Зарождение жизни в горячей воде

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зарождение жизни в горячей воде

1. Жизнь на Земле могла появиться в вулканических озерах

Первые примитивные живые клетки могли появиться в водах пресных озер, которые подогревались и насыщались микроэлементами доисторическими геотермальными источниками. Об этом заявляют российские и американские ученые в статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Большинство геологов и эволюционных биологов полагают, что жизнь на Земле в современном ее виде зародилась в водах первичного океана, который покрывал практически всю поверхность планеты. Считается, что этот океан представлял собой густой бульон из аминокислот и других «кирпичиков жизни», из которых появились первые живые клетки. Группа геологов и эволюционных биологов под руководством выходца из России Евгения Кунина из Национального института здоровья в городе Бетесда (США) предложила новый аргумент в пользу альтернативной теории - зарождения жизни в пресноводных озерах, в воду которых поступает пар и горячая вода из геотермальных источников. В последние годы появилось множество свидетельств того, что активность вулканов и другие геотермальные процессы играли важную роль в зарождении жизни. Так, в феврале 2010 года британские и немецкие геологи предложили новую теорию зарождения жизни, согласно которой первые клетки появились у жерла подводных вулканов и лишь потом заселили весь Мировой океан. В октябре 2011 года другая группа ученых нашла свидетельства этому в отложениях древних горных пород в Гренландии. Кунин и его коллеги «перенесли» вулканы из вод «подсоленного» первичного океана в пресноводные озера на тех клочках суши, которые существовали в ранней истории Земли, сравнив химический состав клеток с набором элементов в водах современных геотермальных озер. В своем исследовании авторы статьи предположили, что первичные клетки должны были развиться в той местности, которая меньше всего отличалась от них по химическому составу. С этой точки зрения, морская вода не является идеальной средой для развития жизни - концентрации натрия, калия, марганца, цинка и ионов других важнейших биоэлементов в ней значительно отличается от клеточных. Даже самые примитивные микроорганизмы обладают сложной системой особых «насосов», которые препятствуют смешиванию цитоплазмы с морской водой. Маловероятно, что такие защитные приспособления существовали уже в первых протоклетках. Ученые сравнили химический состав цитоплазмы в клетках множества современных организмов и вывели «средние» концентрации аминокислот, биологически важных металлов и других веществ. Затем они сравнили их с типичным набором микроэлементов в воде современных океанов, предполагаемым составом первичного океана и водой в современных геотермальных озерах. Оказалось, что вулканические озера были наиболее благоприятной «колыбелью» для зарождения жизни. Как отмечают Кунин и его коллеги, только в их водах сложились достаточно благоприятные условия для формирования структур базовых белков и других важнейших молекул, составляющих основу клетки. По словам ученых, такие озера могли образоваться в результате взаимодействия воды, поступающей на Землю вместе с метеоритами и раскаленными породами на глубине. Вода во время своего путешествия с поверхности в глубинные слои «собирала» ионы калия, натрия и других важных микроэлементов и возвращалась вместе с ними в виде геотермального пара, который осаждался в озера. Как полагают геологи, такие условия могли стабильно существовать в течение многих миллионов лет, что дало жизни большой шанс на появление. Выводы ученых подтверждаются тем, что схожий химический состав характерен для вод геотермальных источников в окрестностях вулкана Мутновский на Камчатке.

2. Химическая эволюция

Химическая эволюция или пребиотическая эволюция - этап, предшествовавший появлению жизни, в ходе которого органические, пребиотические вещества возникли из неорганических молекул под влиянием внешних энергетических и селекционных факторов и в силу развертывания процессов самоорганизации, свойственных всем относительно сложным системам, которыми бесспорно являются все углеродсодержащие молекулы. Также этими терминами обозначается теория возникновения и развития тех молекул, которые имеют принципиальное значение для возникновения и развития живого вещества. Всё, что известно о химизме вещества, позволяет ограничить проблему химической эволюции рамками так называемого «водно-углеродного шовинизма», постулирующего, что жизнь в нашей Вселенной представлена в единственно возможном варианте: в качестве «способа существования белковых тел», осуществимого благодаря уникальному сочетанию полимеризационных свойств углерода и деполяризующих свойств жидко-фазной водной среды, как совместно необходимых и / или достаточных(?) условий для возникновения и развития всех известных нам форм жизни. При этом подразумевается, что, по крайней мере, в пределах одной сформировавшейся биосферы может существовать только один, общий для всех живых существ данной биоты код наследственности, но пока остаётся открытым вопрос, существуют ли иные биосферы вне Земли и возможны ли иные варианты генетического аппарата. Также неизвестно, когда и где началась химическая эволюция. Возможны любые сроки по окончании второго цикла звёздообразования, наступившего после конденсации продуктов взрывов первичных сверхновых звезд, поставляющих в межзвездное пространство тяжелые элементы (с атомной массой более 26). Второе поколение звёзд, уже с планетными системами, обогащенными тяжёлыми элементами, которые необходимы для реализации химической эволюции появилось через 0,5-1,2 млрд лет после Большого взрыва. При выполнении некоторых вполне вероятных условий, для запуска химической эволюции может быть пригодна практически любая среда: глубины океанов, недра планет, их поверхности, протопланетные образования и даже облака межзвёздного газа, что подтверждается повсеместным обнаружением в космосе методами астрофизики многих видов органических веществ - альдегидов, спиртов, сахаров и даже аминокислоты глицина, которые вместе могут служить исходным материалом для химической эволюции, имеющей своим конечным результатом возникновение жизни.

