0
Teorija biopoeze
Na temelju Oparin-Haldaneove hipoteze o biokemijskoj evoluciji 1947. engleski istraživač John Bernal formulirao je moderna teorija porijeklo života na zemlji, tzv teorija biopoeze(gr. bios- život i poiesis- stvaranje).
Sadržala je tri faze:
- abiogena pojava organskih monomera;
- stvaranje bioloških polimera;
- nastanak membranskih struktura i primarnih organizama – probionata.
Abiogena pojava organskih monomera
Naš je planet nastao prije otprilike 4,6 milijardi godina.
Obrazovanje Zemljina kora praćen aktivnom vulkanskom aktivnošću. Plinovi nakupljeni u primarnoj atmosferi - proizvodi reakcija koje se odvijaju u utrobi Zemlje: ugljični dioksid (CO 2), ugljični monoksid (CO), amonijak (NH 3), metan (CH 4), vodikov sulfid (H 2 S) i mnogi drugi. Takvi se plinovi trenutno emitiraju u atmosferu tijekom vulkanskih erupcija.
Voda se neprestano isparavajući s površine Zemlje kondenzirala u gornjim slojevima atmosfere i ponovno padala u obliku kiše na vruću zemljinu površinu. Postupno smanjenje temperature dovelo je do činjenice da su pljuskovi pali na Zemlju, popraćeni kontinuiranim grmljavinskim olujama. Vodena tijela počela su se formirati na zemljinoj površini.
Atmosferski plinovi i one tvari koje su isprane iz zemljine kore otopljene su u vrućoj vodi. U atmosferi, pod utjecajem čestih i jakih električnih pražnjenja groma, snažnog ultraljubičastog zračenja Sunca i aktivne vulkanske aktivnosti, koja je praćena emisijama radioaktivnih spojeva, najjednostavnije organske tvari (formaldehid, glicerin, aminokiseline, urea) , mliječna kiselina).
Budući da u atmosferi još nije bilo slobodnog kisika, ovi spojevi ulaze u vodu drevni ocean, nisu oksidirani i mogli su se akumulirati, postajući složeniji u strukturi i stvarajući koncentriranu "primarni bujon" - pojam koji je uveo A.I. Oparin. Organska tvar, nakupljajući se milijunima godina u vodi drevnog oceana, formirala je koncentriranu otopinu ili "primarnu juhu".
Stvaranje bioloških polimera i koacervata
Prva faza biokemijske evolucije potvrđena je brojnim eksperimentima, no što se dogodilo u sljedećoj fazi, znanstvenici mogu samo nagađati na temelju znanja iz kemije i molekularne biologije.
Očigledno, formirane najjednostavnije organske tvari međusobno su komunicirale jedna s drugom i s anorganskim spojevima koji ulaze u vodena tijela. Masne kiseline, reagirajući s alkoholima, formirale su lipide, koji su formirali masne filmove na površini vodenih tijela. Aminokiseline se međusobno spajaju u peptide. važan događaj Ova faza bila je pojava nukleinskih kiselina - molekula sposobnih za reduplikaciju.
Suvremeni biokemičari vjeruju da su prvi nastali kratki lanci RNA, koji se mogu samostalno sintetizirati, bez sudjelovanja posebnih enzima. Stvaranje nukleinskih kiselina i njihova interakcija s proteinima postala je nužan preduvjet za nastanak života koji se temelji na reakcijama matrične sinteze i metabolizma.
A. I. Oparin je vjerovao da vitalnu ulogu u preobrazbi neživog u živo pripadao proteinima. Zbog osobitosti strukture, ove molekule su u stanju 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. koacervati mogli izmjenjivati tvari sa okoliš te selektivno nakupljaju razne spojeve. Apsorpcija metalnih iona koacervatima dovodi do stvaranja enzima. Proteini u koacervatima zaštićeni nukleinske kiseline od štetnog djelovanja ultraljubičastog zračenja. Sustavi ove vrste već su imali neke znakove života, ali su im nedostajale biološke membrane koje bi ih pretvorile u prve žive organizme.
koacervatus(lat. koacervatio- skupljanje u hrpu, nakupljanje) - ugrušci s većom koncentracijom koloida (otopljene tvari) nego u ostatku otopine iste kemijski sastav.
Koacervati nastaju u koncentriranim otopinama proteina i nukleinskih kiselina. Sposobni su adsorbirati razne tvari. Iz otopine unutar koacervata dolaze kapi kemijski spojevi, koji se pretvaraju kao rezultat reakcija koje se odvijaju u koacervatnim kapljicama i ispuštaju u okoliš.
Koncept "koacervata" važan je u nizu hipoteza o podrijetlu života na Zemlji.
Stvaranje membranskih struktura i primarnih organizama (probionata)
Kako nastaju membrane? rani stadiji podrijetlo života?
Površine rezervoara bile su prekrivene masnim filmovima. Dugi nepolarni ugljikovodični "repovi" lipidnih molekula stršali su prema van, a nabijene "glave" bile su okrenute u vodu. Molekule polipeptida i nukleinskih kiselina otopljenih u vodenim tijelima mogle bi se adsorbirati na površini lipidnog filma zbog električnog privlačenja nabijenih "glava". Pri naletima vjetra površinski film je bio savijen, s njega su se mogli odlomiti mjehurići. Takve mjehuriće vjetar je podigao u zrak, a kada su pali na površinu rezervoara, bili su prekriveni drugim lipidnim slojem. To je bilo zbog hidrofobnih interakcija između nepolarnih "repova" lipida okrenutih jedan prema drugome. Takva dvoslojna lipidna ljuska nas iznenađujuće podsjeća na suvremenu biološku membranu i, moguće, mogla bi biti njezina pretka.
