідників не вдавалось синтезувати всі 20 амінокислот (кількість амінокислот у живих організмах) одночасно.

Крім цього, концентрація амінокислот в "бульйоні" була все ж занадто малою (близько 2%). У випадку, якби ці реакції відбувались у невеликій водоймі, цим речовинам загрожувало би звичайне розсіяння.

Також слід відзначити, що умови в яких Стенлі Міллер проводив свої досліди були все ж досить відрізнялись від природних. Наприклад, у дослідах Міллера один і той самий об'єм газів піддавався дії електричних розрядів протягом тижня. Це означає, що реальна тривалість контакту газів з електричним розрядом у порівнянні з блискавкою була перевищена у мільйони разів.

Окрему проблему становить твердження про відсутність кисню в первинній атмосфері Землі. Це твердження все ще є досить спірним у сучасній науці. А при наявності кисню синтез складних сполук є вкрай малоймовірним.

Ці та інші проблеми змусили в 1960-х роках шведських вчених: хіміка Л. Сіллен та геолога М. Руттен — відкинути концепцію "первинного бульйону", як хімічно малоймовірну.

Пізніше виникло припущення, що в первинній атмосфері у відносно високій концентрації містився двоокис вуглецю. Недавні експерименти, проведені з використанням установки Міллера, в яку помістили суміш CO2 і H2O, і тільки слідові кількості інших газів, дали такі ж результати, які отримав Міллер.

Теорія Опаріна отримала широке визнання, але вона не дає відповідь на питання, як саме відбувся перехід від складних органічних речовин до простих живих організмів. В цьому аспекті теорія біохімічної еволюції представляє загальну схему, прийнятну для більшості біологів.

Опарін вважав, що вирішальна роль в перетворенні неживого в живе належала білкам. Завдяки амфотерності білків вони можуть утворювати колоїдні гідрофільні комплекси — притягувати до себе молекули води, які створюють навколо них оболонку. Ці комплекси можуть відокремлюватися від водної фази, в якій вони перебувають у вигляді суспензії, і утворювати емульсію. Злиття таких комплексів один з одним призводить до відділення колоїдів від середовища — процес, званий коацервацією.

Багаті на колоїди коацервати, можливо, були здатні до обміну речовинами з навколишнім середовищем і вибірково нагромаджували різні сполуки, особливо кристалоїди. Колоїдний склад даного коацервату, очевидно, залежав від складу середовища. Різноманітність складу "бульйону" в різних місцях вела до відмінностей в складі коацерватів і постачала таким чином сировину для "біохімічного природного добору".

Припускається, що в самих коацерватах речовини вступали в наступні хімічні реакції. При цьому відбувалося поглинання коацерватами іонів металів і утворення ферментів. На межі між коацерватами і середовищем "шикувалися" молекули ліпідів, що призводило до утворення примітивної клітинної мембрани, що забезпечувала коацерватам стабільність.

Внаслідок включення в коацерват первинної молекули, здатної до самовідтворення, і внутрішньої перебудови покритого ліпідною оболонкою коацервата, могла виникнути первиннаклітина. Збільшення розмірів коацерватів і їх фрагментація, вели до утворення ідентичних коацерватів, які могли б поглинати більше компонентів середовища.

Така послідовність подій призвела б до появи примітивного самовідтворюваного гетеротрофного організму, який би харчувався органічними речовинами первинного бульйону. Цю гіпотезу походження життя визнають вчені, але у деяких вона викликає сумніви через велику кількість припущень.

Астроном Фред Хойл висловив думку, що гіпотеза "так само безглузда й неправдоподібна, як твердження, що ураган, що пронісся над сміттєвим звалищем, може привести до побудови Боїнга-747". Найбільш складний момент цієї теорії — пояснення виникнення здатності живих систем до самовідтворення. Гіпотези з цього питання у рамках даної теорії малопереконливі.

Гіпотеза РНК-світу

Ця гіпотеза виникнення живих організмів останнім часом здобуває все більше прихильників. Суть її полягає в припущенні, що основоположниками живих клітин були молекули РНК, а не білки. Важливим для розвитку цієї теорії є відкриття явища самореплікації (самовідтворення) молекул РНК. Вважається, що шляхом самореплікації молекули РНК еволюціонували до більш складних клітинних утворень.

Основною проблемою гіпотези є складність спонтанного синтезування поодиноких молекул РНК, а також їх послідовностей.

Порівняння РНК (зліва) з ДНК (справа)

Гіпотеза світу РНК вважає, що РНК фактично була першою формою життя на Землі, яка пізніше розвинула навколо себе клітинну мембрану і стала першоюклітиною прокаріотів.

