Как зародилась жизнь?

Как зародилась жизнь?

КАК ЗАРОДИЛАСЬ ЖИЗНЬ?

Резюме:

Построена новенькая теория зарождения жизни на Земле, согласно которой переход от разнородных органических молекул к первым живым организмам включал четыре взаимосвязанных эволюционных шага. На первом шаге формировались молекулярные системы, модифицирующие Как зародилась жизнь? энергию Ультрафиолетового излучения в хим энергию, на втором и 3-ем усложнялась структурно-функциональная организация этих систем, шла селекция их компонент, рос энергетический потенциал, а на четвертом образовались живы клеточки. Для каждого шага Как зародилась жизнь? определены условия и движущие силы процессов саморазвития, структурно-функциональная организация и механизмы стойкости объектов эволюции. Данная теория присваивает целостность и завершенность научным представлениям об абиогенезе. Она содействует углублению познаний о строении живой материи Как зародилась жизнь?, расширяет горизонты практической биологии и медицины.

ЧЕТЫРЕ Шага АБИОГЕНЕЗА

Введение.

Многие ученые утратили энтузиазм к дилемме зарождения жизни, т.к. считают, что она практически решена, и осталось только узнать, что Как зародилась жизнь? первично: отбор нуклеиновых кислот (ДНК, РНК), несущих генетическую информацию, либо спонтанная концентрация ферментов, способных извлечь информацию из ДНК? На самом деле, это стандартная проблема - «Курица либо яйцо». Ни то, ни другое не разъясняет происхождение Как зародилась жизнь? живой материи, так как чтение инфы, закодированной в ДНК, нереально без непрерывного воспроизводства схожих ферментов, которое, в свою очередь, нереально без чтения генетической инфы в процессе матричного синтеза белковых Как зародилась жизнь? молекул.

Основываясь на современных познаниях о хим составляющих и физических свойствах водоемов и атмосферы старой Земли, мы выстроили теоретическую модель зарождения жизни, акцентирующую внимание на предыстории молекулярных систем энергоснабжения. Согласно данной модели, на биологическом уровне Как зародилась жизнь? важные цепочки поли-НК и глобулы полипептидов вначале отбирались в качестве компонент молекулярных пленок, всасывающих энергию Ультрафиолетового излучения. Позднее из этих пленок сформировалась мультислойная структура, которая направляла УФ-энергию на синтез АТФ Как зародилась жизнь? и других молекул-макроэргов. Ее каталитическая активность росла, что привело к возникновению в ее внутренней среде изолированных участков, различавшихся по хим составу. После чего сформировались условия для начала матричного синтеза РНК и Как зародилась жизнь? полипептидов. Так зародились 1-ые живы клеточки, с генетической информацией и круглосуточным метаболизмом.



Шаг 1

Около 4 млрд годов назад на Земле появились водоемы, в каких образовался так именуемый первичный бульон. В нем имелись Как зародилась жизнь? многие органические соединения: аминокислоты, азотистые основания, нуклеотиды, нуклеиновые кислоты… Возможность их синтеза при нагревании, электронных разрядах, облучении доказана экспериментально [2, 3]. Старая атмосфера не содержала кислород и пропускала Ультрафиолетовое излучение в спектре 240 - 260 nm, поглощаемое Как зародилась жизнь? многими органическими соединениями. Под воздействием УФ-света в неких из этих молекул происходили разные структурные преобразования, нрав которых зависел от внутримолекулярных и межмолекулярных переносов энергии. Нужно установить, какие переносы энергии содействовали Как зародилась жизнь? селекции органических молекул первичного бульона.

Посреди 60-х годов был открыт триплет-экситонный перенос энергии в нуклеиновых кислотах [4, 6, 7]. Таковой процесс начинается, когда одно из азотистых оснований в составе полинуклеотидной цепи РНК либо Как зародилась жизнь? ДНК поглощает УФ-свет (254нм). Оно перебегает в возбужденное триплетное состояние, после этого передает энергию примыкающему основанию, а само ворачивается в невозбужденное состояние. Перенос энергии по цепи идет при совпадении квантовых Как зародилась жизнь? параметров примыкающих азотистых оснований и хороших расстояниях меж ними. Такие условия производятся в био РНК либо ДНК, состоящей из стандартного набора 4 азотистых оснований - А, Г, Ц, У (Т), соединенных 3'-5'-связями. Экспериментально подтверждено [6, 7] что Как зародилась жизнь? в тех нуклеиновых кислотах, у каких имеются неоднородности первичной структуры, триплет-экситонный перенос ведет к деструктуризации, происходящей не в точках УФ-поглощения, а в участках с внутренней расположенностью.