Za daljnji razvoj života bili su važni ti mjehurići koji su sadržavali koacervati s kompleksima protein-nukleinska kiselina. Biološke membrane koacervatima su pružale zaštitu i neovisno postojanje, stvarajući urednost biokemijski 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 probioti (ili protobionti : s grčkog. protos- prvi i bios- život) - primitivni heterotrofni organizmi koji su se hranili organskim tvarima "primarne juhe". To se dogodilo prije 3,5-3,8 milijardi godina. Kemijska evolucija je završila, došlo je vrijeme za biološku evoluciju žive tvari.
Probioti, ili protobionti(gr. protos- prvi i bios- život), - predstanične tvorevine koje imaju neka svojstva stanica: sposobnost metabolizma, samoreprodukcije itd.
Probionti su bili heterotrofni organizmi koji su organsku tvar konzumirali iz "pra-juhe". Očito su bili anaerobni heterotrofi, budući da drevna atmosfera, prema istraživačima, nije sadržavala kisik.
Ovi hipotetski primarni organizmi, koji su sadržavali makromolekule proteina i nukleinskih kiselina i stekli sposobnost samoreprodukcije, prema znanstvenicima, označili su početak sve moderne raznolikosti života na Zemlji.
Pitanje 1. Koji su svemirski čimbenici u ranim fazama razvoja Zemlje bili preduvjeti za nastanak organskih spojeva?
U ranim fazama razvoja Zemlje organski spojevi nastajali su iz anorganskih abiogenim putem. Izvor energije za te procese bilo je ultraljubičasto zračenje Sunca. U atmosferi nije bilo ozona ni kisika, pa ultraljubičasto zračenje nije bilo odgođeno ničim i stiglo je do površine planeta. Pod njegovim utjecajem, kao i uz sudjelovanje električnih pražnjenja munje, od vode i plinova nastale su najjednostavnije organske tvari: formaldehid, glicerin, aminokiseline, urea itd.
Pitanje 2. Navedite glavne faze nastanka života prema teoriji biopoeze.
Prema teoriji biopoeze, koju je 1947. formulirao engleski fizičar i povjesničara znanosti Johna Bernala (1901.-1971.), postoje tri faze u nastanku života:
1) abiogena sinteza i akumulacija organskih monomera (formiranje "primarne juhe");
2) stvaranje bioloških polimera i koacervata (od latinskog coacervus - ugrušak);
3) formiranje membranskih struktura i primarnih organizama (probionata).
Glavno mjesto svih ovih procesa je drevni ocean.
Pitanje 3. Kako su nastali koacervati, kakva su svojstva imali i u kojem smjeru su se razvijali?
Stvaranje koacervata bilo bi nemoguće bez međudjelovanja organskih tvari međusobno i s anorganskim spojevima. Kao rezultat te interakcije, od masnih kiselina i alkohola nastali su lipidi, od aminokiselina peptidi, a od nukleotida nukleinske kiseline. Lipidi su stvarali filmove na površini vodenih tijela, dok su proteini tvorili 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 s okolinom, koncentrirati različite tvari. Tako je nakupljanje metalnih iona i njihova interakcija s proteinima dovela do stvaranja enzima. Veća je vjerojatnost da će nukleinske kiseline zarobljene u koacervatima zadržati svoju strukturu i neće biti uništene. Coacervati 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 probioti.
Probiontne membrane mogle su se formirati od lipidnih filmova na površini vodenih tijela, na koje su bili pričvršćeni koacervati koji su plutali u vodi. Za evoluciju života bili su važni oni koacervati koji nisu sadržavali samo proteine, već i nukleinske kiseline. Od njihovih kompleksa s lipidima samo oni koji su se pokazali sposobnima za samoreprodukciju nukleinskih kiselina mogu se smatrati živim organizmima. Tako su nastali probioti - primitivni heterotrofi koji žive na račun organska tvar abiogenog porijekla ("primarni bujon"). U ovoj fazi je kemijska evolucija završila i započela biološka evolucija.
Pitanje 5. Opišite kako je moglo doći do komplikacije. unutarnja struktura prvi heterotrofi.
Postupno se počela smanjivati količina organskih tvari abiogenog podrijetla. To je dovelo do oštre konkurencije između probionata, što je ubrzalo pojavu autotrofa koji koriste energiju za stvaranje organske tvari. sunčeva svjetlost. Prvi autotrofi koristili su način fotosinteze bez kisika. Kasnije su se pojavile cijanobakterije, sposobne za fotosintezu uz oslobađanje kisika. Nakupljanje kisika u atmosferi rezultiralo je, prvo, pojavom aerobnih organizama, a drugo, stvaranjem zaštitnog ozonskog omotača.
Paralelno je došlo do komplikacije unutarnje strukture stanica, što je na kraju dovelo do pojave eukariota. Neki heterotrofi ušli su u simbiozu s aerobnim bakterijama, uhvatili ih i koristili kao "energetske stanice" - buduće mitohondrije. Od takvih simbionta nastale su životinje i gljive. Ostali heterotrofi, osim aerobnih bakterija, uhvatili su autotrofne cijanobakterije, koje su postale kloroplasti. Tako su se pojavili prethodnici biljaka.
Pitanje 6. Zašto je spontani nastanak života nemoguć u modernim uvjetima?
Spontano stvaranje života na Zemlji trenutno je nemoguće, jer u uvjetima moderne atmosfere bogate kisikom organski spojevi brzo se uništavaju, ne nakupljaju i ne postižu odgovarajući stupanj složenosti. Osim toga, pojava koacervata i probionata ne događa se zbog ogromnog broja heterotrofa, koji vrlo brzo "pojedu" svaku akumulaciju organskih tvari.
