Сущность и проблема происхождения жизни

Сущность жизни и проблема ее происхождения
Вопросы:
Что такое жизнь? Краткая история вопроса.
Представление о жизни в разных науках.
Как возникла жизнь? Краткая история вопроса.
Современные представления о возникновении жизни.

Что такое жизнь?
Научные представления:
Биологическое
Химическое
Физическое
Физико- химическое
Геологическое
Системное
Зона обитаемости в зависимости от размера звезды

Что такое жизнь?
Античность, Средневековье и до XIX в.
Не было проблемы живого и его происхождения, т.к. между живым и неживым не видели принципиальной разницы.

Представление о жизни в биологии
Ж.Б. Ламарк показал принципиальное отличие живого от неживого и дал определение новой науки - биологии в 1802 г.
Обмен веществ (питание, дыхание, выделение)
Размножение и рост
Раздражимость
Подвижность
У живого есть:
Некоторые из этих свойств могут встречаться и в неживой природе, но все вместе – нет.
Ж.Б. Ламарк (1744-1829)

Представление о жизни в химии
XIX век – успехи химии
Для живого характерны макромолекулы:
- белки (Ф. Энгельс, 1878: «Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит … в постоянном самообнов-лении химических составных частей этих тел».
Позднее:
- нуклеиновые кислоты
Хиральная чистота: левозакрученные аминокислоты и правозакрученные сахара в нуклеиновых кислотах.
Все реакции управляются ферментами. Каждой реакции соответствует свой фермент.
Матричный синтез: соответствие набора нуклеотидов набору аминокислот в белке.

Представление о жизни в физике
Неравновесные системы в стационарном состоянии
Непрерывный расход энергии
Шредингер, 1944 г. «Что такое жизнь с точки зрения физика?» (What is Life?)
Обмен веществ - это способ избежать перехода к равновесию.
«Жизнь - есть работа соответствующим образом организованной системы по удержанию и развитию антиэнтропийного состояния за счет увеличения энтропии окружающей среды».
Э. Шредингер (1887-1961), австрийский физик. Создатель волновой механики

Представление о жизни в физхимии
Жизнь как самоподдерживающийся, автокаталитический процесс.
Работы в области автокатализа.
В растворах при подаче и оттоке вещества основные реакции идут с выделением энергии, а побочные ее используют.
Промежуточные вещества являются катализаторами для последующих реакций.
В каталитическом гиперцикле несколько автокатализаторов, соединены циклически. Идет отбор катализаторов, что ускоряет побочную реакцию. Гиперцикл образует систему, способную к согласованной эволюции.
М. Эйген (1982)

Как возникла жизнь?
История вопроса
Античность-Средневековье:
Поскольку между живым и неживым не видели принципиальных границ, самозарождение жизни считалось нормальным явлением.
Божественное творение – креационизм.

Античность - Средневековье
Огромные стаи казарок появлялись во время перелета на север (или с севера). Никто не знал, как они высиживают яйца, никто не видел их птенцов. Сказка о Бернакельском гусе, птенцы которого выводятся из камней.
«Бернакельский гусь»
Самозарождение ягнят

Возрождение
Ван Гельмонт – ученый первой половины XVII в., алхимик, предложил «рецепт» создания живых организмов:
«Положи в горшок зерна, заткни его грязной рубашкой и жди. Через двадцать один день появятся мыши: они зародятся из испарений слежавшегося зерна и грязной рубашки».

XVII век - опровержение гипотезы само-зарождения жизни для макроорганизмов
Реди взял 4 горшка, поместил в один из них мертвую змею, в другой – немного рыбы, в третий – угрей, в четвертый – кусок телятины и плотно закрыл их.
Затем поместил то же самое в 4 других горшка, оставив их открытыми.
В открытых сосудах появились личинки мух.
В закрытых же горшках не оказалось ни одной.
Франческо Реди (1626–1697) Итальянский врач, биолог, поэт

XIX век - опровержение гипотезы самозарождения жизни: микроорганизмы
Луи Пастер (1822–1895)
французский микробиолог и химик
Опыт Пастера, доказавший невозможность самозарождения жизни в современных условиях
Опровержение витализма
(самозарождения)

Но если абиогенеза (самозарождения) нет, то откуда вообще появилась жизнь?
Остались 3 версии:
- жизнь существовала изначально (гипотеза стационарного состояния),
- панспермия,
- сотворена богом (креационизм).
Окислительная атмосфера (абиотический фактор)
Пищевые отношения (биотический фактор)
Почему жизнь не может возникнуть в современных условиях?
Они не являются научными.