В старых водоемах Как зародилась жизнь? имелись поли-НК с различной первичной структурой. При поглощении УФ-света те их куски, в каких беспрепятственно шел триплет-экситонный перенос энергии, оставались постоянными, т.е. были устойчивы к действию УФ-света. Другие Как зародилась жизнь? подвергались репарациям и конформационным изменениям. Из их могли создаваться новые устойчивые цепочки. Таким методом росло число молекул РНК, схожих по аспекту эффективности энергопереносов.

Принципиально учесть, что устойчивость УФ-облученных поли-НК зависит не Как зародилась жизнь? только лишь от упорядоченного внутримолекулярного переноса, да и от оттока энергии вовне. У органических молекул, находящихся в аква среде, отток энергии реализуется при индуктивно-резонансных взаимодействиях, для которых требуется, чтоб расстояние меж Как зародилась жизнь? донором энергии и акцептором не превышало некоторую пороговую величину (около 100А), а спектральная полоса флюоресценции донора перекрывалась с полосой поглощения акцептора. Многие органические соединения первичного бульона имели подходящие спектральные полосы поглощения, но их Как зародилась жизнь? роли в индуктивно-резонансных переносах в качестве акцепторов энергии мешала дистанция меж ними и УФ-активированной РНК. В живых клеточках сближение молекул-доноров с молекулами-акцепторами при индуктивно-резонансных переносах Как зародилась жизнь? обеспечивают ферменты. Они формируются из полипептидов, синтезируемых матричным методом, которые имеют заданную первичную, вторичную и третичную структуру. Без массированного матричного синтеза таких полипептидов ферментативные процессы невозможны.

В первичном бульоне не было всеполноценных ферментов Как зародилась жизнь?, но там имелись разнородные «дикие» полипептиды. При контактах с УФ-активированной РНК, они сами исполняли роль акцепторов индуктивно-резонансных переносов и подвергались энергетическим воздействиям, меняющим их первичную, а с ней и третичную структуру Как зародилась жизнь?. Мы представили, что, невзирая на хаотичность таких переструктурирований, у неких из полипептидов появлялись идентичные активные центры, которые позволяли им присоединять подходящие молекулы-субстраты и задерживать их в зонах индуктивно-резонансных Как зародилась жизнь? переносов в качестве акцепторов энергии. Совместно с цепочками РНК, поглощавшими УФ-кванты и служившими донорами энергии, эти полипептиды составляли устойчивые нуклеопротеидные комплексы, которые передавали энергию сродственным молекулам-субстратам, и, тем, инициировали Как зародилась жизнь? фотокаталитические преобразования их структур. (Рис. 1).


Рис. 1. Фотокаталитический комплекс.

Реализуя фотокатализ в составе устойчивых нуклеопротеидных комплексов, полипептиды получали защиту от новых переструктурирований. Отбор функционально похожих полипептидов, применимых для фотокатализа, шел под давлением УФ-света Как зародилась жизнь?. Если по какой-нибудь причине полипептиды теряли субстратную специфика, нужную для фотокатализа, они ворачивались к роли акцепторов энергии. Сейчас они вновь подвергались структурным изменениям, по этому могли возвратить свою субстратную специфика.

На устойчивость фотокаталитических Как зародилась жизнь? комплексов, образовавшихся в первичном бульоне, оказывало влияние их размещение в аква среде, ориентация к сгустку УФ-света. Тут огромное селективное преимущество давало формирование плавающих пленок, которые состояли не только лишь из УФ Как зародилась жизнь?-поглощающих и субстратсвязующих, да и из соединительных частей. Роль последних делали липиды, способные спонтанно создавать пленочные конструкции.