Podrijetlo života na Zemlji ključni je i neriješeni problem prirodne znanosti, koji često služi kao poprište sukoba znanosti i religije. Ako se postojanje evolucije žive tvari u prirodi može smatrati dokazanom, budući da su otkriveni njeni mehanizmi, arheolozi su otkrili drevne, jednostavnije uređene organizme, onda niti jedna hipoteza o nastanku života nema tako opsežnu bazu dokaza. Evoluciju možemo promatrati vlastitim očima, barem u selekciji. Nitko nije uspio stvoriti živo od neživog.
Unatoč velikom broju hipoteza o postanku života, samo jedna od njih ima prihvatljivu znanstveno objašnjenje. To je hipoteza abiogeneza- duga kemijska evolucija, koja se odvijala u posebnim uvjetima drevna zemlja i prethodio biološkoj evoluciji. Istovremeno, iz anorganske tvari isprva su sintetizirani jednostavni organski, od kojih složeniji, potom su se pojavili biopolimeri, sljedeće faze su više spekulativne i teško dokazane. Hipoteza abiogeneze ima mnogo neriješenih problema, različitih pogleda na pojedine stupnjeve kemijske evolucije. Međutim, neke od njegovih točaka empirijski su potvrđene.
Druge hipoteze o podrijetlu života - panspermija(uvođenje života iz svemira), kreacionizam(kreacija kreatora), spontana generacija(živi organizmi se odjednom pojavljuju u neživoj materiji), stabilno stanje (život postoji oduvijek). Nemogućnost spontanog nastanka života u neživom dokazivao je Louis Pasteur (XIX. st.) i niz znanstvenika prije njega, ali ne tako kategorično (F. Redi - XVII. st.). 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 njezine predstavnike koji tvrde da život na Zemlju nisu donijeli meteoriti (u ovom slučaju, živa bića bi mogla izgorjeti u slojevima atmosfere, podvrgnuti se destruktivnom djelovanju kozmičko zračenje itd.), već od strane razumnih bića. Ali kako su stigli na Zemlju? Sa stajališta fizike (ogromna veličina Svemira i nemogućnost nadvladavanja brzine svjetlosti) to je teško moguće.
Po prvi put je moguću abiogenezu potkrijepio A.I. Oparin (1923-1924), kasnije je ovu hipotezu razvio J. Haldane (1928). Međutim, ideju da bi životu na Zemlji moglo prethoditi abiogeno stvaranje organskih spojeva izrazio je Darwin. Teorija abiogeneze je finalizirana i dovršavaju je drugi znanstvenici do danas. Njegov glavni neriješeni problem su detalji prijelaza sa složenih neživih sustava na jednostavne žive organizme.
Godine 1947. J. Bernal, na temelju razvoja Oparina i Haldanea, formulirao je teoriju biopoeze, razlikujući tri stupnja abiogeneze: 1) abiogena pojava bioloških monomera; 2) stvaranje biopolimera; 3) stvaranje membrana i stvaranje primarnih organizama (protobionata).
Abiogeneza
Hipotetski scenarij nastanka života prema teoriji abiogeneze opisan je u nastavku općenito.
Starost Zemlje je oko 4,5 milijardi godina. Tekuća voda na planetu, toliko neophodna za život, prema znanstvenicima, pojavila se ne prije 4 milijarde godina. U isto vrijeme, prije 3,5 milijardi godina, život na Zemlji je već postojao, što dokazuje otkriće stijena takve starosti s tragovima vitalne aktivnosti mikroorganizama. Tako su prvi jednostavni organizmi nastali relativno brzo – za manje od 500 milijuna godina.
Kada je Zemlja nastala, njena temperatura je mogla doseći 8000 °C. Kad se planet ohladio, metali i ugljik, kao najteži elementi, kondenzirali su se i formirali zemljinu koru. Istodobno se odvijala vulkanska aktivnost, kora se pomicala i skupljala, na njoj su se stvarali nabori i pukotine. Gravitacijske sile dovele su do zbijanja kore, a energija se oslobađala u obliku topline.
Lagane plinove (vodik, helij, dušik, kisik itd.) planet nije zadržao te su pobjegli u svemir. Ali ti su elementi ostali u sastavu drugih tvari. Sve dok temperatura na Zemlji nije pala ispod 100°C, sva je voda bila u stanju pare. Nakon snižavanja temperature, isparavanje i kondenzacija ponovljeni su mnogo puta, jaki pljuskovi s grmljavinom. Vruća lava i vulkanski pepeo, jednom u vodi, stvorili su različite uvjete u okolišu. Kod nekih bi se mogle dogoditi određene reakcije.
Dakle, fizički i kemijski uvjeti na ranoj Zemlji bile povoljne za nastajanje organskih tvari iz njihovih anorganskih. Atmosfera je bila redukcijskog tipa, nije bilo slobodnog kisika i ozonskog omotača. Stoga je ultraljubičasto i kozmičko zračenje prodrlo u Zemlju. Ostali izvori energije bili su toplina zemljine kore, koja se još nije ohladila, erupcije vulkana, grmljavinske oluje, radioaktivni raspad.
U atmosferi su bili prisutni metan, ugljikovi oksidi, amonijak, sumporovodik, cijanidni spojevi i vodena para. Iz njih je sintetiziran niz najjednostavnijih organskih tvari. Nadalje, mogu nastati aminokiseline, šećeri, dušične baze, nukleotidi i drugi složeniji organski spojevi. Mnogi od njih poslužili su kao monomeri za buduće biološke polimere. Odsutnost slobodnog kisika u atmosferi pogodovala je reakcijama.
Kemijski pokusi (prvi put 1953. S. Miller i G. Urey), simulirajući uvjete drevne Zemlje, dokazali su mogućnost abiogene sinteze organskih tvari iz anorganskih. Pri propuštanju električnih pražnjenja plinska smjesa, oponašajući primitivnu atmosferu, u prisutnosti vodene pare, dobivene su aminokiseline, organske kiseline, dušične baze, ATP itd.
