0
Teorija biopoeze
Na osnovu hipoteze biohemijske evolucije Oparin-Haldanea 1947. godine, engleski istraživač John Bernal formulirao je moderna teorija porijeklo života na zemlji, tzv teorija biopoeze(gr. bios- život i poiesis- kreacija).
Uključivao je tri faze:
- abiogena pojava organskih monomera;
- stvaranje bioloških polimera;
- formiranje membranskih struktura i primarnih organizama - probionata.
Abiogena pojava organskih monomera
Naša planeta je nastala prije oko 4,6 milijardi godina.
Obrazovanje zemljine kore praćeno aktivnom vulkanskom aktivnošću. Plinovi akumulirani u primarnoj atmosferi - produkti reakcija koje se odvijaju u utrobi Zemlje: ugljični dioksid (CO 2), ugljični monoksid (CO), amonijak (NH 3), metan (CH 4), sumporovodik (H 2 S) i mnogi drugi. Takvi gasovi se trenutno emituju u atmosferu tokom vulkanskih erupcija.
Voda, koja je neprestano isparavala sa površine Zemlje, kondenzovala se u gornjim slojevima atmosfere i ponovo padala u obliku kiše na vrelu zemljinu površinu. Postepeno smanjenje temperature dovelo je do toga da su na Zemlju padali pljuskovi, praćeni neprestanim grmljavinom. Na površini zemlje počela su se formirati vodena tijela.
Atmosferski gasovi i one materije koje su isprane iz zemljine kore rastvoreni su u vrućoj vodi. U atmosferi, pod uticajem čestih i jakih električnih pražnjenja, snažnog ultraljubičastog zračenja koje dolazi sa Sunca, i aktivne vulkanske aktivnosti, koje su pratile emisije radioaktivnih jedinjenja, najjednostavnijih organskih materija (formaldehid, glicerin, aminokiseline, urea , mliječna kiselina).
Pošto u atmosferi još nije bilo slobodnog kiseonika, ova jedinjenja su dospela u vodu drevni okean, nisu oksidirali i mogli su se akumulirati, postajući složenije strukture i formirajući koncentriranu "primalni bujon" - termin koji je uveo A. I. Oparin. Organska materija, koja se milionima godina akumulira u vodi drevnog okeana, formirala je koncentrovanu otopinu, ili "primarnu supu".
Formiranje bioloških polimera i koacervata
Prvi stupanj biohemijske evolucije potvrđen je brojnim eksperimentima, ali šta se dogodilo u sljedećoj fazi, naučnici mogu samo nagađati na osnovu znanja iz hemije i molekularne biologije.
Očigledno, formirane najjednostavnije organske tvari su međusobno djelovale i s neorganskim spojevima koji su ulazili u vodena tijela. Masne kiseline, reagirajući s alkoholima, formirale su lipide, koji su formirali masne filmove na površini vodenih tijela. Aminokiseline se međusobno kombinuju i formiraju peptide. važan događaj Ova faza je bila pojava nukleinskih kiselina - molekula sposobnih za reduplikaciju.
Moderni biohemičari vjeruju da su se prvi formirali kratki lanci RNK, koji su se mogli samostalno sintetizirati, bez sudjelovanja posebnih enzima. Formiranje nukleinskih kiselina i njihova interakcija s proteinima postala je neophodan preduvjet za nastanak života, koji se temelji na reakcijama matriksne sinteze i metabolizma.
A. I. Oparin je to vjerovao vitalnu ulogu u transformaciji neživog u živo pripadao je proteinima. Zbog posebnosti strukture, ovi molekuli mogu formirati ugruške - koloidne komplekse koji privlače molekule vode na sebe. Takvi kompleksi, spajajući se jedni s drugima, formirali su koacervate - strukture izolirane od ostatka vodene mase. koacervate bili u stanju da razmenjuju supstance sa okruženje i selektivno akumuliraju različita jedinjenja. Apsorpcija metalnih jona koacervatima dovela je do stvaranja enzima. Proteini u koacervatima zaštićeni nukleinske kiseline od štetnog dejstva ultraljubičastog zračenja. Sistemi ove vrste već su posjedovali neke znakove života, ali su im nedostajale biološke membrane koje bi ih pretvorile u prve žive organizme.
coacervatus(lat. coacervatio- skupljanje u gomilu, nakupljanje) - ugrušci sa većom koncentracijom koloida (otopljene tvari) nego u ostatku otopine istog hemijski sastav.
Koacervati se formiraju u koncentriranim otopinama proteina i nukleinskih kiselina. Oni su u stanju da se adsorbuju razne supstance. Iz rastvora unutar koacervata dolaze kapi hemijska jedinjenja, koji se pretvaraju kao rezultat reakcija koje se odvijaju u koacervatnim kapima i ispuštaju se u okolinu.
Koncept "koacervata" važan je u brojnim hipotezama o nastanku života na Zemlji.
Formiranje membranskih struktura i primarnih organizama (probionta)
Kako nastaju membrane? ranim fazama porijeklo života?
Površine rezervoara bile su prekrivene masnim filmovima. Dugi nepolarni ugljikovodični "repovi" molekula lipida virili su prema van, a nabijene "glave" su pretvorene u vodu. Molekuli polipeptida i nukleinskih kiselina otopljenih u vodenim tijelima mogu se adsorbirati na površini lipidnog filma zbog električne privlačnosti nabijenih „glava“. Kada udari vjetar, površinski film je bio savijen, s njega su se mogli odlomiti mjehurići. Takve mjehuriće vjetar je podizao u zrak, a kada bi pali na površinu rezervoara, bili su prekriveni drugim lipidnim slojem. To je bilo zbog hidrofobnih interakcija između nepolarnih "repova" lipida okrenutih jedan prema drugom. Takva dvoslojna lipidna ljuska iznenađujuće nas podsjeća na modernu biološku membranu i, moguće, mogla bi biti njen progenitor.