Підтримка ідеї

Фраза "Світ РНК" була вперше використана Вальтером Гілбертом 1986 року. Проте ідея незалежного життя на основі РНК набагато старша і може бути знайдена в книзі Карла Воеза "Генетичний код" [1]. П'ятьма роками раніше молекулярний біолог Александер Річ, з Массачусетського технологічного інституту, у виданні присвяченому нобелівському лауреату фізіологу Альберту Сент-Дйорді, виклав у основі своєї статті майже таку ж саму ідею. Гіпотеза світу РНК заснована на здатності РНК запам'ятовувати, передавати, і дублювати генетичну інформацію, так само, як це робить ДНК. На додаток до цього, РНК може також діяти як рибозим (ензим, зроблений з рибонуклеїнової кислоти). Оскільки РНК може відтворюватися самостійно, виконуючи завдання як ДНК, так і білків (ензимів), вона, як вважається, колись була здатною до незалежного життя. Більш того, тоді як нуклеотиди не були знайдені в експериментах Міллера-Урея з відтворення умов, що існували на Землі у Архейську еру, вони були знайдені в інших експериментах з такого моделювання, наприклад експериментах Джоан Оро. Експерименти з рибозимами, подібними до вірусної РНК Q-бета, показали, що прості здатні до самовідтворення структури РНК можуть витримати навіть сильний тиск відбору (наприклад, термінаторів ланцюгів протилежної хіральності) [2].

Ідея світу РНК

 

Структура рибозиму, PDB 2GOZ.

РНК і ДНК зроблені з багаторазових повторень певних нуклеотидів, які також називаються "основами", зв'язаних з фосфо-цукровим "скелетом". Гіпотеза світу РНК вважає, що у первісному супі існували вільно-плаваючі нуклеотиди. Ці нуклеотиди постійно формували зв'язки один з одним, але ланцюжки часто розривалися, тому що енергія зв'язку була низькою.

Проте, певні послідовності базових пар мають каталітичні властивості, які фактично знижують енергію ланцюжка, примушуючи нуклеотиди залишитися разом протягом довшого часу. Коли буде створено багато довгих ланцюжків, приваблюватимуть більше відповідних нуклеотидів, так що ланцюжки будуть формуватися швидше, ніж розриватися.

Ці нуклеотидні ланцюжки запропоновані як перші, примітивні форми життя. У світі РНК різні форми РНК конкурували одна з одною за вільні нуклеотиди і, таким чином, брали участь у природному відборі. Найефективніші молекули РНК, які здатні були ефективно каталізувати своє власне відтворення, витримали цей відбір і розвилися до сучасної РНК.

Змагання між РНК могло привести до появи кооперації між різними ланцюжками РНК, відкривши шлях для утворення першої прото-клітини. Кінець кінцем, ланцюжки РНК, спонтанно розвили з каталітичні властивості, які допомагають зв'язувати разом амінокислоти (пептидний зв'язок). Ці амінокислоти могли б тоді допомогти з синтезу РНК, надавши тим ланцюжкам РНК, які служать рибозимами, переваги у відборі. Кінець кінцем ДНК, ліпіди, вуглеводи, і всі інші органічні хімічні речовини включалися до життя. Це привело до перших клітин прокаріот, і кінець кінцем до життя, такого, яким ми його знаємо.

Крихкість нуклеїнових кислот

З першого погляду гіпотеза світу РНК може показатися неправдоподібною, тому що в сьогоднішньому світі великі молекули РНК невід'ємно нестабільні і можуть легко бути розірваними на нуклеотиди гідролізом. Навіть без гідролізу РНК врешті розпадається під дією ультрафіолетової радіації, що значно обмежує життєвий цикл "організмів" світу РНК (Pääbo 1993, Lindahl 1993).

Запропонована альтернатива світу РНК — пептидні нуклеїнові кислоти, ПНК (англ. PNA). ПНК значно стійкіша, ніж РНК і здається, може бути синтезована в пре-біотичних умовах швидше за РНК, особливо якщо синтез рибози та додавання до неї фосфатних группроблематичні. Як інші альтернативи РНК були запропоновані треозна нуклеїнова кислота (ТНК, англ. TNA) та глікольна нуклеїнова кислотна (ГНК, англ. GNA).

Принципово інша альтернатива процесів збирання РНК запропонована в гіпотезі світу ПАГ (англ. PAH world hypothesis), згідно якої поліциклічні ароматичні вуглеводні (ПАГ) могли бути каталізаторами формування структур РНК.

Дана молекула РНК в минулому могла прожити довше, ніж сьогодні. Ультрафіолетова радіація також може примусити РНКполімеризуватися, в той же час розбиваючи інші види органічних молекул, які могли б мати потенціал каталізу гідролізу РНК (рибонуклеази), пропонуючи, що РНК могла бути значно більш поширеною речовиною на Землі. Проте ця теорія ще не має експериментальних підтверджень, оскільки базується на постійній концентрації цукро-фосфатних молекул.

