Visplašāk izplatīts 20. gs. saņēma bioķīmiskās evolūcijas teoriju, ko neatkarīgi viens no otra ierosināja divi izcili zinātnieki: krievu ķīmiķis A. I. Oparins (1894-1980) un angļu biologs Džons Haldane (1892-1964). Šī teorija balstās uz pieņēmumu, ka Zemes attīstības sākumposmā bija ilgs periods, kurā abiogēniski veidojās organiskie savienojumi. Enerģijas avots šiem procesiem bija Saules ultravioletais starojums, ko tobrīd nesaturēja ozona slānis, jo senās Zemes atmosfērā nebija ne ozona, ne skābekļa. Sintezētie organiskie savienojumi senajā okeānā uzkrājās desmitiem miljonu gadu, veidojot tā saukto “primāro buljonu”, kurā dzīvība, iespējams, radās pirmo primitīvo organismu – probiontu – veidā.
Šo hipotēzi pieņēma daudzi zinātnieki no dažādām valstīm, un, pamatojoties uz to, 1947. gadā angļu pētnieks Džons Desmonds Bernāls (1901-1971) formulēja modernu teoriju par dzīvības izcelsmi uz Zemes, ko sauca par biopoēzes teoriju.
Bernāls identificēja trīs galvenos dzīvības rašanās posmus: 1) abiogēno
organisko monomēru izskats; 2) bioloģisko polimēru veidošanās; 3) membrānu struktūru un primāro organismu (probiontu) veidošanās. Apskatīsim tuvāk, kas notika katrā no šiem posmiem.
Organisko monomēru abiogēnā sastopamība. Mūsu planēta radās apmēram pirms 4,6 miljardiem gadu. Planētas pakāpenisku blīvēšanu pavadīja milzīgs siltuma daudzums, radioaktīvie savienojumi sabruka, un no Saules nāca cieta ultravioletā starojuma straume. Pēc 500 miljoniem gadu Zeme sāka lēnām atdzist. Zemes garozas veidošanos pavadīja aktīva vulkāniskā darbība. Primārajā atmosfērā uzkrātās gāzes - Zemes zarnās notiekošo reakciju produkti: oglekļa dioksīds (CO2), oglekļa monoksīds (CO), amonjaks (NH3), metāns (CH4), sērūdeņradis (H2S) un daudzi citi. Šādas gāzes joprojām tiek izlaistas atmosfērā vulkānu izvirdumu laikā.
Ūdens, pastāvīgi iztvaikojot no Zemes virsmas, kondensējās atmosfēras augšējos slāņos un atkal lietus veidā nokrita uz karstās zemes virsmas. Pakāpeniska temperatūras pazemināšanās izraisīja lietusgāzes, ko pavadīja nepārtraukti pērkona negaiss, kas skāra Zemi. Uz zemes virsmas sāka veidoties rezervuāri. Atmosfēras gāzes un tās vielas, kas tika izskalotas no zemes garozas, izšķīdinātas karstā ūdenī. Atmosfērā biežas un spēcīgas elektriskās zibens izlādes, spēcīga ultravioletā starojuma un aktīvas vulkāniskās aktivitātes ietekmē no tā sastāvdaļām veidojās vienkāršas organiskas vielas (formaldehīds, glicerīns, dažas aminoskābes, urīnviela, pienskābe u.c.), kas bija kopā ar radioaktīvo savienojumu emisijām. Tā kā atmosfērā vēl nebija brīva skābekļa, šie savienojumi, nonākot primārā okeāna ūdeņos, netika oksidēti un varēja uzkrāties, kļūstot sarežģītākas struktūras un veidojot koncentrētu “primāro buljonu”. Tas turpinājās desmitiem
miljonu gadu (49. att.).
1953. gadā amerikāņu zinātnieks Stenlijs Millers veica eksperimentu, kurā simulēja apstākļus, kādi uz Zemes pastāvēja pirms 4 miljardiem gadu (50. att.). Zibensizlādes un ultravioletā starojuma vietā zinātnieks kā enerģijas avotu izmantoja augstsprieguma elektrisko izlādi (60 tūkstoši voltu). Izlādes izlāde vairāku dienu garumā enerģijas daudzumā atbilda 50 miljonu gadu periodam uz senās Zemes. Pēc eksperimenta beigām uzbūvētajā iekārtā tika atklāti organiskie savienojumi: urīnviela, pienskābe un dažas vienkāršas aminoskābes. 
Rīsi. 50. S. Millera eksperiments, kas simulē Zemes primārās atmosfēras apstākļus
Šīs teorijas būtība ir tāda, ka bioloģiskā evolūcija – t.i. Pirms dažādu dzīvo organismu formu rašanās, attīstības un sarežģījumiem notika ķīmiskā evolūcija - ilgs periods Zemes vēsturē, kas saistīts ar elementārvienību mijiedarbības rašanos, komplikāciju un uzlabošanos, kuru "būves bloki" dzīvās būtnes sastāv - organiskās molekulas.
