Протоклетки теория происхождения жизни кратко
Обновлено: 02.07.2024
Другие эксперты считают более вероятным, что первые организмы были автотрофами, то есть не нуждались в готовой органике и синтезировали ее сами из углекислого газа и других простых веществ, используя для этого энергию окислительно-восстановительных реакций (хемоавтотрофы) или света (фотоавтотрофы). Впрочем, идея о первичности фотоавтотрофов представляется сомнительной, поскольку данные сравнительной геномики убедительно свидетельствуют о более позднем появлении фотосинтеза по сравнению с некоторыми типами хемоавтотрофного метаболизма, такими как метаногенез и анаэробное окисление метана.
Другой аргумент отвести труднее. Мембраны (оболочки) современных клеток состоят из фосфолипидов, и эти мембраны практически непроницаемы для полярных и заряженных молекул, в том числе для сложных органических соединений, таких как сахара или нуклеотиды. Чтобы транспортировать эти молекулы через мембрану, у современных клеток имеется набор специальных транспортных белков. На заре жизни таких белков, конечно, не могло быть. Следовательно, протоклетка просто не могла получать сложную органику из внешней среды. Она должна была довольствоваться теми простыми неорганическими молекулами, которые способны проходить через фосфолипидную мембрану без посторонней помощи. Вывод: первые живые клетки были автотрофами.
Фосфолипиды — молекулы довольно сложные. Мембраны протоклеток, скорее, должны были собираться из более простых амфифильных соединений, которые могли образовываться абиогенным путем.
Авторы изучили свойства маленьких пузырьков (размером в сотни нанометров, что сравнимо с самыми мелкими живыми клетками), окруженных мембранами из различных жирных кислот. Вначале они пытались выяснить, от чего зависит проницаемость мембран для простых органических соединений, таких как сахар рибоза (этот сахар — одна из необходимых составных частей нуклеотидов, из которых, в свою очередь, собираются молекулы РНК и ДНК). Выяснилось, что мембраны, сделанные из простых жирных кислот, пропускают рибозу немного лучше, чем фосфолипидные мембраны, но все-таки плохо.
Шла она хорошо, хоть и медленно. В конце концов все протоклетки справились с задачей, то есть закончили репликацию недореплицированных молекул ДНК, пристроив к каждому из 15 цитидинов (Ц) комплементарный ему гуанозин (Г). На это у них ушло 24 часа, по 96 минут на нуклеотид. В настоящих живых клетках репликация ДНК осуществляется в десятки миллионов раз быстрее, но ведь там есть сверхэффективные катализаторы — ферменты.
Полученные результаты показывают, что первые живые клетки все-таки могли быть гетеротрофами. А еще они показывают, что уже в самом ближайшем будущем ученые, по-видимому, смогут воспроизвести в лаборатории все ключевые этапы зарождения жизни из неживой материи.
Источник: Sheref S. Mansy, Jason P. Schrum, Mathangi Krishnamurthy, Sylvia Tobé, Douglas A. Treco, Jack W. Szostak. Template-directed synthesis of a genetic polymer in a model protocell // Nature. Advance online publication 4 June 2008 (doi:10.1038/nature07018).
Доктор биологических наук, заведующий кафедрой биохимии, микробиологии и биотехнологии Школы естественных наук Дальневосточного федерального университета профессор Эдуард Костецкий выдвинул гипотезу зарождения жизни. Этот механизм, по словам ученого, является универсальным для любого уголка Вселенной, и в частности для Земли. В основе земной жизни может лежать клетка-прародительница, возникшая из чего-то неживого.
Наиболее вероятным кандидатом на пост прародителя живой клетки ученый называет минерал апатит, который является единственным существенным источником фосфора на поверхности Земли. Ученый утверждает, что минеральная составляющая у высших животных (кости и зубы), некоторых прокариот и одноклеточных организмов представлена группой апатита. Кроме того, элементарная ячейка апатита и двойная спираль ДНК имеют сходную периодичность. Хотя доказательства участия этого минерала в появлении жизни имеются пока только косвенные, все же они заставляют задуматься над тем, что именно апатит стал матрицей для появления жизни.