Za dalju evoluciju života bili su važni ti mehurići koji su sadržavali koacervate sa kompleksima proteina i nukleinske kiseline. Biološke membrane su koacervatima pružale zaštitu i samostalno postojanje, stvarajući urednost biohemijski procesi. U budućnosti su sačuvane samo one strukture koje su bile sposobne za samoregulaciju i samoreprodukciju i pretvorene u najjednostavnije žive organizme. Tako je ustao probiontima (ili protobiontima : od grčkog. protos- prvo i bios- život) - primitivni heterotrofni organizmi koji su se hranili organskim tvarima "primarne juhe". To se dogodilo prije 3,5-3,8 milijardi godina. Hemijska evolucija je završena, došlo je vrijeme za biološku evoluciju žive tvari.
Probionts, ili protobiontima(gr. protos- prvo i bios- život), - pretćelijske formacije koje imaju neka svojstva ćelija: sposobnost metabolizma, samoreprodukcije itd.
Probionti su bili heterotrofni organizmi koji su konzumirali organsku materiju iz "primordijalne supe". Očito su to bili anaerobni heterotrofi, jer drevna atmosfera, prema istraživačima, nije sadržavala kisik.
Ovi hipotetički primarni organizmi, koji su sadržavali makromolekule proteina i nukleinskih kiselina i stekli sposobnost da se sami razmnožavaju, prema znanstvenicima, označili su početak cjelokupne moderne raznolikosti života na Zemlji.
Pitanje 1. Koji su svemirski faktori u ranim fazama razvoja Zemlje bili preduslovi za nastanak organskih jedinjenja?
U ranim fazama razvoja Zemlje organska jedinjenja su nastala od neorganskih na abiogeni način. Izvor energije za ove procese bilo je ultraljubičasto zračenje Sunca. U atmosferi nije bilo ozona ni kiseonika, tako da ultraljubičasto ništa nije odlagalo i dospelo je na površinu planete. Pod njegovim uticajem, kao i uz učešće električnih pražnjenja groma, iz vode i gasova su nastale najjednostavnije organske supstance: formaldehid, glicerin, aminokiseline, urea itd.
Pitanje 2. Navedite glavne faze nastanka života prema teoriji biopoeze.
Prema teoriji biopoeze, formulisanoj 1947 engleski fizičar i istoričar nauke Džon Bernal (1901-1971), postoje tri faze u nastanku života:
1) abiogena sinteza i akumulacija organskih monomera (formiranje "primarnog bujona");
2) formiranje bioloških polimera i koacervata (od lat. coacervus - ugrušak);
3) formiranje membranskih struktura i primarnih organizama (probionta).
Glavno mjesto svih ovih procesa je drevni okean.
Pitanje 3. Kako su nastali koacervati, koja su svojstva imali i u kom pravcu su evoluirali?
Formiranje koacervata bilo bi nemoguće bez interakcije organskih supstanci međusobno i sa neorganskim jedinjenjima. Kao rezultat ove interakcije, lipidi su nastali iz masnih kiselina i alkohola, peptidi iz aminokiselina, a nukleinske kiseline iz nukleotida. Lipidi su formirali filmove na površini vodenih tijela, dok su proteini formirali polimerne komplekse otopljene u vodi. Takvi kompleksi, spajajući se jedni s drugima, formirali su koacervate - strukture izolirane od ostatka vodene mase. Koacervati su mogli, razmjenjujući se sa okolinom, da koncentrišu različite supstance. Dakle, akumulacija metalnih jona i njihova interakcija sa proteinima dovela je do stvaranja enzima. Nukleinske kiseline zarobljene u koacervatima vjerojatnije će zadržati svoju strukturu i neće biti uništene. Koacervati su imali neke znakove života, ali su im nedostajale biološke membrane za njihovu transformaciju u prve žive organizme.
Pitanje 4. Recite nam kako su nastali probionti.
Probiontske membrane mogle su se formirati od lipidnih filmova na površini vodenih tijela, za koje su pričvršćeni koacervati koji plutaju u vodi. Za evoluciju života važni su ti koacervati, koji su sadržavali ne samo proteine, već i nukleinske kiseline. Od njihovih kompleksa sa lipidima, živim organizmima se mogu smatrati samo oni koji su se pokazali sposobnima za samoreprodukciju nukleinskih kiselina. Tako su nastali probioti - primitivni heterotrofi koji žive na račun organska materija abiogenog porijekla („primarni bujon“). U ovoj fazi se završila hemijska evolucija i započela je biološka evolucija.
Pitanje 5. Opišite kako se komplikacija mogla dogoditi. unutrašnja struktura prvi heterotrofi.
Postepeno se količina organskih tvari abiogenog porijekla počela smanjivati. To je dovelo do žestoke konkurencije između probionata, što je ubrzalo pojavu autotrofa koji koriste energiju za stvaranje organske tvari. sunčeva svetlost. Prvi autotrofi koristili su način fotosinteze bez kisika. Kasnije su se pojavile cijanobakterije, sposobne za fotosintezu uz oslobađanje kisika. Akumulacija kisika u atmosferi rezultirala je, prvo, pojavom aerobnih organizama, a drugo, stvaranjem zaštitnog ozonskog omotača.
Paralelno s tim, došlo je do komplikacija unutarnje strukture ćelija, što je na kraju dovelo do pojave eukariota. Neki heterotrofi su ušli u simbiozu sa aerobnim bakterijama, hvatajući ih i koristeći ih kao "energetske stanice" - buduće mitohondrije. Takvi simbionti su doveli do životinja i gljiva. Ostali heterotrofi, pored aerobnih bakterija, uhvatili su autotrofne cijanobakterije, koje su postale hloroplasti. Tako su se pojavili prethodnici biljaka.
Pitanje 6. Zašto je spontano nastajanje života nemoguće u savremenim uslovima?
Spontano stvaranje života na Zemlji trenutno je nemoguće, jer u uslovima moderne atmosfere bogate kiseonikom organska jedinjenja brzo se uništavaju, ne akumuliraju i ne dostižu odgovarajući stepen složenosti. Osim toga, do pojave koacervata i probionata ne dolazi zbog ogromnog broja heterotrofa, koji vrlo brzo "pojedu" bilo koju akumulaciju organskih tvari.
