бесплатно рефераты скачать
  RSS    

Меню

Быстрый поиск

бесплатно рефераты скачать

бесплатно рефераты скачатьКонцепция естествознания

химической эволюции и этапом самоорганизации биологических макромолекул —

весьма условна и не фиксирована во времени.

Как полагает Опарин, с появлением самовоспроизведения органических

молекул началась биологическая эволюция. При этом произошло объединение

двух важных свойств: способности к самовоспроизводству полинуклеотидов и

каталитической активности полипептидов. Наилучшие перспективы сохраниться в

предбиологическом отборе имели эти ультрамолекулярные системы, в которых

обмен веществ сочетался со способностью к самовоспроизведению.

На этом этапе эволюционные процессы привели к образованию нового типа

взаимосвязи, необходимого для дальнейшего развития и воспроизводства. Чтобы

уяснить значение этого типа связи в природе, необходимо ввести два основных

понятия — информация и инструкция : инструкция «от кого» и информация «для

кого». Необходимо сказать несколько слов о информации.

Современная теория информации рассматривает проблему переработки

информации, а не ее «производства». Информация должна передаваться в строго

определенной форме. Она может быть записана соответствующим кодом и при

передаче по каналам сопровождается шумом, который необходимо

отфильтровывать в приемном устройстве. Современная теория информации,

основываясь на данных палеонтологии, геологии, физики, считает, что

нарастание структурной сложности и информационной насыщенности есть

важнейшая черта эволюционного прогресса.

«От кого» и «для кого»? Эти два вопроса касаются взаимодействия

нуклеиновых кислот и белков как важнейших компонентов жизни. В своей книге

о химической эволюции М. Кальвин отмечает, что существующий в настоящее

время набор компонентов белка был предопределен в самом начале эволюции

исходным набором аминокислот. Этот набор аминокислот в белке обусловлен

определенной последовательностью в строении нуклеиновых кислот. Нуклеиновые

кислоты и белки выполняют три исключительно важные функции:

самовоспроизведение, сохранение наследственной информации и передачу этой

информации в процессе возникновения новых клеток. Следовательно,

нуклеиновые кислоты и белки тесно взаимодействуют при воспроизводстве. А

что возникло раньше: нуклеиновая кислота или белок? Новый вариант старого

вопроса о курице и яйце.

Этот вопрос созникает как барьер перед стремлением объяснить

возникновение жизни. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) вместе с

рибонуклеиновой кислотой (РНК) ответственна за синтез белка. Вспомним одно

из центральных положений молекулярной биологии: ДНК ( РНК ( белок. Из этого

положения, описывающего химический процесс белкового синтеза, некоторые

исследователи делают вывод, что «пра-ДНК, вероятно, и была первым

организмом на Земле». Но ДНК беспомощна без белка, и в этом причина

нежизненности гипотезы о пра-ДНК. «Начало жизни в виде одинокой молекулы

ДНК на берегу первичного океана, — пишет Бернал, — еще менее правдоподобно,

чем в виде Адама и Евы в райских кущах».

В понимании вопроса о происхождении жизни понятия «нуклеиновая кислота»

и «белок» можно заменить понятиями «информация, содержащая инструкцию» и

«функция». Тогда вопрос «что первично?» становится абсурдным, так как не

может осуществиться определенная функция, если нет информации. А

«информация» приобретает смысл только через функцию, которую она кодирует.

Поэтому в живой природе естественный отбор направлен в конечном счете к

сохранению полезной для организма функции.

«Такую систему (информация — функция), — пишет М. Эйген, — можно

сравнить с замкнутым узлом. Хотя и очевидно, что нить, из которой образован

узел, где-то должна начинаться, начальная точка теряет свое значение,

поскольку узел замкнут. Взаимоотношения нуклеиновых кислот и белков

соответствуют сложной иерархии «замкнутого узла».

В процессе развития пробионтов зародилась способность передачи

информации. Она обеспечила огромные преимущества своим носителям — сложным

макромолекулярным комплексам. В дальнейшем эта способность приводит к

образованию огромной информационной насыщенности живой клетки, что

обеспечивается тонкими механизмами, сформировавшимися в процессе эволюции.

При этом запись информации происходит на атомном уровне. В исключительно

малом пространстве (например, диаметр сперматозоида составляет около 0,1

мм) может быть записано огромное количество информации. Эта информация

включает мельчайшие подробности, даже такие, по словам Дж. Уотсона, как

«присущая нам способность развлекать окружающих».

Основные черты, приобретенные в результате каким-либо организмом в

результате долгой предшествующей эволюции, записаны в его наследственной

программе. Издавно известно, что основная часть генетической информации

содержится в тонких нитевидных телах — хромосомах, имеющихся внутри клетки.