Рассмотрев все особенности кристалла апатита, Эдуард Костецкий пришел к выводу, что на его основе могли одновременно образоваться все фрагменты живой клетки — ДНК, РНК, белки и множество других, не менее важных составляющих. А происходил этот процесс в две фазы, причем обе были достаточно короткими по продолжительности.
Приступая к своему исследованию, ученый выяснил возраст живых систем, а также геологические условия, в которых проходил их синтез. Анализ данных показал, что возраст Земли мало чем отличается от времени возникновения жизни. Он оценивается приблизительно в 4 миллиарда лет. Именно тогда, по утверждениям геологов, происходили достаточно активные изменения в базальтовой коре, формировалась гранитная оболочка, улетучивалась плотная первичная атмосфера. Поверхность планеты была нагрета до 600—700 градусов, из недр активно выделялись элементы восстановительной газовой фазы в виде свободных радикалов. Это была первая фаза зарождения жизни, но до самой жизни было еще далеко. Из остаточного магматического расплава на поверхности формировались пегматитовые минералы — апатит, кальцит, кристобалит, слюда, кварц, полевой шпат и другие. Все эти минералы обладают крупнозернистой структурой, а их размеры могут сильно колебаться — от субмикроскопических до метровых. В тот период минеральная решетка апатита была достаточно подвижной, и свободные радикалы и ионы газов, выходящих из недр Земли, активно формировали его кристаллическую решетку.
Апатит и минералы, которые кристаллизовались вместе с ним, как предполагает Эдуард Костецкий, находясь в безводной среде, подвергались длительному воздействию космического, ядерного и ультрафиолетового излучения. В то же время на них действовали повышенное давление и температура. В этих условиях кристаллическая решетка минералов ослаблялась, и в нее ускоренно проникали свободные радикалы и ионы. В этой фазе апатит насыщался различными элементами, которые впоследствии и сыграли важную роль в создании протоклетки. Можно сказать, что именно тогда происходило формирование органо-минерального комплекса — кристалла, преобразившегося далее в первичную живую структуру. Синтез основных органических молекул — предшественников фрагментов клетки, как предполагает Костецкий, шел в кристаллах апатита при температурах около 200 градусов.
Помимо того что кристалл апатита оказался способным локализовать в себе структурные элементы будущей живой клетки, он, как и любой другой кристалл, обладал высокой периодичностью, то есть в его структуре было до 5—6 процентов дефектов. Эта особенность сделала кристаллы высокоинформативными, что привело к образованию множества стабильных альтернативных конфигураций. Это является необходимым условием для хранения информации, без чего живая клетка не может существовать и самовоспроизводиться — по сути это своеобразное подобие генетического кода.
В итоге, как уверен профессор Костецкий, развившаяся на основе кристалла апатита протоклетка получила в наследство от него не только особенности строения своих главных составляющих, но и все основные функции, без которых клетка не смогла бы самовоспроизводиться и эволюционировать, а в результате — создать все многообразие жизни на планете.
Самое интересное, что подобная схема появления живой клетки может быть универсальной не только для Земли, но и для других космических тел, развивавшихся подобно нашей планете. И если эта теория верна, то при поиске внеземной жизни или ее останков ученым следует обращать внимание не только на явные свидетельства существования живых организмов, но в первую очередь на минералы, входящие в основу других планет и геологическую историю их формирования. Теперь осталось только проверить эту интересную гипотезу в лабораторных условиях, искусственно воссоздав описываемые события, чтобы попробовать создать живое из неживого. В случае успеха люди наконец получат ответ на, пожалуй, величайшую загадку бытия и смогут запросто примерить на себя роль Создателя.