Nastanak života na Zemlji ključni je i neriješeni problem prirodnih nauka, koji često služi kao osnova za sukob nauke i religije. Ako se postojanje evolucije žive materije u prirodi može smatrati dokazanim, budući da su otkriveni njeni mehanizmi, arheolozi otkrili drevne, jednostavnije uređene organizme, onda nijedna hipoteza o nastanku života nema tako opsežnu bazu dokaza. Evoluciju možemo promatrati vlastitim očima, barem u selekciji. Niko nije uspeo da stvori živo biće od neživog.
Uprkos velikom broju hipoteza o nastanku života, samo jedna od njih ima prihvatljivu naučno objašnjenje. To je hipoteza abiogeneza- duga hemijska evolucija, koja se odvijala u posebnim uslovima drevna zemlja i prethodila biološkoj evoluciji. Istovremeno, od neorganske supstance u početku su se sintetizirali jednostavni organski, od kojih složeniji, zatim su se pojavili biopolimeri, sljedeće faze su spekulativnije i teško dokazane. Hipoteza abiogeneze ima mnoge neriješene probleme, različite poglede na određene faze kemijske evolucije. Međutim, neke od njegovih tačaka su empirijski potvrđene.
Druge hipoteze o nastanku života - panspermija(uvođenje života iz svemira), kreacionizam(kreacija od strane kreatora), spontana generacija(živi organizmi se iznenada pojavljuju u neživoj materiji), Stabilno stanje (život je oduvek postojao). Nemogućnost spontanog nastajanja života u neživom dokazali su Louis Pasteur (XIX vek) i niz naučnika pre njega, ali ne tako kategorično (F. Redi - XVII vek). Hipoteza o panspermiji ne rješava problem nastanka života, već ga prenosi sa Zemlje u svemir ili na druge planete. Međutim, teško je opovrgnuti ovu hipotezu, posebno one njenih predstavnika koji tvrde da su život na Zemlju donijeli ne meteoriti (u ovom slučaju, živa bića bi mogla izgorjeti u slojevima atmosfere, podvrgnuti destruktivnom djelovanju kosmičko zračenje itd.), ali od strane racionalnih bića. Ali kako su stigli na Zemlju? Sa stanovišta fizike (ogromna veličina svemira i nemogućnost savladavanja brzine svjetlosti), to je teško moguće.
Po prvi put, moguću abiogenezu je potkrijepio A.I. Oparina (1923-1924), kasnije je ovu hipotezu razvio J. Haldane (1928). Međutim, ideju da bi životu na Zemlji moglo prethoditi abiogeno formiranje organskih jedinjenja izrazio je Darwin. Teorija abiogeneze je dovršena i finaliziraju je drugi naučnici do danas. Njegov glavni neriješeni problem su detalji tranzicije sa složenih neživih sistema na jednostavne žive organizme.
Godine 1947. J. Bernal je, na osnovu razvoja Oparina i Haldanea, formulisao teoriju biopoeze, izdvajajući tri faze u abiogenezi: 1) abiogena pojava bioloških monomera; 2) formiranje biopolimera; 3) formiranje membrana i formiranje primarnih organizama (protobionta).
Abiogeneza
Hipotetički scenario nastanka života prema teoriji abiogeneze opisan je u nastavku u opštim crtama.
Starost Zemlje je oko 4,5 milijardi godina. Tečna voda na planeti, tako neophodna za život, prema naučnicima, pojavila se prije 4 milijarde godina. U isto vrijeme, prije 3,5 milijardi godina, život na Zemlji već je postojao, što dokazuje otkriće stijena takve starosti sa tragovima vitalne aktivnosti mikroorganizama. Tako su prvi jednostavni organizmi nastali relativno brzo - za manje od 500 miliona godina.
Kada se Zemlja prvi put formirala, njena temperatura je mogla dostići 8000 °C. Kada se planeta ohladila, metali i ugljenik, kao najteži elementi, kondenzovali su se i formirali zemljinu koru. Istovremeno se odvijala vulkanska aktivnost, kora se pomerala i skupljala, na njoj su se stvarali nabori i pukotine. Gravitacijske sile dovele su do zbijanja kore, dok se energija oslobađala u obliku topline.
Laki gasovi (vodonik, helijum, azot, kiseonik, itd.) planeta nije zadržala i pobegli su u svemir. Ali ovi elementi su ostali u sastavu drugih supstanci. Sve dok temperatura na Zemlji nije pala ispod 100°C, sva voda je bila u stanju pare. Nakon snižavanja temperature, isparavanje i kondenzacija se ponavljaju više puta, jaki pljuskovi sa grmljavinom. Vruća lava i vulkanski pepeo, kada su jednom u vodu, stvorili su različite životne uslove. Kod nekih bi se mogle javiti određene reakcije.
Dakle, fizički i hemijski uslovi na ranoj Zemlji bili su povoljni za formiranje organskih supstanci iz njihovih neorganskih. Atmosfera je bila redukcionog tipa, nije bilo slobodnog kiseonika i ozonskog omotača. Zbog toga je ultraljubičasto i kosmičko zračenje prodrlo u Zemlju. Drugi izvori energije bili su toplina zemljine kore, koja se još nije ohladila, erupcije vulkana, grmljavine, radioaktivni raspad.
U atmosferi su bili prisutni metan, ugljični oksidi, amonijak, sumporovodik, jedinjenja cijanida i vodena para. Od njih je sintetiziran niz najjednostavnijih organskih tvari. Nadalje, mogu se formirati aminokiseline, šećeri, dušične baze, nukleotidi i druga složenija organska jedinjenja. Mnogi od njih su služili kao monomeri za buduće biološke polimere. Odsustvo slobodnog kiseonika u atmosferi pogodovalo je reakcijama.
Hemijski eksperimenti (prvi put 1953. S. Miller i G. Urey), simulirajući uslove drevne Zemlje, dokazali su mogućnost abiogene sinteze organskih supstanci iz neorganskih. Kada se prolaze električna pražnjenja gasna mešavina, oponašajući primitivnu atmosferu, u prisustvu vodene pare dobijaju se aminokiseline, organske kiseline, azotne baze, ATP, itd.