Pēc lielākās daļas zinātnieku (galvenokārt astronomu un ģeologu) domām, Zeme kā debess ķermenis izveidojās pirms aptuveni 5 miljardiem gadu, kondensējoties ap Sauli rotējošā gāzes un putekļu mākoņa daļiņām.
Šajā periodā Zeme bija karsta bumba, kuras virsmas temperatūra sasniedza 4000-8000°C.
Pamazām, pateicoties siltumenerģijas starojumam kosmosā, Zeme sāk atdzist. Pirms aptuveni 4 miljardiem gadu Zeme tik ļoti atdzisa, ka uz tās virsmas izveidojās cieta garoza; tajā pašā laikā no tā dziļumiem izplūst vieglas, gāzveida vielas, paceļoties uz augšu un veidojot primāro atmosfēru. Primārās atmosfēras sastāvs būtiski atšķīrās no mūsdienu. Senās Zemes atmosfērā nebija brīva skābekļa, un tā sastāvā bija ūdeņradis (H 2), metāns (CH 4), amonjaks (NH 3), ūdens tvaiki (H 2 O), slāpeklis (N 2), ogleklis. monoksīds un oglekļa dioksīds (CO un C0 2).
Brīvā skābekļa trūkums pirmatnējās Zemes atmosfērā ir svarīgs dzīvības rašanās priekšnoteikums, jo skābeklis viegli oksidējas un tādējādi iznīcina organiskos savienojumus. Tāpēc brīvā skābekļa klātbūtnē atmosfērā ievērojama organisko vielu daudzuma uzkrāšanās uz senās Zemes būtu bijusi neiespējama.
Kad primārās atmosfēras temperatūra sasniedz 100°C, tajā sākas vienkāršu elementu sintēze. organiskās molekulas, piemēram, aminoskābes, nukleotīdi, taukskābes utt.karstie cukuri, daudzvērtīgie spirti, organiskās skābes utt. Enerģiju sintēzei piegādā zibens izlādes, vulkāniskā darbība, cietais kosmiskais starojums un, visbeidzot, ultravioletais starojums no Saules, no kura Zeme vēl nav aizsargāta ar ozona vairogu, un zinātnieki ultravioleto starojumu uzskata par galveno enerģijas avotu abiogēnai (t.i., kas notiek bez dzīvo organismu līdzdalības) organisko vielu sintēzei.
Kad primārās atmosfēras temperatūra ir zemāka par 100°C, veidojas primārais okeāns, sākas sintēze vienkāršas organiskās molekulas, un pēc tamkompleksi biopolimēri. Dzīvo organismu prototipi ir koacervāta pilieni, kas parādījās pirmatnējā okeānā un veidoja organisku buljonu.Koacervāta pilieniem ir zināma vielmaiņa:
- var selektīvi absorbēt noteiktas vielas no šķīduma un izdalīt to sabrukšanas produktus vidē un augt;
- sasniedzot noteiktu izmēru, tie sāk “vairoties”, veidojot mazus pilienus, kas savukārt var augt un “pumpēties”;
- sajaucoties viļņu un vēja ietekmē, tie var pārklāties ar lipīdu apvalku: vienu apvalku, kas atgādina ziepju micellas (kad piliens tiek pacelts no ūdens virsmas, kas vienreiz pārklāta ar lipīdu slāni), vai dubultā apvalka, kas atgādina šūnu membrānu (kad piliens, kas pārklāts ar viena slāņa lipīdu membrānu, atkal nokrīt uz lipīdu plēves, kas pārklāj rezervuāra virsmu).
Koacervātu pilienu rašanās procesi, to augšana un “izaugšana”, kā arī to “pārsēšanās” ar lipīdu divslāņu membrānu ir viegli simulējami laboratorijas apstākļos.
Tādējādi organisko molekulu abiogēnās sintēzes procesi bija reproducējamied modeļu eksperimentos.1828. gadā izcilais vācu ķīmiķis F. Vēlers no neorganiskas vielas - amonija cianāta sintezēja organisku vielu - urīnvielu.
1953. gadā jauns amerikāņu pētnieks, Čikāgas universitātes maģistrants Stenlijs Millers, stikla kolbā ar elektrodiem, kas tajā bija noslēgti, reproducēja Zemes primāro atmosfēru, kas, pēc tā laika zinātnieku domām, sastāvēja no ūdeņraža metāna CH 4, amonjaks NH 3, un ūdens tvaiki H 2 0. S. Millers nedēļu caur šo gāzu maisījumu izlaida elektriskās izlādes, imitējot pērkona negaisu. Eksperimenta beigās kolbā tika atrastas α-aminoskābes (glicīns, alanīns, asparagīns, glutamīns), organiskās skābes (dzintarskābe, pienskābe, etiķskābe, glikolskābe), y-hidroksisviestskābe un urīnviela. Atkārtojot eksperimentu, S. Milleram izdevās iegūt atsevišķus nukleotīdus un īsas polinukleotīdu ķēdes no piecām līdz sešām vienībām.