Если РНК, входившие в состав фотокаталитических комплексов, имели кольцеобразную вторичную структуру, то Как зародилась жизнь? в их шла циркуляция триплет-экситонов. Это удлиняло время взаимодействия с молекулами-акцепторами, и энергия УФ-света передавалась акцепторам импульсами по принципу автоколебаний. Кольца РНК доминировали при сборке устойчивых комплексов и пленок Как зародилась жизнь?, а остальные полинуклеотиды, оставаясь вне комплексов, не обеспечивались акцепторами энергии и сами подвергались УФ-индуцированным деструкциям.

Нуклеопротеидные комплексы, подобные зародившимся в первичном бульоне, играют ведомую роль в каталитических системах всех живых клеток Как зародилась жизнь?. Это «кирпичики» живой материи. Отметим, что одним из важных параметров живой материи является динамичность. В клеточках повсевременно идет распад и самосборка многих субструктур, имеющих метастабильные межмолекулярные связи, сохраняющиеся за счет диссипации энергии. В старых Как зародилась жизнь? фотокаталитических комплексах также имелись метастабильные связи полипептидов с поли-НК, сохранявшиеся только в процессе активной энергопередачи при фотокатализе. Потому ночкой эти комплексы распадались, а деньком повторяли самосборку. Цикличность, подчиненная суточному ритму, увеличивала их Как зародилась жизнь? изменчивость, ускоряла отбор.

Шаг 2

Для фотокаталитических макромолекулярных пленок, выросших в первичных водоемах, УФ-свет стал не повреждающим фактором, а нужным условием каждодневной самосборки, источником возобновления их метастабильных межмолекулярных связей. Когда эти пленки Как зародилась жизнь? размещались в пара слоев, только верхние всасывали ультрафиолет, а нижние, затененные испытывали недостаток энергии и распадались. Для их стойкости требовался перенос энергии из верхних слоев.

Во всех живых клеточках переносчиками энергии служат Как зародилась жизнь? молекулы-макроэрги: АТФ, ГТФ и др. Они выполняются, либо окислительным фосфорилированием, использующим хим энергию разных органических соединений, либо фотофосфорилированием, когда органические фосфаты синтезируются за счет энергии видимого света. И Как зародилась жизнь? 1-ый, и 2-ой метод неосуществим без ферментов, приобретенных матричным методом.

Потому что на заре абиогенеза доминировал не видимый свет, а более действенный ультрафиолет, фотофосфорилирование могло обходиться без подлинных ферментов. Мы представили, что Как зародилась жизнь? его начали производить уже знакомые нам фотокаталитические комплексы, когда их субстратсвязующие составляющие (полипептиды) заполучили сродство с имевшимися в аква среде молекулами АДФ (либо ГДФ и др.). В итоге, эти молекулы в качестве Как зародилась жизнь? субстратов удерживались в зоне индуктивно-резонансной энергопередачи, где энергия УФ-света, поглощенная и трансформированная в хим энергию кольцеобразной цепочкой РНК, направлялась на присоединение к ним неорганических фосфатов, т.е. на формирование макроэргов Как зародилась жизнь? АТФ и др. Благодаря возникновению УФ-зависимого фотофосфорилирования, началась диффузия макроэргов из верхних слоев в нижние. Она обеспечила их хим энергией и открыла перспективу предстоящего усложнения. (Рис. 2).


Рис. 2. Мультислойный пробионт.

Устойчивые молекулярные комплексы, ответственные Как зародилась жизнь? за фотофосфорилирование размещались в верхних нуклеопротеидных пленках, поглощавших УФ-свет. Они снабжали водную среду хим энергией в виде малекул-макроэргов. Но устойчивость молекулярных комплексов нижнего уровня, лишенных притока УФ-света, зависела Как зародилась жизнь? не только лишь от притока энергии, да и от ее действенного расходования. Чтоб долгое время сохранять метастабильные связи собственных макромолекулярных компонент, эти комплексы должны были расходовать поступающую энергию, направлять ее на определенные хим Как зародилась жизнь? процессы. Для выполнения таковой работы им требовалась структурная модернизация. Мы представили, что нуклеопротеидные комплексы нижнего уровня заполучили устойчивость, когда в их состав вошли, во-1-х, АТФ-специфичные полипептиды, связывающие и удерживающие Как зародилась жизнь? малекулы-макроэрги, а во-2-х, поли-НК с усложнившейся вторичной структурой, ответственные за перенос хим энергии к новым активным центрам.