Treba napomenuti da su u drevnoj atmosferi Zemlje najjednostavnije organske tvari mogle nastati ne samo abiogeno. Također su doneseni iz svemira, sadržani u vulkanskoj prašini. Štoviše, to bi mogle biti prilično velike količine organske tvari.
Niskomolekularni organski spojevi akumulirali su se u oceanu, stvarajući takozvanu primordijalnu juhu. Tvari su se adsorbirale na površini naslaga gline, što je povećalo njihovu koncentraciju.
Pod određenim uvjetima drevne Zemlje (na primjer, na glini, padinama vulkana koji se hlade), mogla bi doći do polimerizacije monomera. Tako su nastali proteini i nukleinske kiseline – biopolimeri, koji su kasnije postali kemijska osnova života. U vodenom okruženju polimerizacija je malo vjerojatna, budući da se depolimerizacija obično događa u vodi. Iskustvo je dokazalo mogućnost sintetiziranja polipeptida iz aminokiselina u dodiru s komadićima vruće lave.
Sljedeći važan korak prema nastanku života je stvaranje koacervatnih kapljica u vodi ( koacervati) od polipeptida, polinukleotida, drugih organskih spojeva. Takvi bi kompleksi mogli imati vanjski sloj koji je oponašao membranu i sačuvao njihovu stabilnost. Koacervati su dobiveni eksperimentalno u koloidnim otopinama.
Proteinske molekule su amfoterne. Oni privlače molekule vode na sebe tako da se oko njih stvara ljuska. Dobivaju se koloidni hidrofilni kompleksi izolirani iz vodene mase. Kao rezultat toga, u vodi nastaje emulzija. Nadalje, koloidi se međusobno spajaju i stvaraju koacervate (proces se naziva koacervacija). Koloidni sastav koacervata ovisio je o sastavu medija u kojem je nastao. U različitim rezervoarima drevne Zemlje nastali su koacervati različitog kemijskog sastava. Neki od njih bili su stabilniji i mogli su u određenoj mjeri vršiti selektivni metabolizam s okolinom. Postojala je neka vrsta biokemijske prirodne selekcije.
Koacervati mogu selektivno apsorbirati određene tvari iz okoliša i otpustiti u njega neke proizvode kemijskih reakcija koje se u njima odvijaju. To je kao metabolizam. Kako su se tvari nakupljale, koacervati su rasli, a kad su dosegli kritičnu veličinu, raspadali su se na dijelove od kojih je svaki zadržao značajke izvorne organizacije.
U samim koacervatima mogla bi se pojaviti kemijske reakcije. Tijekom apsorpcije metalnih iona koacervatima mogu nastati enzimi.
U procesu evolucije ostali su samo takvi sustavi koji su bili sposobni za samoregulaciju i samoreprodukciju. To je označilo početak sljedeće faze u nastanku života - nastanak protobionti(prema nekim izvorima, to je isto što i koacervati) - tijela koja imaju složen kemijski sastav i niz svojstava živih bića. Protobionti se mogu smatrati najstabilnijim i najuspješnijim koacervatima.
Membrana se može oblikovati na sljedeći način. Masne kiseline se spajaju s alkoholima i stvaraju lipide. Lipidi stvaraju filmove na površini vodenih tijela. Njihove nabijene glave okrenute su prema vodi, dok su nepolarni krajevi okrenuti prema van. Proteinske molekule koje plutaju u vodi bile su privučene glavama lipida, što je rezultiralo stvaranjem dvostrukih lipoproteinskih filmova. Od vjetra bi se takav film mogao saviti i formirali su se mjehurići. Koacervati su možda slučajno zarobljeni u ovim vezikulama. Kada su se takvi kompleksi ponovno pojavili na površini vode, već su bili prekriveni drugim slojem lipoproteina (zbog hidrofobnih interakcija nepolarnih krajeva lipida okrenutih jedan prema drugome). Opća shema Membrana današnjih živih organizama ima dva sloja lipida iznutra i dva sloja proteina koji se nalaze na rubovima. Ali tijekom milijuna godina evolucije, membrana je postala složenija zbog uključivanja proteina uronjenih u lipidni sloj i prodirući u njega, izbočenja i izbočenja pojedinih dijelova membrane itd.
Koacervati (ili protobionti) mogu dobiti već postojeće molekule nukleinske kiseline sposobne za samoreprodukciju. Nadalje, kod nekih protobionata moglo bi se dogoditi takvo preuređenje da je nukleinska kiselina počela kodirati protein.
Evolucija protobionata više nije kemijska, već predbiološka evolucija. To je dovelo do poboljšanja katalitičke funkcije proteina (počeli su igrati ulogu enzima), membrana i njihove selektivne propusnosti (što protobiont čini stabilnim skupom polimera), pojave matrične sinteze (prijenos informacija iz jezgre kiseline do nukleinske kiseline i od nukleinske kiseline do proteina).
| Evolucija | rezultate | |
|---|---|---|
| 1 | Kemijska evolucija - sinteza spojeva |
|
| 2 | Prebiološka evolucija - kemijska selekcija: ostaju najstabilniji, samoreproduktivni protobioni |
|
| 3 | biološka evolucija- biološka selekcija: borba za opstanak, opstanak najprilagođenijih uvjetima okoliša |
|
Jedna od najvećih misterija o podrijetlu života je kako je RNK kodirala sekvencu aminokiselina proteina. Pitanje se odnosi na RNK, a ne DNK, budući da se vjeruje da je ribonukleinska kiselina u početku imala ne samo ulogu u implementaciji nasljedne informacije, već je bila odgovorna i za njeno skladištenje. DNK ga je kasnije zamijenila, proizašavši iz RNK obrnutom transkripcijom. DNK je bolja u pohranjivanju informacija i stabilnija je (manje je sklona reakcijama). Stoga je u procesu evolucije upravo ona ostala čuvarica informacija.