J. Oro, mēreni karsējot ūdeņraža, oglekļa, slāpekļa, NH 3, H 2 O maisījumu, ieguva adenīnu un, elektrisko izlāžu ietekmē, karbamīda amonjaka šķīdumu reaģējot ar savienojumiem, kas rodas no gāzēm elektrisko izlāžu ietekmē, ieguva uracilu.
L. Orgels (1980. gadi) līdzīgos eksperimentos sintezēja sešu monomēru vienību garas nukleotīdu ķēdes.
S. Akabyuri ieguva vienkāršāko proteīnu polimērus.
Šobrīd uz Zemes var notikt organisko molekulu abiogēnā sintēze (piemēram, vulkāniskās aktivitātes procesā). Tajā pašā laikā vulkāniskajās emisijās var atrast ne tikai ciānūdeņražskābi HCN, kas ir aminoskābju un nukleotīdu prekursors, bet arī atsevišķas aminoskābes, nukleotīdus un pat tādas sarežģītas organiskas vielas kā porfirīni. Organisko vielu abiogēnā sintēze iespējama ne tikai uz Zemes, bet arī kosmosā. Vienkāršākās aminoskābes ir atrodamas meteorītos un komētās.
Teorija abiogēnā dzīvības molekulārā evolūcija no neorganiskām vielām radīja krievu zinātnieks A.I. Oparins (1924) un angļu zinātnieks J. Haldane (1929). Pēc dabaszinātnieku domām, Zeme parādījās apmēram pirms 4,5–7 miljardiem gadu. Sākumā Zeme bija putekļu mākonis, kura temperatūra svārstījās 4000-8000°C robežās. Pamazām dzesēšanas procesā smagie elementi sāka atrasties mūsu planētas centrā, bet vieglākie - gar perifēriju.
Tiek pieņemts, ka vienkāršākie dzīvie organismi uz Zemes parādījās pirms 3,5 miljardiem gadu. Dzīve vispirms ir rezultāts ķīmiska, un tad bioloģiskā evolūcija.
Protobionti arī vēl nav pilnīga dzīvības forma. Tiek pieņemts, ka viņi pakāpeniski ieguva savienojumus, kas līdzīgi fermentiem (koenzīmiem, pašiem fermentiem) un ATP, izmantojot abiogēnus līdzekļus.
Šūnas rašanās (matricas sintēze)
Matricas sintēzes rašanās proteīnu un nukleīnskābju funkciju savstarpējas adaptācijas un saplūšanas rezultātā spēlēja lielu lomu protobiontu pārveidošanā par īstām šūnām.
Matricas sintēze ir proteīna molekulu bioloģiskā sintēze, kuras pamatā ir nukleīnskābēs esošā informācija.
Līdz ar matricas sintēzes procesa parādīšanos ķīmiskā evolūcija padevās bioloģiskajai evolūcijai. Dzīvības attīstība tagad turpinājās bioloģiskās evolūcijas ceļā.
A.I. Oparins bija pirmais, kurš izvirzīja ideju eksperimentāli izpētīt dzīvības izcelsmi. Patiešām, S. Millers (1953) izveidoja eksperimentālu Zemes primāro apstākļu modeli. Ietekmējot uzkarsētu metānu, amonjaku, ūdeņradi un ūdens tvaikus ar elektrisko izlādi, viņš sintezēja aminoskābes, piemēram, asparagīnu, glicīnu, glutamīnu (šādā sistēmā gāzes imitēja atmosfēru, elektriskā izlāde – zibeni; 57. att.).
D. Oro, karsējot ūdeņraža cianīdu, amonjaku un ūdeni, veica adenīna sintēzi. Riboze un dezoksiriboze tika sintezētas, pakļaujot metānu, amonjaku un ūdeni jonizējošam starojumam. Šādu eksperimentu rezultāti ir apstiprināti ar daudziem pētījumiem. Evolūcijas procesā monomēri pamazām pārtapa bioloģiskos polimēros (polipeptīdos, polinukleotīdos), kas tika apstiprināts arī eksperimentāli. Tādējādi S. Foksa eksperimentos, karsējot aminoskābju maisījumu, tika sintezēti proteinoīdi (olbaltumvielām līdzīgas vielas). Pēc tam eksperimentos tika sintezēti nukleotīdu polimēri.