Вестник Тихоокеанского государственного экономического университета. 2008. №1.
Теория возникновения протоклеток и их структурных компонентов
Приведена теория автора о возникновении протоклеток про- и эукариотического типа при участии
элементов газовой фазы, апатитовой матрицы и сокристаллизующихся с н ей минералов
(карбонатапатит, кальцит, слюда). Фосфаты апатита остаются в составе синтезирующейся
нуклеиновой спирали и определяют ее размер и комплементарностъ только пуриновых и пирими диновых
оснований. Рассмотрены возможный механизм перехода к ристалл-органоминералъный кристалл-жидкий
кристалл (протоклетка), модель возникновения матричного механизма транскрипции и трансляции.
Сделана попытка ответить на ключевые вопросы биохимии и молекулярной биологии, стоящие при
Проблема возникновения жизни волнует человеческий разум не одно
тысячелетие. На сегодняшний день мы имеем около 4000 работ,
посвященных этой проблеме, среди них десятки монографий. Однако ни одна
из них не приближает к ответу на интересующий нас вопрос. Их абсолютное
большинство игнорирует информацию о молекулярной и надмолекулярной
организации клеток и клеточных органоидов, биохим ических и молекулярно-
биологических механизмах функционирования клеток, о том, что клетка
является апериодическим гомеостатическим жидкокристаллическим
комплексом, способным к самовоспроизведению. Ключевые вопросы
проблемы происхождения, такие как возникновение матричного механизма и
универсального генетического кода, остаются без ответа. В лучшем случае
их автоматически переводят в плоскость эволюции, в худшем –
рассматривают в аспекте божественного происхождения. Но все прекрасно
понимают, что ни первое, ни второе нельзя расценивать как ответ на вопрос,
протобионтов они представляют собой биологические комплексы, которые, согласно некоторым гипотезам, связанным с происхождением жизни, предшествовали клеткам. Согласно Опарину, это молекулярные агрегаты, окруженные полупроницаемой липидной мембраной или структурой, подобной этой..
Эти биотические молекулярные агрегаты могут представлять простое размножение и метаболизм, которые позволяют поддерживать химический состав внутренней части мембраны, отличный от ее внешней среды..
Некоторые эксперименты, проведенные в лаборатории различными исследователями, показали, что протобионты могут самопроизвольно образовываться, используя органические соединения, созданные из абиотических молекул, в качестве структурных блоков..
Примерами этих экспериментов являются образование липосом, которые представляют собой скопления небольших капелек, окруженных мембранами. Они могут образовываться при добавлении липидов в воду. Это также происходит, когда добавляются другие типы органических молекул.
Может случиться так, что липосомоподобные капли образовались в прудах пребиотических времен, и они случайно включили некоторые аминокислотные полимеры.
В случае, если полимеры сделали определенные органические молекулы проницаемыми для мембраны, можно было бы селективно включать указанные молекулы.
- 1 Свойства и характеристики
- 1.1 Полупроницаемые мембраны
- 1.2 Возбудимость
- 2.1 Гипотеза Опарина и Холдейна
- 2.2 Миллер и Юри эксперимент
- 3.1 Мир РНК
- 3.2 Внешний вид ДНК
Свойства и характеристики
Предполагаемые протобионты могут быть сформированы из гидрофобных молекул, которые были организованы в виде бислоя (два слоя) на поверхности капли, напоминая липидные мембраны, присутствующие в современных клетках.
![]()
Полупроницаемые мембраны
Поскольку структура является избирательно проницаемой, липосома может набухать или спускаться в зависимости от концентрации растворенных веществ в среде..
То есть, если липосома подвергается воздействию гипотонической среды (концентрация внутри клетки выше), вода входит в структуру, набухая в липосоме. Напротив, если среда гипертоническая (концентрация клетки ниже), вода перемещается во внешнюю среду.
Это свойство не уникально для липосом, оно также может применяться к текущим клеткам организма. Например, если эритроциты подвергаются воздействию гипотонической среды, они могут взорваться.