Treba napomenuti da su se u drevnoj atmosferi Zemlje najjednostavnije organske tvari mogle formirati ne samo abiogeno. Oni su također doneseni iz svemira, sadržani u vulkanskoj prašini. Štaviše, to bi mogle biti prilično velike količine organske tvari.
Organska jedinjenja male molekularne težine nakupila su se u okeanu, stvarajući takozvanu primordijalnu supu. Supstance su se adsorbovale na površini glinenih naslaga, što je povećalo njihovu koncentraciju.
U određenim uslovima drevne Zemlje (na primjer, na glini, padinama rashladnih vulkana) mogla je doći do polimerizacije monomera. Tako su nastali proteini i nukleinske kiseline - biopolimeri, koji su kasnije postali hemijska osnova života. U vodenoj sredini polimerizacija je malo verovatna, jer se depolimerizacija obično dešava u vodi. Iskustvo je dokazalo mogućnost sintetiziranja polipeptida iz aminokiselina u kontaktu s komadićima vruće lave.
Sljedeći važan korak ka nastanku života je formiranje koacervatnih kapi u vodi ( koacervate) od polipeptida, polinukleotida, drugih organskih jedinjenja. Takvi kompleksi su mogli imati sloj na vanjskoj strani koji je imitirao membranu i sačuvao njihovu stabilnost. Koacervati su dobijeni eksperimentalno u koloidnim otopinama.
Proteinski molekuli su amfoterni. Oni privlače molekule vode na sebe tako da se oko njih formira školjka. Dobijaju se koloidni hidrofilni kompleksi izolovani iz vodene mase. Kao rezultat, u vodi se formira emulzija. Nadalje, koloidi se spajaju jedni s drugima i formiraju koacervate (proces se naziva koacervacija). Koloidni sastav koacervata zavisio je od sastava sredine u kojoj je nastao. U različitim rezervoarima drevne Zemlje formirani su koacervati različitog hemijskog sastava. Neki od njih su bili stabilniji i mogli su u određenoj mjeri vršiti selektivni metabolizam sa okolinom. Postojala je neka vrsta biohemijske prirodne selekcije.
Koacervati su u stanju da selektivno apsorbuju određene supstance iz okoline i ispuštaju u nju neke produkte hemijskih reakcija koje se u njima odvijaju. To je kao metabolizam. Kako su se tvari akumulirale, koacervati su rasli, a kada su dostigli kritičnu veličinu, raspali su se na dijelove, od kojih je svaki zadržao karakteristike prvobitne organizacije.
U samim koacervatima može doći hemijske reakcije. Tokom apsorpcije metalnih jona koacervatima, mogu nastati enzimi.
U procesu evolucije ostali su samo takvi sistemi koji su bili sposobni za samoregulaciju i samoreprodukciju. To je označilo početak sljedeće faze u nastanku života - nastajanja protobiontima(prema nekim izvorima, ovo je isto što i koacervati) - tijela koja imaju složen hemijski sastav i niz svojstava živih bića. Protobioti se mogu smatrati najstabilnijim i najuspješnijim koacervatima.
Membrana se može formirati na sljedeći način. Masne kiseline se kombinuju sa alkoholima i formiraju lipide. Lipidi su formirali filmove na površini vodenih tijela. Njihove nabijene glave su okrenute prema vodi, dok su nepolarni krajevi okrenuti prema van. Molekuli proteina koji plutaju u vodi privučeni su glavama lipida, što je rezultiralo stvaranjem dvostrukih lipoproteinskih filmova. Od vjetra se takav film mogao saviti i formirati mjehurići. Koacervati su možda slučajno zarobljeni u ovim vezikulama. Kada su se takvi kompleksi ponovo pojavili na površini vode, već su bili prekriveni drugim lipoproteinskim slojem (zbog hidrofobnih interakcija nepolarnih krajeva lipida okrenutih jedan prema drugom). Opća shema Membrana današnjih živih organizama ima dva sloja lipida iznutra i dva sloja proteina koji se nalaze na rubovima. Ali tokom miliona godina evolucije, membrana je postala složenija zbog uključivanja proteina koji su uronjeni u lipidni sloj i koji prodiru u njega, izbočenja i izbočenja pojedinih delova membrane, itd.
Koacervati (ili protobioti) bi mogli dobiti već postojeće molekule nukleinske kiseline sposobne za samoreprodukciju. Nadalje, kod nekih protobionata moglo bi doći do takvog preuređivanja da je nukleinska kiselina počela da kodira protein.
Evolucija protobionata više nije hemijska, već prebiološka evolucija. To je dovelo do poboljšanja katalitičke funkcije proteina (počeli su igrati ulogu enzima), membrana i njihove selektivne permeabilnosti (što protobiont čini stabilnim skupom polimera), do pojave matrične sinteze (prijenos informacija sa nukleinskih kiselina u nukleinsku kiselinu i od nukleinske kiseline u protein).
| Evolucija | rezultate | |
|---|---|---|
| 1 | Hemijska evolucija - sinteza jedinjenja |
|
| 2 | Prebiološka evolucija - hemijska selekcija: ostaju najstabilniji, samoreproducirajući protobioti |
|
| 3 | biološka evolucija- biološka selekcija: borba za egzistenciju, opstanak najprilagođenijih uslovima sredine |
|
Jedna od najvećih misterija o poreklu života je kako je RNK kodirala sekvencu aminokiselina proteina. Pitanje se odnosi na RNK, a ne na DNK, jer se vjeruje da je u početku ribonukleinska kiselina igrala ne samo ulogu u implementaciji nasljednih informacija, već je bila i odgovorna za njihovo skladištenje. DNK ju je zamenio kasnije, nastao iz RNK reverznom transkripcijom. DNK je bolja u pohranjivanju informacija i stabilnija je (manje sklona reakcijama). Stoga je u procesu evolucije ona bila ta koja je ostavljena kao čuvar informacija.
Godine 1982. T. Chek je otkrio katalitičku aktivnost RNK. Osim toga, RNK se može sintetizirati pod određenim uvjetima čak iu odsustvu enzima, a također može formirati kopije same sebe. Stoga se može pretpostaviti da su RNK prvi biopolimeri (hipoteza RNK svijeta). Neki dijelovi RNK mogli su slučajno kodirati peptide korisne za protobiont, dok su drugi dijelovi RNK postali izrezani introni u toku evolucije.