Godine 1982. T. Chek je otkrio katalitičku aktivnost RNA. Osim toga, RNA se može sintetizirati pod određenim uvjetima čak i u odsutnosti enzima, te također formirati svoje kopije. Stoga se može pretpostaviti da su RNA prvi biopolimeri (hipoteza svijeta RNA). Neki dijelovi RNA mogli su slučajno kodirati peptide korisne za protobiont, dok su drugi dijelovi RNA postali izrezani introni tijekom evolucije.
U protobionti su nastali Povratne informacije- RNA kodira proteine enzima, proteini enzima povećavaju količinu nukleinskih kiselina.
Početak biološke evolucije
Kemijska evolucija i evolucija protobionata trajala je više od 1 milijarde godina. Nastao je život i započela je njegova biološka evolucija.
Neki protobionti doveli su do primitivnih stanica, koje uključuju ukupnost svojstava živih bića koja danas promatramo. Implementirali su pohranu i prijenos nasljednih informacija, njihovu upotrebu za stvaranje struktura i metabolizam. Osigurana je energija za životne procese ATP molekule pojavile su se membrane tipične za stanice.
Prvi organizmi bili su anaerobni heterotrofi. Energiju pohranjenu u ATP-u dobili su fermentacijom. Primjer je glikoliza – razgradnja šećera bez kisika. Ovi organizmi jeli su na račun organskih tvari primarne juhe.
Ali dionice organske molekule su se postupno iscrpljivale, kako su se uvjeti na Zemlji mijenjali, a nova organska tvar gotovo da se više nije sintetizirala abiogeno. U uvjetima natjecanja za izvore hrane, evolucija heterotrofa se ubrzala.
Prednost su stekle bakterije, za koje se pokazalo da mogu fiksirati ugljični dioksid uz stvaranje organskih tvari. Autotrofna sinteza hranjivih tvari složenija je od heterotrofne prehrane, pa nije mogla nastati u ranim oblicima života. Iz nekih tvari, pod utjecajem energije sunčevog zračenja, nastali su spojevi potrebni stanici.
Prvi fotosintetski organizmi nisu proizvodili kisik. Fotosinteza s njegovim oslobađanjem najvjerojatnije se kasnije pojavila u organizmima sličnim sadašnjim modrozelenim algama.
Nakupljanje kisika u atmosferi, pojava ozonskog zaslona i smanjenje količine ultraljubičastog zračenja doveli su do gotovo nemogućnosti abiogene sinteze složenih organskih tvari. S druge strane, novonastali oblici života postali su otporniji u takvim uvjetima.
Raširiti se zemljom disanje kisikom. 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 nastanka života. Je li sada moguć život na Zemlji?? | Datum: Lekcija 47 razred 9 |
|||
| Očekivani ishodi lekcije | ||||
| Ciljevi lekcije | obrazovni Formiranje svjesnih ideja o evoluciji kao povijesnom razvoju organski svijet na tlu. Razmotrite različite teorije o podrijetlu života na Zemlji, analizirajte argumente "za" i "protiv" Edukativni Razvoj mišljenja, sposobnost njegove primjene u kognitivnoj i komunikacijskoj praksi Razvijanje sposobnosti logičkog zaključivanja, zaključivanja i zaključivanja; analizirati i istaknuti glavnu stvar iz predloženog materijala. Edukativni Formiranje znanstvenog pogleda. Odgoj tolerantnog odnosa prema neistomišljenicima – pristalicama drugih stajališta koja se razlikuju od općeprihvaćenih; |
|||
| Vrsta lekcije | kombinirani |
|||
| Vrsta lekcije | studija |
|||
| Obrazac rada | Grupno individualno |
|||
| Oprema | Brošure, whatman, flomasteri |
|||
| „O, riješi mi zagonetku života, bolan drevna zagonetka preko kojega se već toliko tuklo glave, glave u šeširima išaranim hijeroglifima, glavama u turbanima i crnim beretkama, glavama u perikama i tisućama drugih jadnih ljudskih glava..." G. Heine. |
||||
| vrijeme | Faza / aktivnost | resursi |
||
| Org trenutak. 3 min Ažuriranje znanja | Dragi prijatelji, mislim da ste si svi, bez iznimke, postavili pitanje: "Kako je nastao život na našem planetu?" Danas ćemo pokušati riješiti ovu vjekovnu "misteriju života", nad kojom su, kao što se vidi iz epigrafa naše lekcije, razmišljale mnoge pametne glave. Da bismo to učinili, postavit ćemo problematična pitanja. Tema lekcije Određivanje ciljeva Kako je život nastao na Zemlji? Kakvi su suvremeni pogledi i hipoteze o postanku života na Zemlji? Koji su od njih najuvjerljiviji? ŠTO JE ŽIVOT Friedrich Engels: „Život je način postojanja proteinskih tijela, čija je bitna točka stalna izmjena tvari s vanjskom prirodom koja ih okružuje, a prestankom tog metabolizma prestaje i život, što dovodi do razgradnje protein." | |||