Значення

Гіпотеза світу РНК, якщо вона істина, має важливе значення для визначення життя. Зараз поняття життя в значній мірі визначене в термінах ДНК і білків, у сьогоднішньому світі, ДНК і білки є домінуючими макромолекулами в живої клітині, тоді як РНК служить тільки як допоміжна молекула в створенні білків за інформацією, закодованою в ДНК. Але гіпотеза світу РНК розміщує РНК в центрі на час зародження життя, вимагаючи визначення життя в термінах РНК і стратегій які РНК використовує для свого відтворення.

У 2001, гіпотеза світу РНК одержала значну підтримку з розшифровкою структури рибозима, яка показала, що ключові каталітичні сайти рибозима складені з РНК, що 3-мірну структуру, а білки, грають тільки структурну роль в утриманні рибозима разом. Особливо, утворення пептидного зв'язку, який зв'язує разом амінокислоти створюючи білки, може каталізуватися РНК. Це відкриття показує, що молекули РНК могли бути здібними до синтезу перших білків.

Труднощі

Не відомо правдоподібного пре-біотичного методу синтезу цитозину, однієї основи в складі сучасної РНК, тому що він легко піддається гідролізу.

Пре-біотичні моделі, при яких створюються нуклеотиди, несумісні з умовами, необхідними для створення цукрів (через велику концентрацію формальдегіду). Отже вони повинні бути синтезовані в різних місцях, а потім перенесені в якесь одне місце. Проте, вони не реагують у воді.

Безводні реакції легко зв'язують пурини з цукрами, але тільки 8% з них з'єднують правильний вуглецевий атом на цукрі з правильним атомом азоту на основі. Піримідини, проте, не реагуватимуть з рибозою, навіть у безводних умовах.

Крім того, необхідні для синтезу фосфати в природі зустрічаються надзвичайно рідко, тому що вони легко випадають в осад. При введенні фосфату, останній повинен швидко з'єднуватися з правильною гідроксильною групою нуклеотиду.

Щоб нуклеотиди могли сформувати РНК, вони самі повинні бути активізовані. Активізовані пуринові нуклеотиди формують маленькі ланцюжки на існуючому шаблоні піримідинової РНК, але цей процес не йде навпаки тому що піримідинові нуклеотиди не полімеризуються так легко.

Додатково, вся рибоза повинна бути одного стерео-ізомерного типу, тому що будь-який нуклеотид неправильної хіральності діє як термінатор ланцюжка.

Згідно з критиками гіпотези світу РНК (наприклад А. Каінс-Сміт A. G. Cairns-Smith), процес будівництва нуклеїнових кислот вимагав би синхронізації виникнення сприятливих умов та подій. Більше того ця синхронізація повинна бути досить протяжною в часі (протягом мільйонів років) для створення достатньої кількості необхідних речовин.

Сьогодні ще рано говорити про достовірність гіпотези світу РНК через велику різноманітність її варіантів та відсутність надійних експериментальних даних, які б її підтвердили.

Джерела

  1. http://uk. wikipedia. org/wiki/Уявлення_про_виникнення_життя_на_Землі
  2. http://uk. wikipedia. org/wiki/Виникнення_життя_на_Землі
  3. Cairns-Smith, A. G. Genetic Takeover: And the Mineral Origins of Life. ISBN 0-521-23312-7
  4. Lindahl, T., 1993. Instability and decay of the primary structure of DNA, Nature 362 (6422): 709—715.
  5. Pääbo, S. 1993. Ancient DNA, Scientific American 269 (5):60-66.
  6. New York: Harper and Row, 1967
  7. "Основи відбору", Лондон: Springer, 1997
  8. Світ РНК, або свіжий погляд на походження життя (укр.) http://www. naturalist. if. ua/?p=145
  9. Обзор 4-х наиболее популярных у креационистов методов датирования возраста Земли. http://www. cdrm. ru/kerigma/rek-lit/nauka/stat/4-orgum. htm
  10. A comprehensive study of Creationism for Bible Believers: Rightly-Dividing Genesis and Geology. http://www. kjvbible. org/
  11. Jonathan Sarfati. Hugh Ross’s blunders on plant death in the Bible


27.11.2011

Провідні компанії та навчальні заклади Пропозиції здобуття освіти від провідних навчальних закладів України та закордону. Тільки найкращі вищі навчальні заклади, компанії, освітні курси, школи, агенції.

Щоб отримувати всі публікації
від сайту «Osvita.ua»
у Facebook — натисніть «Подобається»

Osvita.ua

Дякую,
не показуйте мені це!