U protobiontima su nastali Povratne informacije- RNK kodira enzimske proteine, enzimski proteini povećavaju količinu nukleinskih kiselina.
Početak biološke evolucije
Hemijska evolucija i evolucija protobionata trajala je više od milijardu godina. Život je nastao i započela je njegova biološka evolucija.
Neki protobioti su iznjedrili primitivne ćelije, koje uključuju sveukupnost svojstava živih bića koja danas posmatramo. Oni su implementirali skladištenje i prijenos nasljednih informacija, njihovu upotrebu za stvaranje struktura i metabolizam. Osigurana je energija za životne procese ATP molekuli, pojavile su se membrane tipične za ćelije.
Prvi organizmi bili su anaerobni heterotrofi. Dobili su energiju pohranjenu u ATP-u fermentacijom. Primjer je glikoliza - razgradnja šećera bez kisika. Ovi organizmi su jeli na račun organskih supstanci primarne čorbe.
Ali dionice organskih molekula postepeno su se iscrpljivale, kako su se uslovi na Zemlji menjali, a nova organska materija gotovo da se više nije sintetizirala abiogenim putem. U uslovima konkurencije za prehrambene resurse, evolucija heterotrofa se ubrzala.
Prednost su imale bakterije za koje se pokazalo da mogu fiksirati ugljični dioksid stvaranjem organskih tvari. Autotrofna sinteza nutrijenata je složenija od heterotrofne ishrane, tako da nije mogla nastati u ranim životnim oblicima. Od nekih supstanci, pod uticajem energije sunčevog zračenja, nastala su jedinjenja neophodna za ćeliju.
Prvi fotosintetski organizmi nisu proizvodili kiseonik. Fotosinteza s njenim oslobađanjem najvjerovatnije se kasnije pojavila u organizmima sličnim sadašnjim plavo-zelenim algama.
Akumulacija kisika u atmosferi, pojava ozonskog zaslona i smanjenje količine ultraljubičastog zračenja doveli su do gotovo nemogućnosti abiogene sinteze složenih organskih tvari. S druge strane, novi oblici života postali su otporniji u takvim uslovima.
Rašireno po zemlji disanje kiseonika. Anaerobni organizmi su preživjeli samo na nekoliko mjesta (na primjer, postoje anaerobne bakterije koje žive u toplim podzemnim izvorima).
| Abiogena sinteza organskih molekula. Moderni pogledi do pojave života. Da li je sada moguć život na Zemlji?? | Datum: Lekcija 47 Klasa 9 |
|||
| Očekivani ishodi lekcije | ||||
| Ciljevi lekcije | obrazovni Formiranje svjesnih ideja o evoluciji kao istorijskom razvoju organski svijet na zemlji. Razmotrite različite teorije o nastanku života na Zemlji, analizirajte argumente "za" i "protiv" Obrazovni Razvoj mišljenja, sposobnost primjene u kognitivnoj i komunikacijskoj praksi Razvijanje sposobnosti izgrađivanja logičkog zaključivanja, zaključivanja i donošenja zaključaka; analizirati i istaknuti ono glavno iz predloženog materijala. Obrazovni Formiranje naučnog pogleda. Vaspitanje tolerantnog odnosa prema neistomišljenicima – pristalicama drugih gledišta koja se razlikuju od opšteprihvaćenih; |
|||
| Vrsta lekcije | kombinovano |
|||
| Vrsta lekcije | studija |
|||
| Forma rada | Grupno individualno |
|||
| Oprema | Materijali, whatman papir, flomasteri |
|||
| „Oh, reši mi zagonetku života, bolnu drevna zagonetka nad kojim je toliko toga već tučeno glave, glave u šeširima oslikanim hijeroglifima, glavama u turbanima i crnim beretkama, glavama u perikama i hiljadama drugih jadnih ljudskih glava..." G. Heine. |
||||
| vrijeme | Faza / aktivnost | resurse |
||
| Org moment. 3 min Ažuriranje znanja | Dragi prijatelji, mislim da ste se svi vi, bez izuzetka, pitali: "Kako je nastao život na našoj planeti?" Danas ćemo pokušati da riješimo ovu vjekovnu "misteriju života", nad kojom su, kao što se vidi iz epigrafa naše lekcije, razmišljalo mnogo pametnih glava. Da bismo to učinili, postavićemo problematična pitanja. Tema lekcije Određivanje ciljeva Kako je nastao život na Zemlji? Koji su savremeni pogledi i hipoteze o nastanku života na Zemlji? Koji od njih su najubedljiviji? ŠTA JE ŽIVOT Friedrich Engels: „Život je način postojanja proteinskih tijela čija je bitna tačka stalna izmjena tvari sa vanjskom prirodom koja ih okružuje, a prestankom ovog metabolizma prestaje i život, što dovodi do razgradnje proteina.” | |||
| Provjera d.z 5 minuta | Testiraj " evolucionu doktrinu» 1. Evolucija se zove: a) individualni razvoj organizama b) promjena jedinki c) istorijski nepovratni razvoj organskog svijeta d) promjene u biljnom i životinjskom svijetu 2 , Glavna pokretačka snaga evolucija je: a) varijabilnost b) nasljednost c) borba za postojanje d) prirodna selekcija 3. Borba za egzistenciju je: a) nadmetanje između organizama za uslove okoline b) uništavanje jedinki jedne vrste od strane jedinki druge vrste c) simbiotski odnosi nekih vrsta s drugima d) širenje vrste na novu teritoriju 4. Seksualni odabir je: a) prirodna selekcija koja se dešava između jedinki istog pola tokom sezone parenja b) prirodna selekcija, zbog: nadmetanja jedinki različitih polova iste vrste za hranu c) oblik umjetne selekcije usmjerene na uništavanje mužjaka (na primjer, kod pilića, pataka) 5. Ne primjeri prirodnog djelovanja izbor: a) pedigre španske nemačke doge. b) industrijski melanizam insekata c) otpornost bakterija na antibiotike d) otpornost kućnih muha na pesticide 6. Mimikrija je: a) sličnost bespomoćne i jestive vrste sa jednom ili više nesrodnih vrsta koje su dobro zaštićene i imaju boju upozorenja b) sličnost oblika i boje jedinki dvije srodne vrste. c) prisustvo posebnih sredstava zaštite kod jedinki vrste 7. Aromorfoza je jedan od sljedećih evolucijskih događaja: a) pojava klase ptica b) pojava velikog broja porodica brojnih grabežljivih sisara | |||