| Provjera d.z 5 minuta | Test " evolucijska doktrina» 1. Evolucija se zove: a) individualni razvoj organizama b) promjena jedinki c) povijesni ireverzibilni razvoj organskog svijeta d) promjene u biljnom i životinjskom svijetu 2 , Glavni pokretačka snaga evolucija je: a) varijabilnost b) nasljeđe c) borba za opstanak d) prirodna selekcija 3. Borba za opstanak je: a) natjecanje između organizama za uvjete okoliša b) uništavanje jedinki jedne vrste od strane jedinki druge vrste c) simbiotski odnosi jednih vrsta s drugima d) širenje vrste na novi teritorij 4. Spolni odabir je: a) prirodna selekcija koja se događa između jedinki istog spola tijekom sezone parenja b) prirodna selekcija, zbog: natjecanja jedinki različitog spola iste vrste za hranu c) oblik umjetne selekcije s ciljem uništavanja mužjaka (npr. kod kokoši, pataka) 5. Nisu primjeri prirodnog djelovanja selekcija: a) rodovnica španjolske njemačke doge. b) industrijski melanizam insekata c) otpornost bakterija na antibiotike d) otpornost kućnih muha na pesticide 6. Mimikrija je: a) sličnost nezaštićene i jestive vrste s jednom ili više nesrodnih vrsta koje su dobro zaštićene i imaju upozoravajuću boju b) sličnost u obliku i boji jedinki dviju srodnih vrsta. c) prisutnost posebnih zaštitnih sredstava kod jedinki vrste 7. Aromorfoza je jedan od sljedećih evolucijskih događaja: a) nastanak razreda ptica b) pojava velikog broja obitelji niza grabežljivih sisavaca | |||
| Učenje novog gradiva 7 minuta | Zadaci: 1 napraviti klaster 2. izvući zaključke Kompilacija klastera po skupinama. 1. skupina Abiogena sinteza organskih tvari 2. grupa Suvremeni pogledi na postanak života 3. grupa Razvijanje ideja o postanku života | |||
| Primarno pričvršćivanje 5 minuta | Algoritam za pisanje eseja za raspravu: Razmotrena tema (problem). Moj položaj. Kratko obrazloženje. Mogući prigovori koje drugi mogu iznijeti. Razlog zašto je ovaj stav još uvijek točan. Zaključak | |||
| Odraz | otvoreni mikrofon | |||
| 3 min Kuća. vježbanje | Formulirati novu hipotezu o podrijetlu života na Zemlji Geolozi, biolozi i svi paleontolozi Genetičari i kemičari Razbijajući glave Ili možda netko od vas Izradite vlastitu hipotezu Kako, zašto, kada i gdje Je li život nastao na Zemlji? | |||
I. Abiogena sinteza organskih tvari - nastajanje organskih tvari iz anorganskih
1. Dogodilo se prije 3,5 milijardi godina
2. Provodi se u dvije faze u primarnom oceanu:
Prva faza je stvaranje organskih spojeva niske molekulske mase
- ugljikovodici (CH4) primarne atmosfere reagiraju s vodenom parom, NH3, H2, CO2, CO, N2 uz stvaranje intermedijarnih organskih spojeva: alkohola, aldehida, ketona, organskih kiselina, koji padaju u ocean
- intermedijarni spojevi u primarnom oceanu pretvoreni u monosaharide, aminokiseline, nukleotide, fosfate - ATP (izvori energije za sintezu mogu biti električni izboji groma, ultraljubičasto zračenje, Termalna energija, udarni valovi, energija iz erupcije vulkana, energija plime itd.)
- mogućnost takve sinteze eksperimentalno je dokazao 1953. S. Miller (amer) u zatvorenom aparatu s kipućom vodom i hladnjakom, simulirajući uvjete koji su postojali na Zemlji prije 4 milijarde godina, u kojima je mješavina CH4, NH4 i prolazeći kroz njega plinovi H2, dobiveni su organski spojevi niske molekulske težine - urea, alkoholi, aldehidi, organske kiseline, monosaharidi, masne kiseline, razne aminokiseline (u slučaju korištenja ionizirajućeg UV zračenja ili zagrijavanja do 600 umjesto toga). električnim pražnjenjima dobivaju se druge aminokiseline, masne kiseline, šećeri - riboza, deoksiriboza, dušične baze - nukleotidi)
- mogućnost abiogene sinteze organskih spojeva potvrđuje činjenica da se nalaze u svemiru (formaldehidi, mravlja kiselina, etanol, i tako dalje.)
Druga faza je sinteza visokomolekularnih organskih tvari iz jednostavnih organskih spojeva - biopolimera: proteina, lipida, polisaharida, nukleinskih kiselina (RNA)
1 Dogodilo se u primordijalnom oceanu
2. Provodi se kao rezultat reakcija polikondenzacije (polimerizacija); potrebna energija postignuta je temperaturom od oko 100 C ili ionizirajućim zračenjem uz uklanjanje slobodne vode (S. Fox, Amer., 1997.)
3. Koncentracija tvari niske molekularne težine potrebna za pokretanje reakcije postignuta je kao rezultat njihove adsorpcije u pridnenim glinenim sedimentima ili poroznim vulkanskim tufovima.
(eksperimentalno pokazano da vodena otopina aminokiselina u prisutnosti glinice i ATP-a može dati polimerne lance - polipeptide)
4. Voda mora i oceana bila je zasićena biopolimerima abiogenog porijekla, tvoreći tzv. "primarni bujon"
Moderni pogledi na postanak života
Hipoteza A. I. Oparina. Najznačajnija značajka hipoteze AI Oparina je postupno usložnjavanje kemijske strukture i morfološke pojave preteča života (probionata) na putu do živih organizama.
Velika količina podataka upućuje na to da bi obalna područja mora i oceana mogla biti središte nastanka života. Ovdje, na spoju mora, kopna i zraka, stvoreni su povoljni uvjeti za stvaranje složenih organskih spojeva. Na primjer, otopine određenih organskih tvari (šećera, alkohola) vrlo su stabilne i mogu postojati neograničeno dugo. U koncentriranim otopinama proteina, nukleinskih kiselina, mogu nastati ugrušci, slični ugrušcima želatine u vodene otopine. Takvi se ugrušci nazivaju koacervatne kapi ili koacervati (slika 70). Koacervati mogu adsorbirati razne tvari. Iz otopine u njih ulaze kemijski spojevi koji 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 stupnjem u razvoju pre-života.