Но на данном шаге абиогенеза настолько масштабной модернизации макромолекулярных структур препятствовал предел строй Как зародилась жизнь? материалов, в особенности полипептидов. В живых клеточках полипептиды синтезируются матричным методом при участии рибосом, иРНК, тРНК, в состав которых, вместе с ферментами, входят цепочки РНК типа «Клеверный лист», имеющие несколько кольцеобразных участков Как зародилась жизнь? вторичной структуры. Источником энергии служит АТФ. Пробионты не располагали ферментами, потому матричный синтез был неосуществим. Но в их могла идти безматричная полимеризация полипептидов из аминокислот. Дело в том, что в их верхних Как зародилась жизнь? слоях уже выполнялись носители энергии: АТФ и др., а в нижних, защищенных от ультрафиолета, спонтанно появлялись разные РНК с вторичной структурой типа «Клеверный лист». Такие РНК врубались в нуклеопротеидные комплексы Как зародилась жизнь?, содержащие несколько полипептидных компонент, субстратспецифичных, как к АТФ, так и к разным аминокислотам, присутствовавшим в аква среде. Эти комплексы использовали энергию, полученную от гидролиза АТФ, для соединение аминокислот пептидными связями. В итоге Как зародилась жизнь? осуществлялся безматричный синтез новых полипептидов.

Возникновения безматричного синтеза полипептидов отдало мультислойным макромолекулярным структурам перспективу роста, за счет самообеспечения полипептидным сырьем. Отметим, что очередность аминокислот в синтезированных полипептидах не имела решающего значения. Ведь из их Как зародилась жизнь? не формировались готовые ферменты с данными качествами. Свою субстратную специфика они получали за счет переструктурирований, выступая в роли акцепторов энергии индуктивно-резонансных переносов.

На этом шаге затенение нижних слоев из помехи перевоплотился в Как зародилась жизнь? непременное условие стойкости мультислойных макромолекулярных структур. У их появилось автономное энергоснабжение и специализация верхних и нижних каталитических комплексов. Идентичные мультислойные образования, реализующие переносы хим энергии, являются необходимыми компонентами всех живых клеток Как зародилась жизнь?.

Шаг 3

Как ранее говорилось, для роста нижних, защищенных от УФ-света, участков пробиотических пленок требовались РНК со сложной вторичной структурой типа «Клеверный лист», которые, в отличие от обычных колец поли-НК Как зародилась жизнь?, не формировались в процессе УФ-поглощения и триплет-эксмтонного переноса, а создавались спонтанно. Их недостаток в старых водоемах лимитировал сборку нуклеопротеидных комплексов, способных продуктивно использовать энергию молекул-макроэргов. В таких критериях приток АТФ Как зародилась жизнь? к нижним слоям из созидательной силы мог стать возможным источником разрушения.

В живых клеточках цепочки РНК с данной структурой синтезируются на матрицах ДНК при участии многих ферментов. Этот процесс именуется Как зародилась жизнь? «Транскрипция». Он начинается разделением 2-ух цепей спирали ДНК. После этого одна цепь служит матрицей для синтеза РНК, а на другой воспроизводится парная (комплиментарная) ДНК, что позволяет повторно копировать ее информацию.

К третьему шагу Как зародилась жизнь? генезиса пробионтов уже имелся ряд предпосылок появления молекулярных систем транскрипции. Производилось фотофосфорилирование, обеспечившие приток АТФ, ГТФ и других макроэргов, представляющих из себя строительный материал для сборки новых цепочек РНК и ДНК. В мультислойных Как зародилась жизнь? пробионтах спонтанно появлялись куски двухцепочечных спиралей ДНК - будущие матрицы. Но так как еще не было ферментов, требовались другие причины, управлявшие разделением 2-ух цепей ДНК, синтезом РНК и воспроизводством спаренной ДНК.