| Učenje novog gradiva 7 minuta | Zadaci: 1 pravim klaster 2. izvući zaključke Kompilacija klastera po grupama. Grupa 1 Abiogena sinteza organskih supstanci Grupa 2 Savremeni pogledi na nastanak života Grupa 3 Razvoj ideja o nastanku života | |||
| Primarno pričvršćivanje 5 minuta | Algoritam za pisanje eseja za diskusiju: Diskutovana tema (problem). Moja pozicija. Kratko obrazloženje. Moguće primjedbe koje bi drugi mogli iznijeti. Razlog zašto je ova pozicija još uvijek tačna. Zaključak | |||
| Refleksija | otvoreni mikrofon | |||
| 3 min Kuća. vježbe | Formulirajte novu hipotezu o nastanku života na Zemlji Geolozi, biolozi i svi paleontolozi Genetičari i hemičari Razbijaju im glave Ili možda neko od vas Kreirajte vlastitu hipotezu Kako, zašto, kada i gdje Da li je život nastao na Zemlji? | |||
I. Abiogena sinteza organskih supstanci - formiranje organskih materija iz neorganskih
1. Nastao prije 3,5 milijardi godina
2. Izvodi se u dvije faze u primarnom okeanu:
Prva faza je formiranje organskih spojeva male molekularne težine
- ugljovodonici (CH4) primarne atmosfere reagovali su sa vodenom parom, NH3, H2, CO2, CO, N2 sa stvaranjem intermedijarnih organskih jedinjenja: alkohola, aldehida, ketona, organskih kiselina, koje su padale u okean
- intermedijerna jedinjenja u primarnom okeanu pretvorena u monosaharide, aminokiseline, nukleotide, fosfate - ATP (izvori energije za sintezu mogu biti električna munja, ultraljubičasto zračenje, toplotnu energiju, udarni talasi, energija iz erupcija vulkana, energija plime i oseke, itd.)
- mogućnost takve sinteze je eksperimentalno dokazao 1953. S. Miller (amer) u zatvorenom aparatu s kipućom vodom i hladnjakom, simulirajući uslove koji su postojali na Zemlji prije 4 milijarde godina, u kojima se miješala mješavina CH4, NH4 a pri prolasku kroz njega stavljan gasovi H2, dobijaju se niskomolekularna organska jedinjenja - urea, alkoholi, aldehidi, organske kiseline, monosaharidi, masne kiseline, razne aminokiseline (u slučaju korišćenja jonizujućeg UV zračenja ili toplote do 600 električnih pražnjenja, dobijene su druge aminokiseline, masne kiseline, šećeri - riboza, dezoksiriboza, azotne baze - nukleotidi)
- mogućnost abiogene sinteze organskih jedinjenja potvrđuje činjenica da se nalaze u svemiru (formaldehidi, mravlja kiselina, etanol i sl.)
Druga faza je sinteza visokomolekularnih organskih supstanci iz jednostavnih organskih jedinjenja - biopolimera: proteina, lipida, polisaharida, nukleinskih kiselina (RNA)
1 Nastao u Primordijalnom okeanu
2. Nastaje kao rezultat reakcija polikondenzacije (polimerizacije); potrebna energija je postignuta temperaturom od oko 100 C ili jonizujućim zračenjem uz uklanjanje slobodne vode (S. Fox, Amer., 1997.)
3. Koncentracija niskomolekularnih supstanci potrebnih za pokretanje reakcije postignuta je kao rezultat njihove adsorpcije u glinovitim sedimentima dna ili poroznim vulkanskim tufovima.
(eksperimentalno je pokazano da vodena otopina aminokiselina u prisustvu glinice i ATP-a može dati polimerne lance - polipeptide)
4. Voda mora i okeana bila je zasićena biopolimerima abiogenog porijekla, formirajući tzv. "primalni bujon"
Savremeni pogledi na nastanak života
Hipoteza A. I. Oparina. Najznačajnija karakteristika hipoteze AI Oparina je postepeno usložnjavanje hemijske strukture i morfološkog izgleda prekursora života (probionta) na putu do živih organizama.
Velika količina podataka ukazuje na to da bi obalni regioni mora i okeana mogli biti okruženje za nastanak života. Ovdje, na spoju mora, kopna i zraka, stvoreni su povoljni uvjeti za stvaranje složenih organskih spojeva. Na primjer, otopine određenih organskih tvari (šećeri, alkoholi) su vrlo stabilne i mogu postojati neograničeno. U koncentrovanim rastvorima proteina, nukleinskih kiselina, mogu se formirati ugrušci, slični ugrušcima želatine u vodeni rastvori. Takvi ugrušci se nazivaju koacervatne kapi ili koacervati (Sl. 70). Koacervati su u stanju da adsorbuju različite supstance. Iz otopine u njih ulaze kemijska jedinjenja koja se transformiraju kao rezultat reakcija koje se odvijaju u koacervatnim kapima i ispuštaju se u okoliš.
Koacervati još nisu živa bića. Oni pokazuju samo vanjsku sličnost s takvim znakovima živih organizama kao što su rast i metabolizam s okolinom. Stoga se pojava koacervata smatra etapom u razvoju predživota.
Koacervati su prošli veoma dugu selekciju za stabilnost strukture. Stabilnost je postignuta stvaranjem enzima koji kontrolišu sintezu određenih spojeva. Najvažnija faza u nastanku života bila je pojava mehanizma za reprodukciju vlastite vrste i nasljeđivanje svojstava prethodnih generacija. To je postalo moguće zbog formiranja složenih kompleksa nukleinskih kiselina i proteina. Nukleinske kiseline sposobne za samoreplikaciju počele su kontrolirati sintezu proteina, određujući redoslijed aminokiselina u njima. A enzimski proteini su izvršili proces stvaranja novih kopija nukleinskih kiselina. Tako je nastala glavna osobina života - sposobnost reprodukcije molekula sličnih sebi.