50 лет спустя (1924 и 1929 гг. ): новая постановка вопроса – абиогенез в условиях не современной, а древней биосферы
А.И. Опарин
(1894-1980)
Дж. Холдейн (1892 – 1964)
Идея стала очень популярной, начались интенсивные исследования.

А.И. Опарин
(1894-1980)
Дж. Холдейн (1892 – 1964)
и 1929 гг.: белково-коацерватная теория. Спонтанно возникавшие в первичном "бульоне" белковоподобные соединения объединялись" в коацерватные капли - обособленные коллоидные системы (золи).
Ассимилирующий, растущий и размножающийся делением коацерват рассматривался как прообраз живой клетки.
Сначала были белки:

Сегодня обоснована возможность синтеза органических веществ в газово-пылевом протопланетном облаке из H, N, CO, НCN и других простых молекул, обычных в космосе. Условие - присутствие катализаторов, содержащих Fe, Ni, Si.
Современные представления
о возникновении жизни

Начиная с 50-ых годов 20 века в лабораториях синтезируют мономеры белков и нуклеиновых кислот (аминокислоты, пурины, пиримидины – основа нуклеотидов)
из разных неорганических веществ, используя разные источники энергии (электрический ток, температура, радиоактивное излучение).
Главное: между живой и косной материей на химическом уровне нет непреодолимой грани.
1953 г. - опыт Миллера - Юри
Начинается "естественный отбор" среди химических процессов. Медленные реакции постепенно затухают и прекращаются, вытесняемые более быстрыми.

Опыт Миллера-Юри

Открытие новых свойств РНК
Открыта каталитическая функция РНК - рибозим (1982)
Это РНК, которые могли действовать как катализаторы в реакции сплайсинга (вырезание копий интронов из про-mРНК и сшивание копий экзонов с образованием mРНК).
Т. Чек - Нобелевская премия 1989 г. за открытие каталитических свойств РНК
РНК из "почти лишней" стала "почти главной".

Как возникла РНК?
фосфат - неорганическое вещество, которого довольно много в земной коре и океанах.
азотистое основание (аденин, урацил, гуанин и цитозин). Могли синтезироваться из неорганических молекул (CO, HCN и NH3) еще в протопланетном облаке. Их находят и в метеоритах.
сахар рибоза – образуется в ходе автокаталитической реакции из формальдегида: 5СН2О С5H10О5
РНК – полимер, состоящий из рибонуклеотидов.
Каждый из них собран из трех частей:

В ходе эволюции на основе мира РНК должно было происходить:
1. Становление механизмов биосинтеза белка.
2. Появление мембран.
3. Передача функции носителя генети-ческой информации от РНК к ДНК.
С появлением рибозимов возникает Мир РНК – предшест-венник современной жизни
Молекулы РНК функционировали и как генетический материал, и как катализаторы при собственном воспроизведении.
Сегодня в лабораториях уже живут колонии размножающихся молекул РНК, способные синтезировать белки.
РНК начинает эволюционировать

Появление мембраны – переход на уровень организмов
Первые коацерваты могли образоваться самопроизвольно из липидов, синтезированных абиогенным путем.
Липидные мембраны обладают избирательной проницаемостью. Они могли вступить в симбиоз с "живыми растворами" – колониями молекул РНК, среди которых были и рибозимы, катализирующие синтез липидов.
Подобное сообщество уже можно назвать организмом.

Передача функции носителя генетической информации от РНК к ДНК
Молекула ДНК:
Более устойчива к гидролизу в слабощелочных растворах, которые были в первичных водоемах и сохранились в современных клетках.
2 цепи облегчают исправление ошибок копирования.
Платой за стабильность стала неспособность молекул ДНК сворачиваться в глобулы и выполнять какие-либо активные действия.
Изначально ДНК, вероятно была чем-то вроде покоящейся фазы в жизненном цикле самовоспроизводящихся колоний РНК, и лишь много позднее она стала основным носителем наследственной информации