Понятно, что Как зародилась жизнь? в живых клеточках разделение двойной спирали ДНК, инициирующее транскрипцию, происходит при изменении основности (pH) аква среды. А молекулы ДНК и РНК образуются в средах с различным значением pH. Мы представили, что и пробионтам Как зародилась жизнь? для транскрипции требовался перепад pH в примыкающих участках их внутренней аква среды, так именуемая компартментализация. Ее предпосылкой был перенос протонов через каталитически активные надмолекулярной пленки - протомембраны. Транскрипция начиналась с увеличения pH Как зародилась жизнь? в одном из компартментов пробионта и разделения двойной цепи ДНК. Одна одинарная цепь ДНК, проникая через протомембрану, попадала в примыкающий компартмент с низкой основностью, содействующей синтезу РНК. Она использовалась в качестве матрицы транскрипции Как зародилась жизнь?. 2-ая одинарная ДНК оставалась в прежнем компартменте и служила матрицей для репликации ДНК и сборки двойной спирали, применимой для повторных транскрипций. (Рис. 3).


Рис. 3. Бесферментная транскрипция.

Благодаря селекции равномерно изменялся состав двойных цепочек Как зародилась жизнь? ДНК в пробионтах, совершенствовалось качество и количество синтезируемых РНК. Росла согласованность всех каталитических процессов. Тот факт, что компартментализация внутренней среды вероятна только при очень малых объемах компартментов, показывает на микроскопичные Как зародилась жизнь? размеры пробионтов третьего шага абиогенеза.

Протомембраны, обеспечившие перенос протонов в абиотических критериях, были устроены существенно проще, сейчас имеющихся биомембран. Их детализированное моделирование либо искусственный синтез мог бы содействовать углублению научных представлений о Как зародилась жизнь? трансмембранных переносах ионов и так именуемых протонных насосах. Любопытно, что в клеточках прокариотических организмов (микробов), как и в пробионтах, кольцевая молекула ДНК, так именуемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У их Как зародилась жизнь? встречаются также маленькие автономные кольцевые молекулы ДНК, именуемые плазмидами.

Шаг 4

Потому что УФ-энергия поступала только деньком, ночкой метаустойчивые пробионты распадались, а каждое утро рождались поновой. После третьего шага их структурно-функциональная организация Как зародилась жизнь? так усложнилась, что они не успевали всеполноценно восстанавливаться в течение светового денька. Это стало еще одним эволюционным препятствием, преодолеть которое могли организмы, живущие круглые сутки, а означает владеющие ночным энергоснабжением.

У живых Как зародилась жизнь? клеток есть ферментативные системы окислительного фосфорилирования, не зависяшие от освещения. Они создают молекулы-макроэрги (АТФ и др.), используя хим энергию, получаемую при частичном окислении разных органических соединений. Понятно, что без ферментов Как зародилась жизнь?, синтезированных матричным методом, они не работают и окислительное фосфорилирование нереально. Как следует, переход пробионтов к круглосуточной жизни зависел от возникновения матричного синтеза полипептидов, источника ферментов.

На 3-ем шаге абиогенеза у пробионтов уже Как зародилась жизнь? сформировались молекулярные системы безматричного синтеза полипептидов, состоящие из нуклеопротеидных комплексов, субстратспецифичных относительно аминокислот и макроэргов. Имелись системы транскрипции - синтеза РНК на матрицах ДНК. Для начала матричного синтеза полипептидов не доставало головного Как зародилась жизнь? - генетического кода. На самом деле, для его возникновения требовалась маленькая, но принципно принципиальная инновация - перевоплощение уже имеющихся нуклеопротеидных комплексов, обладавших неспецифичным сродством с аминокислотами, в спец тРНК, наделенные активными центрами с избирательным Как зародилась жизнь? сродством относительно разных типов аминокислот.