Živa bića su takozvani otvoreni sistemi, odnosno sistemi u koje energija dolazi spolja. Bez energije život ne može postojati. Kao što znate, prema načinu potrošnje energije (vidi Poglavlje III), organizmi se dijele u dvije velike grupe: autotrofne i heterotrofne. Autotrofni organizmi direktno koriste sunčevu energiju u procesu fotosinteze (zelene biljke), heterotrofni organizmi koriste energiju koja se oslobađa pri raspadanju organskih tvari.
Očigledno, prvi organizmi su bili heterotrofi, koji su dobijali energiju cijepanjem organskih spojeva bez kisika. U zoru života nije bilo slobodnog kiseonika u Zemljinoj atmosferi. Pojava atmosfere modernog hemijskog sastava usko je povezana sa razvojem života. Pojava organizama sposobnih za fotosintezu dovela je do oslobađanja kisika u atmosferu i vodu. U njegovom prisustvu postalo je moguće cijepanje kisika organskih tvari, pri čemu se dobiva višestruko više energije nego bez kisika.
Od trenutka svog nastanka, život čini jedan biološki sistem – biosferu (vidi Poglavlje XVI). Drugim riječima, život nije nastao u obliku odvojenih izoliranih organizama, već odmah u obliku zajednica. Evoluciju biosfere u cjelini karakterizira stalna komplikacija, odnosno nastanak sve složenijih struktura.
Da li je sada moguć život na Zemlji? Iz onoga što znamo o nastanku života na Zemlji jasno je da je proces nastanka živih organizama iz jednostavnih organskih jedinjenja bio izuzetno dug. Da bi život nastao na Zemlji, bio je potreban evolucijski proces koji je trajao mnogo miliona godina, tokom kojeg su složene molekularne strukture, prije svega nukleinske kiseline i proteini, odabrane za stabilnost, za sposobnost reprodukcije vlastite vrste.
Ako sada na Zemlji negdje u područjima intenzivne vulkanske aktivnosti mogu nastati prilično složena organska jedinjenja, onda je vjerovatnoća bilo kakvog produženog postojanja ovih spojeva zanemarljiva. Oni će odmah biti oksidirani ili iskorišteni od strane heterotrofnih organizama. Čarls Darvin je ovo veoma dobro razumeo. Godine 1871. napisao je: „Ali sada... u nekom toplom rezervoaru koji sadrži sve potrebne soli amonijuma i fosfora i dostupan je svetlosti, toploti, elektricitetu itd., protein sposoban za dalje, sve složenije transformacije, tada bi ova supstanca odmah uništiti ili apsorbirati, što je bilo nemoguće u periodu prije pojave živih bića.
Život je nastao na Zemlji na abiogeni način. Trenutno, živo dolazi samo od živog (biogenog porijekla). Isključena je mogućnost ponovnog pojavljivanja života na Zemlji.
Razvoj ideja o nastanku života
teorija o poreklu života na zemlji. Od davnina do našeg vremena, iznesene su bezbrojne hipoteze o nastanku života na Zemlji. Sva njihova raznolikost svodi se na dva međusobno isključiva gledišta.
Zagovornici teorije biogeneze (od grčkog "bios" - život i "genesis" - porijeklo) vjerovali su da sva živa bića dolaze samo od živih bića. Njihovi protivnici su branili teoriju abiogeneze ("a" - latinski, negativni prefiks); smatrali su mogućim poreklo živog od neživog.
Mnogi srednjovjekovni naučnici su priznavali mogućnost spontanog nastajanja života. Po njima bi se ribe mogle roditi iz mulja, crvi iz zemlje, miševi iz blata, muhe iz mesa itd.
Protiv teorije spontanog generisanja u 17. veku. govorio je firentinski doktor Francesco Redi. Stavljajući meso u poklopljenu posudu, Redi je pokazao da se larve puhača ne razmnožavaju spontano u pokvarenom mesu. Pobornici teorije spontanog nastajanja nisu odustajali, tvrdili su da do spontanog stvaranja larvi nije došlo samo iz razloga što zrak nije ušao u zatvoreni lonac. Zatim je Redi stavio komade mesa u nekoliko dubokih posuda. Neke je ostavio otvorene, a neke prekrio muslinom. Nakon nekog vremena, u otvorenim posudama, meso je nabilo larve muva, dok u posudama prekrivenim muslinom nije bilo larvi u trulom mesu.
Mikroskop je ljudima otvorio mikrosvijet. Promatranja su pokazala da se u dobro zatvorenoj tikvici s mesnom juhom ili infuzijom sijena nakon nekog vremena otkrivaju mikroorganizmi. Ali čim se mesna čorba kuhala sat vremena i vrat zapečaćen, ništa se nije pojavilo u zatvorenoj tikvici. Vitalisti su sugerirali da produženo vrenje ubija "životnu snagu" koja ne može prodrijeti u zatvorenu bocu.
Sporovi između pristalica abiogeneze i biogeneze nastavili su se u 19. vijeku. Čak je i Lamarck 1809. pisao o mogućnosti spontanog stvaranja gljiva.
Pasteurov eksperiment. Pojavom Darwinove knjige "Porijeklo vrsta" ponovo se postavilo pitanje kako je ipak nastao život na Zemlji. Francuska akademija nauka je 1859. godine dodijelila posebnu nagradu za pokušaj da se na nov način rasvijetli pitanje spontanog nastajanja. Ovu nagradu je 1862. godine primio poznati francuski naučnik Louis Pasteur.
LOUIS PASTEUR (1822-1895) - francuski mikrobiolog i hemičar. Osnivač mikrobiologije. Otkrivene anaerobne bakterije. Pokazala energetsku vrijednost fermentacije. Istraživao je problem mogućnosti nastanka života. Predložio je vakcinaciju protiv bjesnila, antraksa, kao i pasterizaciju (zagrijavanje na 70°C) kao način uništavanja živih bakterija (ali ne i njihovih spora) radi očuvanja hrane.