В 1950-е годы было установлено, что важнейшая часть хромосом состоит из

ДНК. По-видимому, генетическим материалом всех живых организмов является

ДНК, за исключением некоторых вирусов, которые содержат исходную РНК. Не

известны случаи, когда бы генетическим материалом служили иные молекулы,

кроме нуклеиновых кислот.

Рентгеноструктурные исследования М. Уилкинса, и особенно работа Дж.

Уотсона и Ф. Крика, раскрыли структуру ДНК. Она представляет собой длинную

цепь повторяющихся последовательностей: сахар-фосфат-сахар-фосфат-сахар-

фосфат... и так далее. К каждому сахару (называемому еще дезоксирибозой)

присоединена плоская циклическая группа азотосодержащего соединения,

называемого азотным основанием. Это пурины, имеющие двойное углеродно-

азотное кольцо, и пиримидины, имеющее одно такое кольцо. Чаще всего

встречаются пурины — аденин (А) и гуанин (Г) — и пиримидины — тимин (Т) и

урацил (У). Генетическая информация передается посредством чередования в

определенной последовательности этих четырех оснований. Следовательно,

всякая наследственная информация записана языком, содержащим всего четыре

буквы. Не беден ли этот язык? Если посмотреть на окружающий мир, полный

разнообразия и красоты, можно убедиться, что он не препятствует

разнообразию жизни, но обеспечивает стабильность. Чтобы код легко и быстро

«прочитывался» клеткой без больших энергетических затрат, он должен быть

основан на малом числе букв. В процессе эволюции образовался именно такой

генетический код. Несмотря на свою «скромность», он несет огромную

информацию.

Вся молекула ДНК закручена в форме двойной спирали. Две цепи спирали

соединены водородными связями, образуя так называемые комплементарные

(дополнительные) половины, которые можно сравнить с объединенными негативом

и позитивом. Это дает возможность генам при удвоении образовывать

дополнительные негативные копии, форма которых относится к исходному

«позитиву» как ключ к замку. Этот дополнительный «негатив» служит матрицей

(шаблоном) при образовании новых позитивных копий. Так формируются две пары

одинаковых цепей там, где ранее была только одна. Этот процесс копирования,

по-видимому, характерен для любого организма.

В осуществлении разнообразия химических реакций в живой материи кроме

нуклеиновых кислот участвует и другая большая группа молекул — белки.

Белки состоят из 20 видов аминокислот, которые соединяются друг с другом в

так называемую полипептидную цепь.

Способность белков образовывать сложные структуры позволяет им

обеспечивать тонкое регулирование биохимических реакций. Они обладают

колоссальным функциональным разнообразием и огромной способностью к

распознаванию.

Рассмотрим некоторые основные положения генетического кода. Можно ли с

помощью четырех элементов (четырех оснований ДНК) управлять

последовательностью 20 аминокислот в белке? Результаты исследований

показывают, что любая аминокислота записывается (кодируется) комбинацией

трех оснований, так называемым триплексным кодом. Так, например,

фенилаланин кодируется тройкой УУУ — последовательностью из трех урацилов.

Сама ДНК, являющаяся ядром кода, участвует в синтезе белка не

непосредственно, а косвенно через РНК двух видов: матричную или

информационную (иРНК) и транспортную (тРНК). Они способны строить не просто

случайные сочетания аминокислот, а упорядоченные полимеры белков. Возможно,

первичные рибосомы состояли только из РНК. Такие безбелковые рибосомы могли

синтезировать упорядоченные пептиды при участии молекул тРНК, которые

связывались с иРНК через спаривание оснований. Молекула РНК воспроизводит

генетический код, записанный в ДНК, и переносит запись к находящимся в

цитоплазме рибосомам. Это субмикроскопические внутриклеточные частицы, в

которых происходит «сборка» белков из аминокислот. Генетический код един

для всех живых организмов.

Предполагается, что первоначально код был более примитивным, однако он

совершенствовался в процессе эволюции путем естественного отбора, то есть

согласно биологическим закономерностям. Поэтому универсальность кода

объясняется не тем, что другой код не может существовать по химическим

причинам, а тем, что всякое его изменение было бы летальным. Известно, что

генетическая информация записывается на атомном уровне и любая «ошибка»

даже в несколько атомов может привести к гибельным последствиям. Изящная

двойная спираль молекулы ДНК чрезвычайно тонка (10 атомов в поперечном

направлении), но от нее зависит жизнь.