Koacervati su prošli vrlo dugu selekciju za stabilnost strukture. Stabilnost je postignuta stvaranjem enzima koji kontroliraju 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 zahvaljujući formiranju složenih kompleksa nukleinskih kiselina i proteina. Nukleinske kiseline sposobne za samoreplikaciju počele su kontrolirati sintezu proteina, određujući redoslijed aminokiselina u njima. A enzimski proteini izveli su proces stvaranja novih kopija nukleinskih kiselina. Tako je nastala glavna osobina života - sposobnost reprodukcije sebi sličnih molekula.
Živa bića su takozvani otvoreni sustavi, odnosno sustavi u koje energija dolazi izvana. Bez energije život ne može postojati. Kao što znate, prema načinu potrošnje energije (vidi Poglavlje III), organizmi se dijele u dvije velike skupine: autotrofne i heterotrofne. Autotrofni organizmi izravno koriste sunčevu energiju u procesu fotosinteze (zelene biljke), heterotrofni organizmi koriste energiju koja se oslobađa tijekom raspadanja organskih tvari.
Očito su prvi organizmi bili heterotrofi, dobivajući energiju cijepanjem organskih spojeva bez kisika. U zoru života u Zemljinoj atmosferi nije bilo slobodnog kisika. Pojava atmosfere modernog kemijskog sastava usko je povezana s razvojem života. Pojava organizama sposobnih za fotosintezu dovela je do ispuštanja kisika u atmosferu i vodu. U njegovoj prisutnosti postalo je moguće cijepanje organskih tvari kisikom, pri čemu se dobiva višestruko više energije nego bez kisika.
Od trenutka svog nastanka, život čini jedinstveni biološki sustav - biosferu (vidi XVI. poglavlje). Drugim riječima, život nije nastao u obliku zasebnih izoliranih organizama, već odmah u obliku zajednica. Evolucija biosfere kao cjeline karakterizirana je stalnim usložnjavanjem, tj. pojavom sve složenijih struktura.
Je li 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 spojeva bio iznimno dug. Da bi život nastao na Zemlji, bio je potreban evolucijski proces koji je trajao mnogo milijuna godina, tijekom kojeg su složene molekularne strukture, prvenstveno nukleinske kiseline i proteini, odabrane za stabilnost, za sposobnost reprodukcije svoje vrste.
Ako sada na Zemlji negdje u područjima intenzivne vulkanske aktivnosti mogu nastati prilično složeni organski spojevi, tada je vjerojatnost bilo kakvog duljeg postojanja tih spojeva zanemariva. Oni će odmah biti oksidirani ili iskorišteni od strane heterotrofnih organizama. Charles Darwin je to vrlo dobro razumio. Godine 1871. napisao je: “Ali sada ... u nekom toplom rezervoaru koji sadrži sve potrebne amonijeve i fosforne soli i dostupan svjetlu, toplini, elektricitetu, itd., protein sposoban za daljnje, sve složenije transformacije, tada bi ta tvar odmah uništiti ili apsorbirati, što je bilo nemoguće u razdoblju prije nastanka živih bića.
Život je na Zemlji nastao abiogenim putem. Trenutno, živo dolazi samo od živog (biogenog porijekla). Isključena je mogućnost ponovne pojave života na Zemlji.
Razvoj ideja o postanku života
teorija o postanku života na Zemlji. Od davnina do danas iznesene su bezbrojne hipoteze o postanku života na Zemlji. Sva njihova različitost svodi se na dva međusobno isključiva gledišta.
Zagovornici teorije biogeneze (od grčkog "bios" - život i "genesis" - podrijetlo) smatrali su da sve živo dolazi samo od živih bića. Njihovi protivnici branili su teoriju abiogeneze ("a" - latinski, negativni prefiks); smatrali su mogućim postanak živog iz neživog.
Mnogi znanstvenici srednjeg vijeka priznali su mogućnost spontanog nastanka života. Prema njima, ribe se mogu roditi iz mulja, crvi iz zemlje, miševi iz blata, muhe iz mesa itd.
Protiv teorije spontanog nastajanja u 17.st. govorio je firentinski liječnik Francesco Redi. Stavljajući meso u poklopljenu posudu, Redi je pokazao da se ličinke muhe ne razmnožavaju spontano u pokvarenom mesu. Pristaše teorije spontane generacije nisu odustale, tvrdile su da do spontane generacije ličinki nije došlo samo iz razloga što zrak nije ušao u zatvorenu posudu. 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 vrvjelo od ličinki muha, dok u posudama obloženim muslinom nije bilo ličinki u pokvarenom mesu.
Mikroskop je ljudima otvorio mikrosvijet. Promatranja su pokazala da se u dobro zatvorenoj tikvici s mesnom juhom ili infuzijom sijene mikroorganizmi otkrivaju nakon nekog vremena. Ali čim je mesna juha kuhana sat vremena i vrat je zapečaćen, ništa se nije pojavilo u zatvorenoj tikvici. Vitalisti su sugerirali da produljeno kuhanje ubija "životnu snagu" koja ne može prodrijeti kroz zatvorenu tikvicu.
Sporovi između pristaša abiogeneze i biogeneze nastavili su se u 19. stoljeću. Čak je i Lamarck 1809. pisao o mogućnosti spontanog nastajanja gljiva.
Pasteurov eksperiment. Pojavom Darwinove knjige "Podrijetlo vrsta" ponovno se postavilo pitanje kako je uopće nastao život na Zemlji. Francuska akademija znanosti 1859. dodijelila je posebnu nagradu za pokušaj da se na nov način rasvijetli pitanje spontanog nastajanja. Ovu je nagradu 1862. godine primio poznati francuski znanstvenik Louis Pasteur.
LOUIS PASTEUR (1822-1895) - francuski mikrobiolog i kemičar. Utemeljitelj mikrobiologije. Otkrivene anaerobne bakterije. Prikazana je energetska vrijednost fermentacije. Istraživao problem mogućnosti nastanka života. Predložio je cijepljenje protiv bjesnoće, antraksa, kao i pasterizaciju (zagrijavanje na 70°C) kao način uništavanja živih bakterija (ali ne i njihovih spora) radi očuvanja hrane.