L. Pasteur je izveo eksperiment koji je u jednostavnosti parirao Redijevom čuvenom eksperimentu. U tikvici je prokuhao razne hranljive podloge u kojima su se mogli razviti mikroorganizmi. Dugotrajno ključanje u tikvici ubilo je ne samo mikroorganizme, već i njihove spore. Imajući na umu tvrdnju vitalista da mitska "životna sila" ne može prodrijeti u zatvorenu bocu, Pasteur je na nju pričvrstio cijev u obliku slova S sa slobodnim krajem (slika 68). Spore mikroorganizama smjestile su se na površini tanke zakrivljene cijevi i nisu mogle prodrijeti u hranljivi medij. Dobro prokuvano podloga za kulturu ostao sterilan, u njemu nije uočeno spontano stvaranje mikroorganizama, iako je bio omogućen pristup zraku (a sa njim i ozloglašena "životna sila").
Rice. 68. Šema eksperimenta L. Pasteura u tikvicama s grlom u obliku slova S.
A - u tikvici s grlom u obliku slova S, hranjivi medij nakon ključanja ostaje sterilan dugo vremena; B - ako uklonite grlo u obliku slova S, tada se mikroorganizmi brzo razvijaju u mediju
Pasteur je svojim eksperimentima dokazao nemogućnost spontanog nastajanja života. Konceptu "životne snage" - vitalizma je zadat porazan udarac.
Abiogena sinteza organskih supstanci. Pasteurov eksperiment pokazao je nemogućnost spontanog stvaranja života u današnje vrijeme. Pitanje porijekla života na našoj planeti dugo je ostalo otvoreno.
Godine 1924, poznati biohemičar A.I. Oparin je predložio da se snažnim električnim pražnjenjima u zemljina atmosfera, koji se prije 4-4,5 milijardi godina sastojao od amonijaka, metana, ugljen-dioksid i vodene pare, najjednostavnija organska jedinjenja neophodna za nastanak života. Predviđanje akademika Oparina se potvrdilo. Godine 1955. američki istraživač S. Miller, propuštajući električna pražnjenja do 60.000 V kroz mješavinu para CH 4, NH 3, H 2 i H 2 0 pod pritiskom od nekoliko paskala na temperaturi od 80 °C, dobio je najjednostavnije masne kiseline, urea, sirćetne i mravlje kiseline i nekoliko aminokiselina, uključujući glicin i alanin (slika 69).
Rice. 69. Šema uređaja S. Miller, u kojoj se sintetišu aminokiseline
Kao što već znamo, aminokiseline su gradivni blokovi od kojih se grade proteinski molekuli. Stoga je eksperimentalni dokaz mogućnosti stvaranja aminokiselina iz anorganskih spojeva izuzetno važan pokazatelj da je prvi korak ka nastanku života na Zemlji bila abiogena (nebiološka) sinteza organskih tvari (vidi prednji list) .
Za ljude koji žele da se konstantno usavršavaju, nauče nešto i stalno uče nešto novo, posebno smo napravili ovu kategoriju. Sadrži isključivo edukativne, korisne sadržaje u kojima ćete sigurno uživati. Veliki broj videa, možda, može čak i konkurirati obrazovanju koje nam se daje u školi, fakultetu ili fakultetu. Najveća prednost nastavnih videa je u tome što pokušavaju pružiti najnovije, najažurnije informacije. Svijet oko nas u eri tehnologije stalno se mijenja, a štampane obrazovne publikacije jednostavno nemaju vremena da daju svježe informacije.
Među video zapisima možete pronaći i edukativne video zapise za djecu. predškolskog uzrasta. Tamo će vaše dijete naučiti slova, brojeve, brojanje, čitanje itd. Slažem se, vrlo dobra alternativa crtanim filmovima. Za studente osnovna škola možete pronaći i tutorijale engleski jezik, pomoć u izučavanju školskih predmeta. Za starije učenike kreirani su trenažni video zapisi koji će im pomoći da se pripreme za testove, ispite ili jednostavno prodube svoje znanje iz određenog predmeta. Stečena znanja mogu kvalitativno uticati na njihov mentalni potencijal, kao i obradovati vas odličnim ocjenama.
Za mlade ljude koji nisu u školi, na fakultetu ili ne, na raspolaganju je mnogo zabavnih obrazovnih videa. Mogu im pomoći da prodube svoje znanje o profesiji za koju se školuju. Ili steknete profesiju, kao što je programer, web dizajner, SEO optimizator i tako dalje. Univerziteti još ne podučavaju takvu profesiju, tako da možete postati specijalista u ovoj naprednoj i relevantnoj oblasti samo samoobrazovanjem, čemu mi pokušavamo pomoći prikupljanjem najkorisnijih videa.
Za odrasle je ova tema također relevantna, jer se često dešava da nakon godina rada u struci dođe do shvaćanja da to nije vaše i da želite naučiti nešto sebi prikladnije, a ujedno i isplativo. Također među ovom kategorijom ljudi često se nalaze video snimci o vrsti samousavršavanja, uštedi vremena i novca, optimizaciji života, u kojima pronalaze načine da žive mnogo bolje i sretnije. Čak i za odrasle, tema stvaranja i razvoja vlastitog posla je vrlo pogodna.
Također među edukativnim video zapisima postoje video snimci s općim fokusom, koji su prikladni za gotovo svako doba, u kojima možete saznati kako je nastao život, koje teorije evolucije postoje, činjenice iz istorije itd. Savršeno proširuju horizonte osobe, čine ga mnogo eruditnijim i ugodnijim intelektualnim sagovornikom. Zaista je korisno gledati ovakve informativne video zapise za sve bez izuzetka, jer znanje je moć. Želimo Vam ugodno i korisno gledanje!
U naše vrijeme jednostavno je potrebno biti ono što se zove "na talasu". To se ne odnosi samo na vijesti, već i na razvoj vlastitog uma. Ako se želite razvijati, istraživati svijet, biti traženi u društvu i zanimljivi, onda je ovaj odjeljak za vas.