Koacervātiem līdzīgus savienojumus eksperimentāli sintezēja un rūpīgi pētīja A. I. Oparins un viņa studenti. Materiāls no vietnes
Tomēr nebija zināms, kas bija pirmais dzīvības bioķīmiskajā evolūcijā: olbaltumvielas vai nukleīnskābes. Saskaņā ar A.I. Oparin teoriju vispirms parādījās olbaltumvielu molekulas. Ģenētiskās hipotēzes atbalstītāji, gluži pretēji, uzskatīja, ka vispirms radās nukleīnskābes. Šo pieņēmumu 1929. gadā izvirzīja G. Millers. Laboratorijas pētījumi ir pierādījuši nukleīnskābju replikācijas iespēju bez enzīmu ietekmes. Pēc zinātnieku domām, primārās ribosomas sastāvēja tikai no RNS, un spēja sintezēt olbaltumvielas varēja parādīties vēlāk. Vēlāk tika iegūti jauni dati, kas apstiprina šo pieņēmumu. Ribonukleīnskābes replikācija bez enzīmu līdzdalības, reversā transkripcija, t.i. uz RNS balstītas DNS sintēzes iespēja – tas viss liecina par ģenētisko hipotēzi.
Dzīvības evolūcija uz Zemes
Dzīvības rašanās uz Zemes problēma ir viena no lielākajām dabaszinātņu problēmām. Šī problēma ir piesaistījusi cilvēku uzmanību kopš neatminamiem laikiem. Taču dažādos laikmetos un dažādos cilvēces kultūras attīstības posmos šī problēma tika risināta dažādi. Teorijas par Zemes un patiesi visa Visuma izcelsmi ir dažādas un ne tuvu nav ticamas. Šeit ir galvenie:
1. Kreacionisms. Saskaņā ar šo ideju, dzīvi radīja radītājs (no latīņu vārda izveidot - radīt).
2. Līdzsvara stāvokļa hipotēze. Dzīve, tāpat kā pats Visums, ne vienmēr ir pastāvējusi un pastāvēs mūžīgi, jo tai nav sākuma un beigu.
3. Spontānas paaudzes hipotēze, saskaņā ar kuru dzīvība spontāni rodas no nedzīvas matērijas.
4. Panspermijas teorija ir ideja, ka dzīvība uz Zemi tika atvesta no ārpuses, no kosmosa. Jāsaka, ka šī teorija joprojām ir populāra zinātnieku vidū.
Visas šīs teorijas lielākoties ir spekulatīvas un tām nav tiešu pierādījumu. Pašlaik zinātnieku vidū nav vienprātības par dzīvības izcelsmi. Mūsdienu zinātnē visplašāk atzītā hipotēze ir tā, ko formulējis padomju zinātnieks Akad. A.I.Oparins un angļu zinātnieks J.Haldane.
Bioķīmiskās evolūcijas teorija
(dzīvības izcelsmes bioķīmiskā teorija)
1923. gadā padomju zinātnieks Oparins izteica viedokli, ka Zemes atmosfēra nav tāda pati kā tagad. Pamatojoties uz teorētiskiem apsvērumiem, viņš ierosināja, ka dzīvība pakāpeniski radās no neorganiskām vielām ilgstošas molekulārās evolūcijas ceļā.
1. Tiek uzskatīts, ka Zeme un citas Saules sistēmas planētas veidojās no gāzes un putekļu mākoņa aptuveni pirms 4,5 miljardiem gadu. Pirmajos eksistences posmos uz Zemes bija ļoti augsta temperatūra. Planētai atdziestot, smagie elementi virzījās uz centru, bet vieglākie elementi palika uz virsmas. Piemēram, centrā bija koncentrēti dzelzs atomi (pēc zinātnieku domām, šobrīd Zemes kodols sastāv no izkausēta dzelzs, kas uzkarsēts līdz vairākiem tūkstošiem grādu C un ir 2 reizes mazāks nekā Mēness). Mazāk smagie silīcija un alumīnija atomi veido zemes garozu. Vieglākais palika mākoņa ārējos slāņos un veidoja primāro Zemes atmosfēru. Tas sastāvēja no brīvā H2 un tā savienojumiem: ūdens, metāna, amonjaka un HCN, un tāpēc tam bija reducējoša rakstura (ūdeņraža savienojumi viegli iekļūst ķīmiskās reakcijās, atsakoties no ūdeņraža un tajā pašā laikā paši oksidējoties).
Atmosfēras komponenti tika pakļauti dažādiem enerģijas avotiem:
· Ciets, tuvu rentgena īsviļņu starojumam no Saules
· Zibens izlādes
Augsta temperatūra zibens un vulkāniskās aktivitātes zonās (t.i., karstā lava, karstie avoti, geizeri)
· Meteorītu triecienviļņi, kas nonāk zemes atmosfērā.