С образованием сложных ультрамолекулярных систем (нуклеиновые кислоты,

белки, в том числе ферменты) и механизма идентичного воспроизведения

(генети-ческого кода) загорается заря жизни на Земле. В начале следующео

этапа, который невозможно точно отграничить, образуются биологические

мембраны-органеллы, ответственные за форму, структуру и активность клетки.

Биологические мембраны построены из агрегатов белков и липидов, способных

отграничить органическое вещество от среды и служить защитной молекулярной

оболочкой. Предполагается, что образование мембран могло начаться еще в

процессе формирования коацерватов. Но для перехода от коацерватов к

истинной живой материи были необходимы не только мембраны, но и

катализаторы химических процессов — ферменты (энзимы). Предбиологический

отбор коацерватов усиливал накопление белковоподобных полимеров,

ответственных за ускорение химических реакций. Результаты отбора

фиксировались в строении нуклеиновых кислот. Система успешно (осмысленно)

работающих последовательностей нуклеотидов в ДНК усовершенствовалась именно

путем отбора. Возникновение самоорганизации зависело как от исходных

космическимх (химических) предпосылок, так и от конкретных условий земной

среды. Самоорганизация возникла как реакция на определенные условия.

Предбиологический этап — химический и может быть описан принципами

квантовой механики. Для него характерно дивергентное (разнонаправлен-ное)

развитие. При этом «отсеивалось» множество различных неудачных вариантов,

до тех пор пока основные черты строения нуклеиновых кислот и белков не

получили отличную «оценку» естественного отбора. Возможно, существовали и

другие варианты, при реализации которых жизнь приобрела бы другие черты.

Генетический код сформировался, по-види-мому, на последнем этапе

эволюции фазово-обособ-ленных органических сис-тем (пробионтов). Эти

системы приобрели способность совершенствовать свою организацию путем

предбиологическо-

го отбора самих систем, а не только отдельных молекул. Это был уже

следующий уровень биохимической эволюции, который обеспечивал как

постоянство пространственной и динамической структуры ультрамолекулярных

систем, так и возрастание их информационных возможностей. Вероятно, тогда

же было положено начало специализации двух видов нуклеиновых кислот — ДНК и

РНК. ДНК обозначилась как главный «программист и инспектор» молекулярного

самовоспроизведения. РНК приняла на себя роль «информатора» и переносчика

генетической программы. Ряд ученых считают, что первые формы нуклеиновых

кислот были представлены РНК-подобными полимерами, которые сочетали в себе

способность как накапливать и передавать генетическую информацию, так и

участвовать в синтезе белков. Разделение функций между двумя видами

нуклеиновых кислот открыло новые горизонты перед эволюцией. «В процессе

эволюции пробионтов, — пишет Опарин, — было испробовано и отвергнуто не

меньше, а, возможно, и значительно больше вариантов организации, чем,

например, ступеней между плавниками акулы и человеческой рукой».

После образования генетического кода эволюция становится темой с

вариациями. Чем дальше она продвигается во времени, тем многочисленнее и

сложнее вариации. Однако эволюция еще в самом начале. Минуло 1-1,2 млрд.

лет со времени образования Земли. Пробионты, бесспорно, развивались в

анаэробной среде. Они использовали для своего роста готовые органические

соединения, синтезированные в ходе химической эволюции, то есть были

гетеротрофными. Пробионты нуждались в различных химических соединениях —

нуклеотидах, аминокислотах идр. Если бы пробионты отдали себя на

консумацию, ничего не производя, то органические вещества были бы быстро

исчерпаны. Пробионты обладали слишком ограниченными возможностями (низкая

степень генетической информации), чтобы легко справляться с возникающими

препятствиями в условиях, когда они обеспечивали свое существование путем

диффузии. Невозможно представить, чтобы жизнь на этом раннем этапе

существовала в форме одного вида организмов: он бы быстро исчерпал свой

«первичный бульон». Как показала последующая эволюция, пробионты избрали

путь с оптимистическими перспективами. На первой ступени проявилась

тенденция к приобретению большого разнообразия свойств, в первую очередь к

возникновению способности синтезировать органические вещества из

неорганических соединений с использованием солнечного света, то есть к

возникновению автотрофного питания. Множество вариантов было

«перепробовано» перед тем, как достигнуть весьма важного результата —

появления органелл. К ним относятся: митохондрии, отвечающие за метаболизм

клетки; хлоропласты, осуществляющие фотосинтез; рибосомы — место, где

совершается процесс синтеза белка по инструкции ДНК; хроматин и поздний его

аналог хромосомы, которые отвечают за точную передачу наследственных черт.

Дж. Бернал логично допускает, что до обособления клетки органеллы прошли

стадию самостоятельной жизни.