Пробы избирательного связывания аминокислот при полимеризации полипептидов могли длиться миллионы лет без существенного воздействия на эволюцию пробионтов. Но, как таким методом были синтезированы 1-ые ферменты, способные направлять Как зародилась жизнь? энергию от окисления каких-то органических соединений на фосфорилирование, т.е. на создание АТФ и других макроэргов, генетический код и матричный синтез заполучили селективную ценность. Пробионты получили круглосуточное энергоснабжение, перевоплотился в живы организмы. Основным аспектом Как зародилась жизнь? отбора стало качество и количество синтезируемых полипептидов, их включение в разные биокаталитические процессы. Можно представить, что поначалу синтезировался некоторый 1-ый фермент, который катализировал окисление только 1-го имеющегося в среде органического соединения, сопряженное Как зародилась жизнь? с переносом неорганического фосфата на АДФ. Одно это позволило пробионтам не распадаться ночкой. К тому времени, когда припасы данного органического сырья истощились, арсенал полипептидов, синтезируемых матричным методом, существенно вырос. Некие из их Как зародилась жизнь? вошли в состав рибосом, иРНК и тРНК, по этому возросла точность и эффективность биосинтеза самих полипептидов. Из других полипептидов формировались новые ферменты для системы окислительного фосфорилирования, удлиняющие ее каталитические Как зародилась жизнь? цепи. Это позволило живым организмам получать хим энергию из многих органических соединений аква среды.

1-ый генетический код был существенно проще современного. Он обеспечивал только грубое кодирование неких аминокислот, да и это сказалось на свойствах Как зародилась жизнь? синтезированных полипептидов. Возможно первичные рибосомы, начавшие матричный синтез полипептидов, представляли собой глобулы из нуклеопротеидных комплексов, в каких кодон-антикодоновое соответствие иРНК и тРНК контролировалось переносами энергии в их сопряженных участках. Может быть Как зародилась жизнь?, те же энерго процессы присущи всем рибосомам и могут быть выявлены экспериментально.

Круглосуточное энергоснабжение отдало старт гиперциклическим сетям каталитических реакций, благодаря которым усовершенствование одной из субсистем клеточки содействует модернизации других Как зародилась жизнь? субсистем [5]. Гиперциклы обеспечили резвое повышение генетического материала, генерализацию матричных процессов, рост арсенала ферментов. Образовались системы ферментативного биосинтеза аминокислот, пигментов, полисахаридов... Появились цитоплазматические мембраны, настоящие рибосомы и т.д. Живы клеточки перебежали от УФ-зависимого фотофосфорилирования Как зародилась жизнь? к фотосинтезу в видимом спектре и заселили глубины водоемов, лишенные УФ-света, а после скопления атмосферного кислорода, всасывающего ультрафиолет, и сушу.

Процесс зарождения жизни включал четыре взаимосвязанных шага. На 3-х первых Как зародилась жизнь? характеристики пробионтов строго детерминировались критериями среды, менявшимися под воздействием пробионтов. На четвертом образовались живы клеточки, способные адаптироваться к различным средам. У клеток появились ферментативные механизмы реагирования на наружные стимулы, при помощи которых они Как зародилась жизнь? изменяют собственный метаболизм и управляют движением клеточных оболочек, жгутиков либо других подвижных частей. Клеточки различных организмов отличаются спектрами реакций.

ЛИТЕРАТУРА
1. Каценберг М.М. От молекул к клеточке, Природа, М, 1990, 11: 11 – 17.
2. Понамперума С.В Как зародилась жизнь?. Происхождение предбиологических систем. Под ред. А.И. Опарина. М.: Мир.1966,. 224.
3. Саган К.В. Там же, 211.
4. Сверхкороткие световые импульсы. Под ред. С. Шапиро, М., 1981, 462.
5. Эйген, М. Шустер, П. Гиперцикл. М., 1982.
6. DNA fluorescence at room Как зародилась жизнь? temperature exited by means of tye laser. /Chem.Phys.Lett. 1971, 81(2): 270-272.
7. Intramolecular triplet-triple energy transfer: delayed fluorescence in poly-L-tyrosine and polyadenylic acid. /Photochem. Photobiol. 1970, 11: 207


kak-voltmetr-podklyuchaetsya-v-elektricheskuyu-shemu-pochemu.html
kak-vospitat-v-rebyonke-uverennost-v-sebe.html
kak-vosstanovit-doverie-v-otnosheniyah.html