Šīs ietekmes rezultātā ķīmiski vienkāršās atmosfēras sastāvdaļas mijiedarbojās, mainījās un kļuva sarežģītākas. Parādījās cukuru, aminoskābju, slāpekļa bāzu, organisko skābju (etiķskābes, skudrskābes, pienskābes) un citu vienkāršu organisko savienojumu molekulas.
Skābekļa trūkums atmosfērā un reducējoša vide bija nepieciešams nosacījums organisko molekulu rašanās ar nebioloģiskiem līdzekļiem. Skābeklis mijiedarbojas ar organiskajām vielām un iznīcina tās vai atņem tām īpašības, kas būtu noderīgas prebioloģiskajām sistēmām. Tāpēc, ja organiskās molekulas uz primitīvās Zemes nonāktu saskarē ar skābekli, tās ilgi nepastāvētu un tām nebūtu laika veidot sarežģītākas struktūras.
1953. gadā Stenlijs Millers vairākos eksperimentos simulēja apstākļus, kas it kā pastāvēja uz primitīvās Zemes. Atmosfēras apstākļi tika radīti noslēgtā kolbā (ūdens tvaiki, amonjaks, metāns, ciānūdeņražskābe, oglekļa dioksīds). Kolbas bezkrāsainais saturs tika pakļauts augstām temperatūrām un elektriskās izlādes iedarbībai un rezultātā ieguva sarkanu nokrāsu taukskābju, urīnvielas, cukuru un aminoskābju veidošanās dēļ.
Citi zinātnieki ir veikuši līdzīgus eksperimentus, izmantojot dažādus enerģijas avotus. Visos eksperimentos, ja nebija skābekļa, bija iespējams iegūt plašu dažādu bioloģisko produktu klāstu. Pētniekus īpaši interesēja aminoskābju veidošanās iespēja - galu galā tās ir olbaltumvielu molekulu celtniecības bloki. Vēlāk izrādījās, ka daudzus vienkāršus savienojumus, kas ir daļa no bioloģiskajiem polimēriem – olbaltumvielas, nukleīnskābes un polisaharīdus – var sintezēt abiogēniski.
Organisko savienojumu abiogēnās sintēzes iespējamību pierāda fakts, ka tie ir sastopami arī kosmosā. Kosmosā ir atrasts ūdeņraža cianīds, formaldehīds, skudrskābe, metil- un etilspirti un citi vienkārši organiski savienojumi. Daži meteorīti satur taukskābes, cukurus un aminoskābes. Šie savienojumi veidojas mūsdienās, kad vulkāna izvirdumu un lavas gāzveida produkti reaģē ar ūdeni.
Tas viss liecina, ka organiskie savienojumi varēja rasties tīri ķīmiski apstākļos, kādi pastāvēja uz Zemes pirms aptuveni 4 miljardiem gadu. Tam nepieciešamie nosacījumi ir:
· Atmosfēras reducējošais raksturs (O 2 trūkums)
· Siltums
Enerģijas avoti (UV starojums no saules, zibens utt.)
2. Nākamais solis bija polimēru veidošana no monomēriem.
Zemei atdziestot, atmosfērā esošie ūdens tvaiki kondensējās, un lietus nolija uz Zemes virsmas, veidojot lielus ūdens plašumus. Primāro vienību polimerizācijas reakcija nenotiek ūdens šķīdumā, jo, apvienojot divas aminoskābes vai divus nukleotīdus, tiek atdalīta ūdens molekula. Reakcija ūdenī notiks pretējā virzienā. Biopolimēru sadalīšanās (hidrolīzes) ātrums būs lielāks par to sintēzes ātrumu. Ir skaidrs, ka biopolimēri pirmatnējā okeānā nevarēja rasties paši.
Iespējams, ka primārā biopolimēru sintēze notika, kad primārais okeāns bija sasalis vai kad tā sausais atlikums tika uzkarsēts.
Amerikāņu pētnieks Sidnijs Fokss, uzsildot sauso aminoskābju maisījumu līdz 130C, parādīja, ka šajā gadījumā notiek polimerizācijas reakcija (iztvaikotais ūdens) un tiek iegūti mākslīgie proteīdi, līdzīgi kā proteīniem, kuru ķēdē ir līdz 200 un vairāk aminoskābēm. . Izšķīdinātiem ūdenī, tiem bija proteīnu īpašības, tie nodrošināja barotni baktērijām un pat katalizēja (paātrina) dažas ķīmiskas reakcijas, piemēram, īstiem fermentiem.
Varbūt tie radās pirmsbioloģiskajā laikmetā karstajās vulkānu nogāzēs, un pēc tam lietus tos ieskaloja pirmatnējā okeānā. Pastāv arī viedoklis, ka biopolimēru sintēze notika tieši primārajā atmosfērā un iegūtie savienojumi putekļu daļiņu veidā nokrita primārajā okeānā.
Tā radās mūsdienu proteīnu un nukleīnskābju prototipi. Starp nejauši izveidotajiem polipeptīdiem varētu būt tādi, kuriem bija katalītiska aktivitāte un kuri varēja paātrināt polinukleotīdu sintēzes procesus.
1 no 44
Prezentācija - Bioķīmiskā evolūcija
Šīs prezentācijas teksts
Abioģenēzes teorija (bioķīmiskā evolūcija). Modelis A. Oparins -J. Haldane. S. Millera eksperimenti. Teorijas problēmas un pretrunas
1923. gadā padomju bioķīmiķis Aleksejs Oparins izstrādāja bioķīmiskās evolūcijas teoriju.
A. I. Oparins, krievu bioķīmiķis, akadēmiķis, savu pirmo grāmatu par šo dzīves rašanās problēmu bioķīmiskās evolūcijas ceļā publicēja 1924. gadā.
1894. gada 2. marts – 1980. gada 21. aprīlis
Pirms miljardiem gadu planētas veidošanās laikā pirmās organiskās vielas bija ogļūdeņraži, kas izveidojās okeānā no vienkāršākiem savienojumiem.
Šīs teorijas pamatā bija ideja:
A. Oparins dzīvības rašanos uzskatīja par vienotu dabisku procesu, kas sastāvēja no sākotnējās ķīmiskās evolūcijas, kas notika agrīnās Zemes apstākļos, kas pamazām pārgāja kvalitatīvi jaunā līmenī – bioķīmiskajā evolūcijā.
Hipotēzes būtība:
Dzīvības izcelsme uz Zemes ir ilgs evolūcijas process dzīvās vielas veidošanās procesā nedzīvās vielas dziļumos.
Tas notika ķīmiskās evolūcijas ceļā, kā rezultātā spēcīgu fizikāli ķīmisko faktoru ietekmē no neorganiskajām veidojās vienkāršākās organiskās vielas.
Oparīns identificē trīs pārejas posmus no nedzīvas uz dzīvo vielu:
1) sākotnējo organisko savienojumu sintēzes stadija no neorganiskām vielām agrīnās Zemes primārās atmosfēras apstākļos; 2) biopolimēru, lipīdu, ogļūdeņražu veidošanās stadija no uzkrātajiem organiskajiem savienojumiem Zemes primārajos rezervuāros; 3) sarežģītu organisko savienojumu pašorganizēšanās stadija, organisko struktūru vielmaiņas un vairošanās procesu rašanās un evolucionāra pilnveidošanās, kas beidzas ar vienkāršākās šūnas veidošanos.
Pirmais posms (apmēram pirms 4 miljardiem gadu)
Planētai atdziestot, ūdens tvaiki atmosfērā kondensējās un lija uz Zemes, veidojot milzīgus ūdens plašumus.
Tā kā Zemes virsma palika karsta, ūdens iztvaikoja un pēc tam, atdziestot augšējos atmosfēras slāņos, atkal nokrita uz planētas virsmas.
Tādējādi primārā okeāna ūdeņos tika izšķīdināti dažādi sāļi un organiskie savienojumi
Šie procesi turpinājās daudzus miljonus gadu
Otrā fāze
Apstākļi uz Zemes kļūst mīkstāki, elektrisko izlāžu, siltumenerģijas un ultravioleto staru ietekmē uz primārā okeāna ķīmiskajiem maisījumiem ir kļuvis iespējams veidot sarežģītus organiskos savienojumus - biopolimērus un nukleotīdus, kas pakāpeniski apvienojas un kļūst sarežģītāki.
Sarežģītu organisko vielu evolūcijas rezultāts bija koacervātu jeb koacervātu pilienu parādīšanās.
Koacervāti ir koloidālu daļiņu kompleksi, kuru šķīdums ir sadalīts divos slāņos:
slānis, kas bagāts ar koloidālām daļiņām
šķidrums gandrīz bez tiem
Izrādījās, ka koacervāti spēj absorbēt dažādas organiskās vielas no ārējās vides, kas nodrošināja primārās vielmaiņas iespēju ar vidi.
konservētiem koacervāta pilieniem bija iespēja iziet primāro metabolismu
Trešais posms
Sāka darboties dabiskā atlase
rezultātā saglabājās tikai neliela daļa koacervātu
Sasniedzot noteiktu izmēru, mātes piliens varēja sadalīties meitas pilienos, kas saglabāja vecāku struktūras iezīmes
Vēlāk bioķīmiskās evolūcijas teorija tika izstrādāta angļu zinātnieka Džona Haldana darbos
J. Haldane, angļu ģenētiķis un bioķīmiķis, kopš 1929. gada izstrādāja idejas, kas saskan ar A.I.
Dzīvība bija ilgstošas evolūcijas oglekļa savienojumu rezultāts. Vielas, kas pēc to ķīmiskā sastāva līdzīgas olbaltumvielām un citiem organiskiem savienojumiem, kas veido dzīvo organismu pamatu, radās uz ogļūdeņražu bāzes.
Džons Haldane formulēja hipotēzi
Pēc tam, absorbējot olbaltumvielas no vides, koacervātu struktūra kļuva sarežģītāka, un tie kļuva līdzīgi primitīvām, bet jau dzīvām šūnām, un to iekšējā sastāva ķīmiskie savienojumi ļāva tiem augt, mutēt, metabolizēties un vairoties.
Koacervāts (no latīņu valodas koacervātus - “savākts kaudzē”) vai “primārais buljons” ir daudzmolekulārs komplekss, pilieni vai slāņi ar lielāku atšķaidītās vielas koncentrāciju nekā pārējā tāda paša ķīmiskā sastāva šķīdumā.
Alekseja Oparina pausto bioķīmiskās evolūcijas un dzīvības izcelšanās uz Zemes teoriju atzīst daudzi zinātnieki, tomēr lielā pieņēmumu un pieņēmumu skaita dēļ tā rada zināmas šaubas.
Postulāti, ka dzīvība uz Zemes radās tieši no nedzīvas matērijas apstākļos, kādi pastāvēja uz planētas pirms miljardiem gadu. Šie nosacījumi ietvēra enerģijas avotu klātbūtni, noteiktu temperatūras režīmu, ūdeni un citas neorganiskās vielas - organisko savienojumu prekursorus. Atmosfēra toreiz bija bez skābekļa (skābekļa avots pašlaik ir augi, bet toreiz tādu nebija).
"Oparina-Haldane hipotēze"
Dzīvības attīstības posmi uz Zemes saskaņā ar Oparina-Haldane hipotēzi
Laika periods Dzīvības rašanās posmi Notikumi, kas notiek uz Zemes
Pirms 6,5 līdz 3,5 miljardiem gadu 1 Primārās atmosfēras veidošanās, kas satur metānu, amonjaku, oglekļa dioksīdu, ūdeņradi, oglekļa monoksīdu un ūdens tvaikus
2 Planētas dzesēšana (temperatūra zem +100 °C uz tās virsmas); ūdens tvaiku kondensācija; primārā okeāna veidošanās; gāzu un minerālvielu šķīdināšana tās ūdenī; spēcīgi pērkona negaiss Vienkāršu organisko savienojumu - aminoskābju, cukuru, slāpekļa bāzu - sintēze spēcīgu elektrisko izlādi (zibens) un ultravioletā starojuma rezultātā
3 Vienkāršāko olbaltumvielu, nukleīnskābju, polisaharīdu, tauku veidošanās; koacervē
Pirms 3,5 līdz 3 miljardiem gadu 4 Pašvairošanos un regulētu metabolismu spējīgu protobiontu veidošanās membrānu ar selektīvu caurlaidību un nukleīnskābju un olbaltumvielu mijiedarbības rezultātā
Pirms 3 miljardiem gadu 5 Organismu ar šūnu struktūru rašanās (primārie prokarioti-baktērijas)
Ļoti pārliecinoši pierādījumi par 2. un 3. dzīves attīstības posma īstenošanas iespējām tika iegūti daudzu bioloģisko monomēru mākslīgās sintēzes eksperimentu rezultātā.
Pirmo reizi 1953. gadā S. Millers (ASV) izveidoja diezgan vienkāršu instalāciju, kurā viņam izdevās sintezēt vairākas aminoskābes un citus organiskos savienojumus no gāzu un ūdens tvaiku maisījuma ultravioletā starojuma un elektrisko izlāžu ietekmē.
Publikācijā žurnālā Science ir aprakstīti dati, kas zinātniekiem nebija pieejami pirms vairāk nekā 50 gadiem.
Jauns Čikāgas universitātes darbinieks Stenlijs Millers veic savus slavenos eksperimentus par bioloģisko molekulu sintēzi. 1953. gads //Sandjego Kalifornijas Universitātes Ķīmijas katedras arhīvs
Tad Nobela prēmijas laureāts Harolds Urijs, kurš saņēma prestižo balvu par smagā ūdens atklāšanu un pēc tam sāka interesēties par kosmoķīmijas problēmām,
iedvesmoja vienu no saviem studentiem Stenliju Milleru teorijai par aizvēsturisku abiotisku zupu, no kuras ārējo faktoru ietekmē radās pirmās organiskās molekulas.
189. gada 29. aprīlis – 1981. gada 5. janvāris (87 gadi)
Lai laboratorijā atjaunotu reakcijas apstākļos, kas līdzīgi tiem, kādi valdīja uz Zemes pirms miljardiem gadu, Millers izstrādāja oriģinālu ķīmisku ierīci.
Ierīce sastāv no lielas reakcijas kolbas, kurā ir metāna, amonjaka un ūdeņraža tvaiki, kurā no apakšas tiek iesūknēti karstā ūdens tvaiki. Uz augšu ir volframa elektrodi, kas rada dzirksteles izlādi. Šādi imitējot pērkona negaisa apstākļus aktīva piekrastes vulkāna tuvumā, Millers cerēja sintēzes ceļā iegūt bioloģiskās molekulas.
Verdošs ūdens (1) rada tvaika strūklu, ko pastiprina aspiratora sprausla (ieliktnis), dzirkstelīte, kas lec starp diviem elektrodiem (2), sāk ķīmisko pārvērtību kopumu, ledusskapis (3) atdzesē ūdens tvaiku plūsmu, kas satur reakcijas produkti, kas nosēžas slazdā (4).//Neds Šovs, Indiānas universitāte.
Savā eksperimentā Millers izmantoja gāzu maisījumu, kas sastāv no:
amonjaks
metāns
ūdeņradis
ūdens tvaiki
Saskaņā ar Millera pieņēmumu, tas bija šis maisījums, kas dominēja Zemes primārajā atmosfērā.
Tā kā šīs gāzes nevarēja reaģēt dabiskos apstākļos, Millers tās pakļāva elektriskajai enerģijai, imitējot zibens izlādes, no kurām enerģija bija jāiegūst agrīnā atmosfērā.
100 ° C temperatūrā maisījumu vārīja nedēļu, sistemātiski pakļaujot elektrisko izlādi.
Nedēļas beigās veiktā ķīmiskās sintēzes analīze parādīja, ka no divdesmit aminoskābēm, kas veido jebkura proteīna pamatu, tika izveidotas tikai trīs.
Pēc Stīvena Millera nāves, šķirojot viņa dienasgrāmatas un arhīvus, radinieki un kolēģi atklāja piezīmes, kas saistītas ar 50. gadu darbiem, kā arī vairākas pudeles ar parakstiem.
Paraksti liecināja, ka kolbu saturs ir nekas cits kā sintēzes produkti Millera aparātā, ko autors saglabājis neaizskaramā veidā.
Stenlija Millera eksperimenti, kurš mēģināja mēģenē atkārtot dzīvības izcelsmi uz Zemes, bija daudz veiksmīgāki, nekā Millers pats uzskatīja. Mūsdienu metodes ir ļāvušas atrast nevis piecas, bet visas 22 aminoskābes ķīmiskajos traukos, ko zinātnieki aizzīmogoja pirms daudziem gadu desmitiem.
Nākamo 20 gadu laikā tika izveidots:
Atmosfēra Millera pieredzē bija fiktīva
Zemes agrīnā atmosfēra nebija veidota no metāna un amonjaka, bet gan no slāpekļa, oglekļa dioksīda un ūdens tvaikiem, un Millera eksperiments nebija nekas vairāk kā klaji meli.
Eksperimentos aminoskābju iegūšanai ņēma gatavu amonjaku, un pats par sevi abiogēnā veidā tas veidojas tikai augstā spiedienā un temperatūrā no līdzvērtīga ūdeņraža un slāpekļa maisījuma, katalizatora klātbūtnē.
Millers eksperimentā izmantoja “aukstā slazda” mehānismu, tas ir, iegūtās aminoskābes nekavējoties tika izolētas no ārējās vides.
Bez šī mehānisma atmosfēras apstākļi nekavējoties iznīcinātu šīs molekulas.
Millers, izmantojot “aukstā slazda” metodi, pats sagrāva savu apgalvojumu par aminoskābju brīvas veidošanās iespēju atmosfērā.
Rezultātā visi centieni parādīja, ka pat ideālos laboratorijas apstākļos nav iespējams sintezēt aminoskābes bez “aukstā slazda” mehānisma, lai novērstu aminoskābju sadalīšanos jau viņu pašu vides ietekmē, tāpēc nevar būt ne runas par to nejauša parādīšanās dabā.
Millera eksperimentu zinātniskās problēmas
Iegūtās aminoskābes izrādījās “nedzīvas”: tās bija nepareizā rotācijas virzienā – “hiralitātes” efekts. Eksperimenta rezultātā tika iegūtas daudzas D-aminoskābes. Dzīvā organisma struktūrā D-aminoskābes nav.
“hiralitātes problēmas” Eksperimenta rezultātā tika iegūtas aminoskābes ar dažādām rotācijām (orientācijām) no iedomātās ass, kas padara tās gandrīz neiespējamu apvienot olbaltumvielās (b-ok)
hiralitāte
Termins "hiralitāte" cēlies no grieķu vārda "chiros" - roka.