В свое время Холдейн высказал предположение, что бактериофаги и другие

вирусы являются, по-видимому, связующим звеном между преджизнью (пробион-

тами) и жизнью. Но вирус не организм, он не имеет собственного обмена

веществ и может размножаться только при попадании в клетку. Это, очевидно,

дегенерировавшие (вторично упрощенные) формы, которые во многих отношениях

похожи на

некоторые органеллы. Они приспособились к внутриклеточному паразитическому

образу существования.

Примитивнейшими свободно живущими организмами являются так называемые

микоплазмы. Они имеют элементы, которые обнаружены в клетках, но в

чрезвычайно упрощенном виде. Это может указывать на примитивность, но также

может быть следствием вторичной дегенерации, связанной с паразитической

жизнью, как полагает Бернал.

В 1977 году американский биохимик К. Воуз широко оповестил о

результатах одного своего исследования, которые объявил открытием первой

формы жизни. В горячих (65-70(С) источниках Йеллоустонского парка он

обнаружил микроорганизмы, которые поглощают двуокись углерода и водорода и

выделяют метан. Так как сегодня известны две основные формы жизни —

растения и животные, то метанопроизводящие организмы были объявлены третьей

ее формой. А в сущности, третья ли это форма жизни или первая, которая

позже дала начало другим.

В настоящее время общепринято, что пробионты имели черты йеллоустонских

метанопроизводящих «бактерий» и жили без кислорода, с помощью ферментации.

Открытие Воуза бесспорно в отношении развития метанопроизводящих

микроогранизмов. Но являются ли они представителями первых организмов или

представляют собой результат вторичного приспособления и дегенерации

бактерий, не известно.

Многие специалисты скептически приняли сообщение К. Воуза не из-за

традиционного недоверия к сенсации, а потому, что известно много

современных анаэробных бактерий, которые живут за счет различных видов

ферментации, фотосинтеза или химических процессов. К. Гробштейн,

американский биолог и биохимик, приводит характерные примеры приспособления

бактерий к горячим (до 80(С) растворам путем последовательной «колонизации»

различными поколениями отдельных температурных зон, начиная от 30 и до

80(С.

Очевидно, истинная жизнь начинается с появления клетки. Биологические

мембраны помогают объединению отдельных органелл (мембранные органеллы и

органеллы-частицы) в единое целое. Образуется истинная основа жизни,

знаменующая собой скачок в эволюции. Очевидно, первые клетки примитивны,

они не имеют ядра (прокариоты). В настоящее время таковы бактерии и

некоторые другие микроорганизмы. Они появились около 3,2-3,5 млрд. лет

назад. Затем началось развитие клетки с ядром (эукариоты), содержащим

хромосомы — органеллы, которые хранят с помощью ДНК и передают

наследственные черты клетки.

Первые клетки были прообразом всех живых организмов: растений,

животных, бактерий. Позже, в процессе эволюции, под воздействием

дарвиновских законов естественного отбора клетки совершенствуются, вслед за

прокариотами и эукариотами отделяется третья категория — специализированные

клетки высших многоклеточных, растений и животных — метафитов и метазоа.

Сложные процессы химической эволюции, которая переходит в биохимическую

и биологическую эволюцию, могут быть выражены в виде простой схемы: атомы (

простые молекуы ( сложные макромолекулы и ультрамолекулярные системы

(пробионты) ( одноклеточные организмы.

Первый шаг сделан. Это было самым трудным. На этапе предбиологической

эволюции «испробовано» множество вариантов дальнейшего развития исходных

углеродных соединений. Начало можно представить как сложное переплетение

различных дорог, которые постепенно расходятся, а жизнь избирает один путь.

Другие остаются дорогами никуда.

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ:

. Шкловский И. С. «Вселенная. Жизнь. Разум», М., Наука, 1987 г.

. Хоровиц Н. «Поиски жизни в Солнечной системе», М., Мир, 1988 г.

. Югай Г. А. «Общая теория жизни», М., Мысль, 1985 г.

. Голдсмит Д., Оуэн Т. «Поиски жизни во Вселенной», М., 1983 г.

. Кальвин М. «Химическая эволюция», М., Мир, 1971 г.

. Николов Т. «Долгий путь жизни», М., Мир, 1986 г.

. Поннамперума С. «Происхождение жизни», М., Мир, 1977 г.

. Фокс С., Дозе К. «Молекулярная эволюция и возникновение жизни»

-----------------------

Страницы: 1, 2, 3


Новости

Быстрый поиск

Группа вКонтакте: новости

Пока нет

Новости в Twitter и Facebook

  бесплатно рефераты скачать              бесплатно рефераты скачать

Новости

бесплатно рефераты скачать

© 2010.