L. Pasteur je proveo eksperiment koji se u jednostavnosti mjerio s Redijevim poznatim eksperimentom. U tikvici je kuhao razne hranjive podloge u kojima su se mogli razvijati mikroorganizmi. Dugotrajno kuhanje u tikvici ubilo je ne samo mikroorganizme, već i njihove spore. Imajući na umu tvrdnju vitalista da mitska "životna sila" ne može prodrijeti kroz zatvorenu tikvicu, Pasteur je na nju pričvrstio cijev u obliku slova S sa slobodnim krajem (slika 68). Spore mikroorganizama naselile su se na površini tanke zakrivljene cijevi i nisu mogle prodrijeti u hranjivi medij. Dobro kuhano Srednja Kultura ostao sterilan, u njemu nije primijećeno spontano nastajanje mikroorganizama, iako je bio omogućen pristup zraku (a s njim i zloglasna "životna snaga").
Riža. 68. Shema pokusa L. Pasteura u tikvicama s grlom u obliku slova S.
A - u tikvici s grlom u obliku slova S, hranjivi medij nakon vrenja dugo ostaje sterilan; B - ako uklonite grlo u obliku slova S, mikroorganizmi se brzo razvijaju u mediju
Pasteur je svojim pokusima dokazao nemogućnost spontanog nastanka života. Konceptu "životne snage" - vitalizma zadat je porazan udarac.
Abiogena sinteza organskih tvari. Pasteurov eksperiment pokazao je nemogućnost spontanog stvaranja života u današnje vrijeme. Pitanje podrijetla života na našem planetu dugo je ostalo otvoreno.
Godine 1924. poznati biokemičar A.I. Oparin predložio je da s jakim električnim pražnjenjima u zemljina atmosfera, koji se prije 4-4,5 milijardi godina sastojao od amonijaka, metana, ugljični dioksid i vodene pare, mogli bi nastati najjednostavniji organski spojevi potrebni za nastanak života. Predviđanje akademika Oparina je potvrđeno. 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, ureu, octenu i mravlju kiselinu i nekoliko aminokiselina, uključujući glicin i alanin (slika 69).
Riža. 69. Shema uređaja S. Miller, u kojem se sintetiziraju aminokiseline
Kao što već znamo, aminokiseline su građevni blokovi od kojih se grade proteinske molekule. Stoga je eksperimentalni dokaz o mogućnosti nastanka aminokiselina iz anorganskih spojeva iznimno važan pokazatelj da je prvi korak prema nastanku života na Zemlji bila abiogena (nebiološka) sinteza organskih tvari (vidi prednji zamašnjak) .
Za ljude koji se žele stalno usavršavati, naučiti nešto i stalno naučiti nešto novo, posebno smo napravili ovu kategoriju. Sadrži isključivo edukativne, korisne sadržaje u kojima ćete sigurno uživati. Velik broj videa, možda, čak može konkurirati obrazovanju koje smo dobili u školi, fakultetu ili sveučilištu. Najveća prednost videa s uputama je što pokušavaju pružiti najnovije, najažurnije informacije. Svijet oko nas u eri tehnologije neprestano se mijenja, a tiskane obrazovne publikacije jednostavno nemaju vremena dati svježe informacije.
Među videima možete pronaći i edukativne videe za djecu. predškolska dob. Tamo će vaše dijete učiti slova, brojeve, brojanje, čitanje itd. Slažem se, vrlo dobra alternativa crtićima. Za studente osnovna škola također možete pronaći tutorijale Engleski jezik, pomoć u učenju školskih predmeta. Za starije učenike stvoreni su videozapisi za obuku koji će im pomoći u pripremi za testove, ispite ili jednostavno produbiti svoje znanje iz određenog predmeta. Stečeno znanje može kvalitativno utjecati na njihov mentalni potencijal, kao i obradovati vas izvrsnim ocjenama.
Za mlade ljude koji nisu u školi, na sveučilištu ili ne, dostupno je mnoštvo zabavnih obrazovnih videa. Oni im mogu pomoći da prodube svoje znanje o zanimanju za koje se školuju. Ili steknite zanimanje, poput programera, web dizajnera, SEO optimizatora i tako dalje. Na sveučilištima se još ne uči takvo zanimanje, tako da možete postati stručnjak za ovo napredno i relevantno područje samo samoobrazovanjem, čemu mi nastojimo pomoći prikupljanjem najkorisnijih videa.
Za odrasle je ova tema također relevantna, jer se često događa da nakon godina rada u struci dođe do razumijevanja da to nije vaše i želite naučiti nešto prikladnije za sebe, au isto vrijeme isplativo. Također među ovom kategorijom ljudi često postoje videozapisi o vrsti samopoboljšanja, uštede vremena i novca, optimizacije svojih života, u kojima pronalaze načine da žive puno bolje i sretnije. Čak i za odrasle, tema stvaranja i razvoja vlastitog posla vrlo je prikladna.
Također među obrazovnim videima postoje videozapisi općeg fokusa, koji su prikladni za gotovo svaku dob, u kojima možete naučiti o tome kako je nastao život, koje teorije evolucije postoje, činjenice iz povijesti itd. Oni savršeno proširuju horizonte osobe, čine ga mnogo eruditnijim i ugodnijim intelektualnim sugovornikom. Zaista je korisno gledati takve informativne videozapise za sve bez iznimke, jer znanje je moć. Želimo Vam ugodno i korisno gledanje!
U naše vrijeme jednostavno je potrebno biti ono što se zove "na valu". To se ne odnosi samo na vijesti, nego i na razvoj vlastitog uma. Ako se želite razvijati, istraživati svijet, biti traženi u društvu i zanimljivi, onda je ovaj odjeljak za vas.