3. Гипотезы химической эволюции

Появление в Космосе или на Земле условий для автокаталитического синтеза больших объёмов и значительного разнообразия углеродсодержащих молекул, то есть - возникновение в абиогенных процессах веществ, необходимых и достаточных для начала химической эволюции. Появление из таких молекул относительно устойчивых замкнутых агрегатов, позволяющих так изолировать себя от окружающей среды, что с ней становится возможным избирательный обмен веществом и энергией, то есть - возникновение неких протоклеточных структур. Появление в таких агрегатах способных к само-изменению и к само-репликации химических информационных систем, то есть - возникновение элементарных единиц наследственного кода. Появление взаимной зависимости между свойствами белков и функциями ферментов с носителями информации (РНК, ДНК), то есть - возникновение собственно кода наследственности, как необходимого условия уже для биологической эволюции.

Большой вклад в прояснение этих вопросов, среди прочих, сделали следующие учёные:

Александр Опарин: Коацерваты.

Гарольд Юри и Стэнли Миллер в 1953: Возникновение простых биомолекул в симулируемой древней атмосфере.

Сидней Фокс: Микросферы из протеноидов.

Томас Чек (университет Колорадо) и Сидней Алтман (университет Yale New Haven Connecticut) в 1981: Автокаталитическое РНК-деление: «Рибозимы» объединяют катализ и информацию в молекуле. Они в состоянии вырезать себя из более длинной цепи РНК и соединять остающиеся концы снова.

Уолтер Гилберт (Гарвард, университет Кембридж) разрабатывает в 1986 идею мира РНК.

Гюнтер фон Кидровски (Рур-университет Бохум) представляет в 1986 году первую само-реплицирующуюся систему на основе ДНК, важный вклад в понимание функций роста само-реплицирующихся систем

Манфред Эйген (институт Макса Планка факультет биофизической химии, Геттинген): Эволюция ансамблей молекул РНК. Гиперцикл.

Юлий Ребек (Кембридж) создаёт искусственную молекулу (Aminoadenosintriazidester), которая само-реплицируется в растворе хлороформа. Копии все же идентичны образцу, так что эволюция для этих молекул невозможна.

Джон Корлис (Goddard центр космических полётов - НАСА): Термальные источники морей поставляют энергию и химикалии, которые делают возможными независимую от космической среды химическую эволюцию. Ещё сегодня они являются средой жизни для первоначальных по многим признакам археобактерий (Archaea).

Гюнтер Вэхтерсхойзер (англ. Gьnter_Wдchtershдuser) (Мюнхен) - гипотеза мира сульфидов железа: первые само-реплицирующиеся структуры с обменом веществ возникли на поверхности пирита. Пирит (сульфид железа) поставил для этого необходимую энергию. На растущих и снова распадающихся кристаллах пирита эти системы могли расти и размножаться, и различные популяции конфронтировали с разным условиям среды (условия отбора).

А.Г. Cairns-Smith (университет Глазго) и Дэвид К. Мауерцалл (Rockefeller-Universitдt New York, Нью-Йорк) видят в глиняных минералах систему, которая сначала сама подчинена химической эволюции, из-за чего возникает много различных, самореплицирующихся кристаллов. Эти кристаллы притягивают своим электрическим зарядом органические молекулы и катализируют синтез комплексных биомолекул, причём объём информации кристаллических структур служит сначала матрицей. Эти органические соединения становятся всё более сложными до тех пор, пока они не смогут размножаться без помощи глиняных минералов.

Вольфганг Вайганд, Марк Дерр и др. (Институт Макса Планка факультет биогеохимии, Йена) показали в 2003, что сульфид железа может катализировать синтез аммиака из молекулярного азота.

4. Теория Вехтерхойзера

геотермальный химический вехтерхойзер

Теория железосерного мира

Особенно интенсивная форма содействия минералов и горных пород пребиотическому синтезу органических молекул должна протекать на поверхности минералов сульфида железа. Теория Миллера-Юри имеет существенные ограничения, особенно учитывая ошибочное объяснение полимеризации мономерных составляющих биомолекулы. Анаэробные бактерии, обмен веществ которых происходит с участием железа и серы, существуют и сегодня. Сросток кристаллов сульфида железа FeS2 Альтернативный сценарий был с начала 1980-х годов разработан Гюнтером Вехтерхойзером. По этой теории жизнь на Земле возникла на поверхности железно-серных минералов, то есть сульфидов, которые и сегодня образуются посредством геологических процессов, а на молодой Земле должны были встречаться гораздо чаще. Эта теория в противовес гипотезе мира РНК, предполагает, что обмен веществ предшествовал появлению энзимов и генов. В качестве подходящего места предлагаются чёрные курильщики на дне океанов где высокое давление, высокая температура, нет кислорода и обильно представлены различные соединения, которые могли послужить строительным материалом «кирпичиков жизни» или катализатором в цепочке химических реакциях. Большое преимущество этой гипотезы перед предшественниками в том, что впервые образование комплексных биомолекул связано с постоянным надёжным источником энергии. Энергия выделяется при восстановлении частично окисленных железно-серных минералов, например пирита (FeS2), водородом (уравнение реакции: FeS2 + H2 \;\overrightarrow{\leftarrow}\; FeS + H2S), и этой энергии достаточно для эндотермического синтеза мономерных структурных элементов биомолекул и их полимеризации:

Fe2+ + FeS2 + H2 \;\overrightarrow{\leftarrow}\; 2 FeS + 2 H+ ДG°' = ?44.2 кДж/моль

Другие металлы, так же как и железо, тоже образуют нерастворимые сульфиды. В дополнение к этому пирит и другие железно-серные минералы имеют положительно заряженную поверхность, на которой могут располагаться, концентрироваться и реагировать между собой преимущественно отрицательно заряженные биомолекулы (органические кислоты, фосфорные эфиры, тиолы). Необходимые для этого вещества (сероводород, моноксид углерода и соли двухвалентного железа) попадают из раствора на поверхность этого «железо-серного мира». Вехтерхойзер привлекает для своей теории и сегодня существующие основополагающие механизмы обмена веществ и выводит из них замкнутый в себе сценарий синтеза комплексных органических молекул (органические кислоты, аминокислоты, сахар, азотистые основания, жиры) из простых неорганических соединений, находящихся в вулканических газах (NH3, H2, CO, CO2, CH4, H2S). В противоположность эксперименту Миллер-Юри не привлекаются источники энергии извне, в форме молнии или ультрафиолетового излучения; кроме того, первые ступени синтеза при высоких температурах и давлениях протекают гораздо быстрее (например, катализируемые энзимами химические реакции). При температуре подводных вулканов до 350°C возникновение жизни является вполне представимым. Только позднее при возникновении чувствительных к высоким температурам катализаторам (витамины, белки) эволюция должна была происходить при более низкой температуре. Сценарий Вехтерхойзера хорошо подходит к условиям глубоководных гидротермальных источников, так как имеющийся там перепад температуры позволяет подобное распределение реакций. Древнейшие из сегодня живущих микроорганизмов - самые жароустойчивые, предельный известный температурный максимум для их роста составляет +122°C. Кроме того железо-серные активные центры и сегодня задействованы в биохимических процессах, что может указывать на первичное участие Fe-S-минералов в развитии жизни.

5. Мир РНК

Впервые гипотеза мира РНК была выдвинута в 1986 году Уолтером Гильбертом и гласила, что молекулы РНК были предшественниками организмов. Гипотеза отталкивается от способности РНК к хранению, передаче, и размножению генетической информации, а также от её способности катализировать реакции в качестве рибозимов. В эволюционной среде молекулы РНК, которые множат преимущественно себя, встречались бы чаще других. Исходным пунктом являются простые самовоспроизводящиеся молекулы РНК. Некоторые из них имеют способность катализировать синтез белков, которые, в свою очередь, сами катализируют синтез РНК и свой собственный синтез (развитие трансляции). Некоторые молекулы РНК соединяются в двойную РНК-спираль, они развиваются в молекулы ДНК и носители наследственной информации (развитие транскрипции). Основой служат определённые РНК-молекулы, которые могут копировать любые РНК-образцы включая себя самих. Дженнифер А. Doudna и Джек В. Szostak использовали как образец для развития этого типа РНК производящий разрезание и сплайсинг самой себя интрон прокариотного одноклеточного организма Tetrahymena thermophila. Это подтверждает то, что в рибосомах собственно rРНК являются каталитическими молекулами и таким образом РНК катализирует синтез белка. Однако ограничения состоят в том, чтобы при само-реплицирующихся РНК не моно-, а олигонуклеотиды являются составляющими звеньями и необходимы вспомогательные вещества. В 2001 году было открыто, что важными каталитическими центрами рибосом являются РНК, а не, как раньше было принято, белки. Это показывает, что каталитическая функция РНК, как она предполагалась в гипотезе мира-РНК, используется сегодня живыми существами.

Так как рибосомы считаются очень первоначальными клеточными органоидами, это открытие считается важным взносом в обоснование гипотезы мира-РНК. Уже можно уверенно сказать, что молекулы РНК могут из аминокислот синтезировать белки. В этой связи нуклеопротеиды (комплексы нуклеиновых кислот с белками) также представляют интерес как возможные предшественники РНК. Другим предшественником РНК могли быть полициклические ароматические углеводороды. Гипотеза мира полиароматических углеводородов пытается ответить на вопрос, как возникли первые РНК, предлагая вариант химической эволюции от полициклических ароматических углеводородов до РНК-подобных цепочек.

Размещено на Allbest.ru