возбудимость
Липосомы могут накапливать энергию в виде мембранного потенциала, который состоит из напряжения на поверхности. Структура может разряжать напряжение способом, напоминающим процесс, который происходит в нейрональных клетках нервной системы..
Липосомы имеют несколько характеристик живых организмов. Однако это не то же самое, что сказать, что липосомы живы..
источник
Существует большое разнообразие гипотез, которые пытаются объяснить происхождение и эволюцию жизни в пребиотической среде. Ниже мы опишем наиболее выдающиеся постулаты, которые обсуждают происхождение протобионтов:
Гипотеза Опарина и Холдейна
Гипотеза о биохимической эволюции была предложена Александром Опариным в 1924 году и Джоном Д. С. Холдейном в 1928 году..
Этот постулат предполагает, что в пребиотической атмосфере не хватало кислорода, но он сильно сокращался из-за большого количества водорода, что приводило к образованию органических соединений благодаря наличию источников энергии..
Согласно этой гипотезе, когда произошло охлаждение Земли, пары вулканических извержений конденсировались, выпадая в осадок в виде сильных и постоянных дождей. Когда вода упала, она вытащила минеральные соли и другие соединения, породив знаменитый первичный суп или питательный бульон.
В этой гипотетической среде могут образовываться крупные молекулярные комплексы, называемые пребиотическими соединениями, которые порождают все более сложные клеточные системы. Опарин назвал эти структуры протобионтами.
По мере того, как протобионты увеличивали свою сложность, они приобретали новые возможности для передачи генетической информации, и Опарин дал название эубионтов этим более продвинутым формам..
Миллер и Юри эксперимент
В 1953 году, после постулатов Опарина, исследователи Стэнли Л. Миллер и Гарольд С. Юри разработали серию экспериментов для проверки образования органических соединений из простых неорганических материалов..
Миллеру и Юри удалось создать экспериментальный дизайн, который моделировал пребиотические среды в условиях, предложенных Опарином, в небольшом масштабе, получая ряд соединений, таких как аминокислоты, жирные кислоты, муравьиная кислота, мочевина и другие..
Генетический материал протобионтов
Мир РНК
Согласно гипотезе нынешних молекулярных биологов, протобионты несли молекулы РНК вместо молекул ДНК, что позволило им копировать и хранить информацию.
Помимо того, что РНК играет фундаментальную роль в синтезе белка, она также может вести себя как фермент и проводить реакции катализа. Из-за этой характеристики РНК является указанным кандидатом на роль первого генетического материала у протобионтов.
Молекулы РНК, способные проводить катализ, называются рибозимами и могут делать копии с комплементарными последовательностями коротких участков РНК и опосредовать процесс сплайсинг, устранение разделов последовательности.
Протобионт, у которого внутри находилась каталитическая молекула РНК, отличался от аналогов, у которых не было этой молекулы..
В случае, если протобионты могут расти, делиться и передавать РНК своим потомкам, дарвиновские процессы естественного отбора могут быть применены к этой системе, и протобионты с молекулами РНК увеличат их частоту в популяции..
Хотя появление этого протобиона может быть очень маловероятным, необходимо помнить, что в водоемах первобытной земли могли существовать миллионы протобионтов..
Внешний вид ДНК
ДНК является гораздо более стабильной двухцепочечной молекулой по сравнению с молекулой РНК, которая является хрупкой и неточно реплицируется. Это свойство точности с точки зрения репликации стало более необходимым, поскольку геномы протобионтов увеличились в размерах.
В Принстонском университете исследователь Фриман Дайсон предлагает, чтобы молекулы ДНК могли быть короткими структурами, помогая в их репликации случайными аминокислотными полимерами с каталитическими свойствами.
Это раннее размножение может происходить внутри протобионтов, которые хранили большое количество органических мономеров..
Читайте также:
