Гипотеза происхождения жизни на Земле. Опарина-Холдейна. Современное состояние проблемы. Урок-конференция Жизнь на заре жизни - ОСНОВЫ ГЕНЕТИКИ

Цели: продолжить формирование знаний учащихся о возникновении жизни на Земле, об условиях, способствующих возникновению живого из неживого, о возникновении планеты Земля; познакомить с основными постулатами теории А.И. Опарина—Дж. Холдейна.

Оборудование: самодельная схема “Этапы химической эволюции”, портреты ученых.

Ход урока

I. Организационный момент

В начале урока учитель предлагает учащимся в ходе конференции заполнить таблицу.

Развитие органической жизни на Земле (по А.И. Опарину и Дж. Холдейну)

Этапы возникновения жизни	Процессы, проходящие на Земле
1.
2.
3.
4.

II. Изучение новой темы

Ведущий. Уважаемые коллеги! Позвольте мне начать нашу конференцию “Жизнь на заре жизни”, которая продолжит начатый нами на прошлом занятии разговор о проблеме происхождения жизни. Для начала разрешите представить наших участников конференции (перечисляет экспертов, каждый из которых встает и приветствует зал).

Следует подчеркнуть, что проблема происхождения жизни на Земле — это проблема нашего времени, приобретающая все большую

сложность по мере углубления наших знаний о том, что представляет собой жизнь.

Одна из основных сложностей при попытке решения проблемы происхождения жизни связана с тем, что мы имеем лишь единственный известный нам вариант жизни — земную жизнь. Если бы удалось найти хоть один пример самостоятельно возникшей неземной жизни, это упростило, а может быть и усложнило всю проблему.

Поскольку подавляющее число экспериментальных исследований по проблеме происхождения жизни стимулировалось теорией Опарина, а основные положения ее были подтверждены достижениями бурно развивающейся тогда науки, целесообразно ознакомится с изложением этих положений несколько подробнее.

Биолог. Эта гипотеза исходит из предположения о постепенном возникновении жизни на Земле из неорганических веществ путем длительной химической эволюции на уровне молекул. По Опарину, процесс возникновения жизни на нашей планете можно разделить на ряд этапов:

1) абиогенный синтез простейших органических соединений из неорганических;

2) абиогенный синтез полимеров (белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот) из простых органических соединений;

3) образование коацерватов как обособление в растворе высокомолекулярных веществ в виде высококонцентрированного раствора;

4) взаимодействие коацерватов с окружающей средой, сходство с живыми организмами: рост, питание, дыхание, обмен веществ, размножение;

5) возникновение генетического кода, мембраны и начало биологической эволюции.

Выступающий обращает внимание слушателей на схему этапов химической эволюции (схема 1).

Ведущий. Спасибо за четкое изложение основных положений концепции А.И. Опарина.

Современная космология связывает происхождение Вселенной с "Волыним взрывом”.

Можно ли от космологии перекинуть “мостик” к биологии и возникновение жизни связать с ним?

Астроном. Действительно, некоторые факты подтверждают идею “Большого взрыва”, согласно которой, около 15 млрд лет назад

произошел чудовищной силы взрыв, породивший известную нам Вселенную. В соответствии с концепцией О.Ю. Шмидта около 6 млрд лет назад из газово-пылевого облака образовалось Солнце. Из оставшейся части облака, вращающейся вокруг Солнца, сформировались планеты Солнечной системы, в числе которых была и Земля. Самым древним из обнаруженных горных пород 4,6 млрд лет. В слоях моложе 3,8 млрд лет обнаружены продукты распада хлорофилла и других пигментов, а возрастом 3,2 млрд лет датируются первые достоверные находки микроорганизмов. Можно заключить, что жизнь возникла в период между 4—3 млрд лет.

Ведущий. Начало жизни уносит нас в ранние периоды развития нашей планеты, за пределы ее геологической истории, так как одним из важнейших вопросов происхождения жизни остается следующий: какие условия являются необходимыми и достаточными для ее возникновения? Думаю, что более полный ответ на этот вопрос нам дадут геохимики. Предоставим им слово.

Геохимик. Первоначально Земля была холодной, но благодаря распаду радиоактивных элементов она разогрелась, а температура в ее недрах достигла 1000 °С, в результате чего твердые породы начали плавиться и распределились следующим образом: в центре — самые тяжелые, а на поверхности — самые легкие. Под влиянием высокой температуры вещества вступали в химические реакции. Активно действовали вулканы, выбрасывая на поверхность планеты из ее недр огромное количество неорганических веществ. В результате дегазации планетарных недр образовалась атмосфера, которая состояла из паров воды, углекислого газа (4:1) и азота (менее 1% вулканических газов), а также незначительного количества окислов серы. Свободный кислород, который выделялся из мантии, быстро расходовался на процессы окисления.

Затем наступил период охлаждения планеты. Температура на поверхности Земли снизилась до 100 °С, началась конденсация водяного пара в атмосфере, прошли проливные дожди, продолжающиеся тысячелетия и сопровождающиеся грозами. Горячая вода заполняла впадины земной поверхности. В ней растворялись вещества, содержащиеся в земной коре и атмосфере, вступали в химические реакции. Когда Земля остыла настолько, что водяные пары сгустились и образовали первичный океан, многие соединения, в том числе и органические, оказались растворенными в водах этого океана. Таким образом, на планете в то время сложился уникальный, неповторимый комплекс условий. Поверхность Земли, вероятно, еще не совсем остыла, но и не была излишне накалена. Отсутствие озонового экрана способствовало неограниченному поступлению на поверхность планеты ультрафиолетового излучения, что способствовало образованию органических веществ.

Ведущий. Итак, как предполагают, первичная атмосфера Земли имела восстановительный характер, поэтому возникающие на поверхности Земли органические вещества могли накапливаться не окисляясь. Но непонятно одно: для возникновения живых систем

необходимы органические вещества, а для образования органических веществ нужны живые системы. Образно говоря, мы стоим перед вопросом: что было первым — курица или яйцо? Я думаю, что на этот вопрос попытаются ответить нам химики.

Биохимик 1. Еще в начале XX века существовала убежденность, что биоорганические соединения могут образовываться лишь в результате фотосинтеза. Сопоставляя отрывочные в то время сведения об обмене веществ у автотрофов и гетеротрофов, А.И. Опарин пришел к выводу об общности основного обмена веществ у этих групп организмов. Он предположил, что автотрофы могли возникнуть из гетеротрофов в результате появления нескольких дополнительных реакций. Из этого следовало, что гетеротрофы возникли раньше автотрофов. Но для их возникновения в качестве первичных живых систем необходимо, чтобы образовались и накопились основные биоорганические вещества в результате химических синтезов, протекавших на первичной Земле.

А.И. Опарин предсказал возможность первичного образования простейших органических веществ и был уверен, что они будут обнаружены на космических телах в условиях, исключающих их биогенное образование. Эта стадия процесса происхождения жизни была названа химической эволюцией. Процесс химической эволюции начинается в “атмосфере” звезд, продолжается в газово-пылевых облаках в межзвездном пространстве и на других космических объектах (например, кометах). Завершается он образованием предбиологических структур на планетах типа Земли. В этом процессе абиогенно (то есть без участия живых организмов) могут образовываться достаточно сложные молекулы, в том числе аминокислоты и азотистые основания. Детализируя особенности протекания абиогенных синтезов на космических телах и первичной Земле, А.И. Опарин подчеркивал важность следующих условий:

• отсутствие биосферы, вовлекающей образующиеся вещества в интенсивный биологический круговорот и делающий тем самым невозможным их химическую эволюцию;

• наличие любых внешних источников энергии: ультрафиолетового излучения, электрических разрядов, тепла, радиоактивного излучения, ударных волн и т.д.;

• отсутствие свободного кислорода: в его присутствии происходит окисление исходных веществ, а не синтез их них более сложных органических молекул;

• вывод синтезирующихся соединений из зоны их образования: гам они не только образуются, но и очень быстро распадаются, то есть присутствуют в очень небольших количествах. А если их вывести из зоны действия энергии, то они будут сохраняться и по мере поступления новых молекул накапливаться.

Предположения Опарина были подтверждены экспериментальными опытами. Под влиянием идей А.И. Опарина в 1953 г. молодой американский исследователь Стенли Миллер подверг воздействию электрического искрового разряда смесь простейших газов (водорода, метана, аммиака и паров воды), составляющих, по мнению его научного руководителя Г. Юри, атмосферу первичной Земли. В реакционной смеси он обнаружил аминокислоты и другие органические соединения. Однако это был не первый абиогенный синтез аминокислот. Первым синтезировать аминокислоты удалось в 1850 г. немецкому химику А. Штеккеру, но тогда никто из исследователей, интересующихся проблемой происхождения жизни, не обратил на это внимания. Но результаты опыта С. Миллера, проведенного под влиянием идей А.И. Опарина, сразу же привлекли внимание. Начиная с опытов С. Миллера, абиогенные синтезы всех биомономеров осуществлены в лабораторных условиях рядом ученых. Этим доказана возможность перехода А (обращает внимание на представленную ранее схему 1) ив естественных условиях. По данным, полученным учеными, простейшие органические вещества могут возникать и в космическом пространстве при температуре, близкой к абсолютному нулю. В результате водоемы на Земле и, прежде всего океан, превратились в “первичный бульон” — сложный раствор органических веществ, в котором кроме аминокислот были и предшественники нуклеиновых кислот (азотистые основания, сахара, фосфаты) и многое другое.

Ведущий. Однако низкомолекулярные органические вещества еще не жизнь. Основу жизни представляют биополимеры — длинные молекулы белков и нуклеиновых кислот, слагающиеся из звеньев — аминокислот и нуклеотидов. Реакция полимеризации первичных звеньев в водном растворе не идет, так как при соединении друг с другом двух аминокислот или ДВУХ нуклеотидов отщепляется молекула воды:

Реакция в воде пойдет в обратную сторону. Скорость расщепления (гидролиза) биополимеров будет больше, чем скорость их синтеза. В цитоплазме наших клеток синтез биополимеров — сложный процесс, идущий с затратой энергии АТФ. Чтобы он шел. нужны ДНК, РНК и белки, которые сами являются результатом этого процесса. Ясно, что биополимеры не могли возникнуть сами в “первичном бульоне”!?

Биохимик 2. Позвольте мне дополнить выступление моего коллеги. Возможно, первичный синтез биополимеров шел при замораживании “первичного бульона” или же при нагревании сухого его остатка. Американский исследователь Харальд Сидней Фокс, нагревая до 130 °С сухую смесь аминокислот, показал, что в этом случае реакция полимеризации идет (выделяющаяся вода испаряется) и получаются искусственные протеноиды, похожие на белки, имеющие до 200 и более аминокислот в цепи. После этого Л. Оргел в Институте Солка синтезировал в сходном эксперименте нуклеиновые цепи длиной в шесть мономерных единиц. Возможно, биополимеры воз-

пикали в предбиологическую эпоху на раскаленных склонах вулканов, а затем дожди смывали их в “первичный бульон”.

Ведущий. Спасибо за дополнение. Проблема возникновения жизни, можно сказать во многом совпадает с проблемой нуклеиновых кислот. На их свойстве реплицироваться прямо или косвенно основаны все биологические циклы. Можем ли мы говорить о каких-то предшественниках нуклеиновых кислот, из которых те развились?

Биохимик 3. Вспомним, что для синтеза белков требуется согласованное участие более сотни специфических полимерных молекул, образующих сложные надмолекулярные комплексы. (Один из учащихся может кратко рассказать о биосинтезе белка.)

Самореплицирующаяся система должна быть в состоянии воспроизводить все свои компоненты, которые отсутствуют в окружающей ее среде. Спонтанное возникновение такой системы абсолютно исключено. В последние годы в молекулярной биологии выявилась совершенно особая роль РНК. Кроме хорошо известных функций, выяснилось, что некоторые РНК обладают ярко выраженной каталитической (рибозимной) активностью и не уступают в специфичности и эффективности своего действия ферментам. Вероятно, первичная жизнь была построена на РНК: сперва одноцепочечные РНК служили как ферменты (это были рибозимы) и как структурные элементы. Затем появились двухцепочечные РНК, которые легли в основу первичной наследственности — еще в рамках единой метаболической системы, не поделенной на организмы. Впоследствии большинство функций РНК отошло к белкам, липидам и ДНК, а уж затем стали появляться отдельные носители живого — примитивные бактерии.

Ведущий. Да, проблема происхождения жизни в результате многолетних экспериментальных исследований возможных путей предбиологической эволюции практически свелась к одному центральному и четко формулируемому вопросу — как возникли простейшие живые системы, которые способны к “саморазмножению” за счет использования веществ и энергии окружающей среды. Какое объяснение находит эта проблема в теории Опарина?

Биолог. Опарин считал, что переход от химической эволюции к биологической требовал обязательного возникновения фазовообособленных систем, способных взаимодействовать с окружающей внешней средой, используя ее вещества и энергию, и на этой основе способных расти, множиться и подвергаться естественному отбору. Ученый полагал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежала белкам. Экспериментально было установлено, что высокомолекулярные соединения, в том числе и белки, способны к образованию комплексов, которые могут обособляться от всей массы воды, образуя так называемые коацерватные капли, или коацерваты (от лат. “coacervus” — сгусток). Некоторые свойства коацерватов сходны со свойствами живых организмов. Так, коацерватные капли обладают уже определенным, хотя и примитивным, строением. Эти маленькие капли-комочки белка способны поглощать из внешней среды органические и неорганические вещества и расти за счет их поступления (обращает внимание на схему 2, вывешенную на доске).

В дальнейшем коацерваты приобрели способность поглощать из окружающей среды лишь те соединения, которые обеспечивали им устойчивость, то есть среди коацерватов шел биохимический естественный отбор. Предполагается, что в самих коацерватах входящие в их состав вещества вступали в дальнейшие химические реакции; при этом происходило поглощение ионов металлов и образование ферментов. На границе между коацерватами и внешней средой выстаивались молекулы липидов, что привело к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей коацерватам стабильность. В результате соединения и взаимодействия коацерватов с молекулами, способными к самовоспроизведению (полинуклеотиды), могли возникнуть примитивные клетки — пробионты, предшественники первых живых организмов. Такая предположительная последовательность событий должна была привести к образованию примитивного самовоспроизводящегося гетеротрофного организма, питавшегося органическими веществами первичного бульона.

Таким образом, возникновению первых живых организмов предшествовал длительный естественный отбор коацерватных капель, направленный на улучшение процессов саморегуляции между синтезом и расщеплением органических веществ внутри капли, появление ферментов и мембранных структур, возникновение механизма воспроизведения себе подобных на основе взаимосвязи между нуклеиновыми кислотами и белками.

Возникновение первых примитивных клеток и начало биологической эволюции произошло около 3—3,5 млрд лет назад. Первые

живые организмы существовали в восстановительной среде и имели анаэробный тип дыхания, а по своему строению напоминали бактерий.

Ведущий. Но по современным данным биохимические следы жизни обнаружены в самых древних породах, возраст которых более 3,8 млрд лет (углеродистые прослои формации Исуа в Гренландии). Таким образом, первые достоверные следы жизни — прослойки графитизированной органики — появляются на Земле с первыми достоверными следами воды. Поэтому мы не можем даже про самый ранний период существования нашей планеты (4,5—3,8 млрд лет) с уверенностью утверждать, что “жизни тогда не существовало”, можно лишь говорить — “следы жизни не обнаружены”.

Выступление из зала. Хочу обратить внимание участников нашей конференции и на то, что еще недавно биологи уверенно говорили о том, что первыми живыми существами были гетеротрофные организмы, питавшиеся “первичным бульоном” — той органикой, что в избытке возникала в первичном океане и атмосфере. Затем возникли и автотрофы, синтезирующие органику из углекислого газа и воды, используя для этого энергию окислительно-восстановительных реакций (хемоавтотрофы) или солнечного света (фотоавтотрофы).

Реальные факты, однако, вынуждают отказаться от этой схемы. Не нашли пока подтверждений и представления об исходной гетеротрофности живых существ; судя по всему, авто- и гетеротрофность возникли одновременно.

По мнению Г.А. Заварзина, одного из ведущих специалистов по микробным сообществам, “первичный бульон” даже теоретически не мог быть источником пищи для “первичной жизни”, так как живые существа размножаются в геометрической прогрессии, и потомство первых же гетеротрофов должно было уничтожить весь этот “бульон” за совершенно ничтожное время. Не меньшие неприятности ожидали бы и автотрофную биосферу, которая в том же темпе — и с тем же результатом — должна была связать весь углерод на планете в виде неразложимых высокомолекулярных соединений. Поэтому ныне входит в обиход биоценотическая концепция абиогенного происхождения жизни.

Ведущий. Спасибо за интересное дополнение. Но, может, тогда вы познакомите всех присутствующих на конференции с основными принципами этой гипотезы.

Выступление из зала. Да, теория Опарина завоевала широкое признание, но она оставляет нерешенными проблемы, связанные с переходом от сложных органических веществ к простым живым организмам. Гипотезы по этому вопросу пока малоубедительны.

Новая же теория основывается на работах английского физика Джона Бернала (1957), который утверждал, что жизнь возникла в форме биоценоза, уже включенного в геохимические круговороты, но еще не распавшегося на отдельные организмы. Источником

первичной энергии служил не солнечный свет, а восстановленные химические вещества из недр Земли, то есть первичная жизнь была не “фотосинтетическая”, а “хемосинтетическая”. Представление о первых очагах жизни дают недавно открытые подводные сообщества, живущие у гидротерм — выходов горячих вод и газов на дне океана.

Обретшая свои первичные качества жизнь понемногу растекалась от гидротерм по первичному океану, насыщая его органикой. С выходом жизни на поверхность вод создались условия для развития фотосинтеза, который тоже не возник в форме совпадения редких случайностей, а постепенно сформировался благодаря замене хемосинтетических звеньев в геохимическом круговороте на фотосинтетические. Затем возник совершенный фотосинтез, протекающий с выделением свободного кислорода, а появление кислорода в атмосфере повлекло формирование биосферы. Это произошло около миллиарда лет назад. Суша еще оставалась безжизненной.

Ведущий. Спасибо за такое содержательное выступление. Думаю, что мы достаточно полно ознакомились с основными положениями теории Опарина, ее сильными и слабыми сторонами, узнали и современное состояние проблемы. Хотелось бы подвести итог нашей дискуссии.

Выступления из зала.

Жизнь на нашей планете прошла длительный путь эволюционного развития.

Подавляющее число экспериментальных исследований по проблеме происхождения жизни стимулировалось теорией Опарина.

Согласно гипотезе А.И. Опарина, историческому развитию живых существ предшествовал этап абиогенного образования органических веществ.

Ученые уже доказали, что химическая эволюция соединений углерода протекает практически на всех космических объектах, но завершиться она образованием предбиологических структур может лишь на планетах типа Земли.

Синтез органических веществ из неорганических осуществлялся в водной среде при уникальном сочетании внешних условий, более не возникающих в истории планеты.

Непосредственными предшественниками первых одноклеточных организмов, вероятно, были коацерваты.

Самое трудное для гипотезы А.И. Опарина объяснить появление способности живых систем к самовоспроизведению.

В последние годы в молекулярной биологии выявилась совершенно особая роль РНК. Кроме хорошо известных функций, выяснилось, что некоторые РНК обладают ярко выраженной каталитической (рибозимной) активностью и не уступают в специфичности и эффективности своего действия ферментам. Вполне возможно, что первичная жизнь была построена на РНК.

Наряду со сторонниками у коацерватной гипотезы есть и противники.

В настоящее время мы не можем считать, что проблема происхождения жизни решена. Ученые продолжают искать наиболее перспективные пути ее решения.

Ведущий. Действительно, это так. Поэтому хочется отметить, что мы многого еще не знаем. Несмотря на все успехи биохимии, ответы на многие вопросы носят лишь умозрительный характер. И первым шагом на пути решения этой проблемы будет разработка разумных гипотез, позволяющих делать экспериментально проверяемые предсказания.

Спасибо всем участникам за активную работу на нашей конференции.

III. Закрепление

Обобщающая беседа по заполненной в ходе урока таблице.

Домашнее задание

Учебник А.А. Каменского § 8.2., учебник И.Н. Пономаревой § 33.