Абиогенез и естественный отбор

После своего возникновения Земля представляла знойную и горячую сферу без жизни. Спустя же 4,5 миллиарда лет фауна и флора оказались представлены многочисленными формами ныне живущих организмов,…

Особенности процесса

Абиогенный синтез органических веществ теоретически возможен, но для этого необходимы определенные условия. В ходе данного процесса образовываются оптически неактивные или рацемические смеси. Вещества содержат разнообразные вращающиеся изомеры в равном количестве.

Сегодня абиогенный синтез осуществляется в специализированных лабораториях. Благодаря этому исследуются многие биологически важные мономеры. Одним из необычайно весомых для деятельности человека продуктом абиогенного синтеза является нефть. В процессе миграции вещество проходит толщу осадочной породы, экстрагируя органическую смесь, представленную в виде смол и порфиринов.

Многие исследователи, чтобы доказать существование абиогенного синтеза, обращались к методу промышленного процесса получения синтетического топлива. Тем не менее, углубляясь в изучение нефти, ученые нашли существенные различия между составом природных и синтетических углеводородных смесей. В последних практически нет сложных молекул, которые насыщены такими веществами, как жирные кислоты, терпены, стиролы.

В лабораторных условиях абиогенный синтез осуществляется с применением ультрафиолета, электрического разряда или воздействия высокой температуры.

Пролог: структура и организация носителей информации

Прежде чем перейти к химическим реакциям получения органических соединений, мы изучим молекулы, условия абиогенного синтеза которых будем искать большую часть статьи. Нуклеиновые кислоты делятся на дезоксирибонуклеиновые (ДНК) — находятся в хромосомах, митохондриях, хлоропластах, нуклеоидах и рибонуклеиновые (РНК) — транспортирующие генетическую информацию, обеспечивающие синтез белка, регуляцию генов и сплайсинг. При построении нуклеиновых кислот рибоза связывается с одним азотистым основанием, образуя молекулу нуклеозида. Такое соединение, вместе с фосфатными группами, образует уже молекулы нуклеотидов (рис. 1). Из них и строятся нуклеиновые кислоты присоединением новых нуклеотидов, где две фосфатные группы отделяются, а третья входит в состав цепи [3]. 

Моносахариды рибоза и дезоксирибоза, как компоненты сахарофосфатного скелета, являются альдозами из-за своей открытой альдегидной группы, с формулами С5H10O5 и С5H10O4. Дезоксирибоза отличается от рибозы лишь отсутствием гидроксильной группы, поэтому у неё она заменена атомом водорода.

Производные пурина:

Пиримидиновые производные:

Аденин — C5H5N5

Цитозин — C4H5N3O

Гуанин — C5H5N5O

Тимин (для РНК) — C5H6N2O2

Урацил (для ДНК) — C4H4N2O2

Таблица 1. Азотистые основания

Фосфатные группы, которые обеспечивают образование фосфодиэфирной связи с другими нуклеотидами, представлены солями фосфорных кислот (P-O-P связь) и метиленом (СН2), связывающим фосфатные группы с сахаридами.

Рисунок 1. Источник: собственная иллюстрация на основе материала книги Михаила Никитина «От туманности до клетки»Рисунок 1. Источник: собственная иллюстрация на основе материала книги Михаила Никитина «От туманности до клетки»

Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.

BiotechClub

Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.

SkyGen

Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

«Диа-М»

Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

«Альпина нон-фикшн»

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Начало органического синтеза

Синтез Вёлера. Схематическое изображение изомеризации цианата аммония как примера образования органического вещества из неорганического

В качестве самостоятельной дисциплины начал оформляться после знаменитого синтеза карбамида (мочевины) из типичного неорганического вещества (цианата аммония), осуществленного немецким химиком Фридрихом Вёлером (Wöhler, Friedrich, 1800—1882) в 1828 г..[1] Этот синтез положил конец спору с учеными-виталистами, полагавшими, что органические вещества могут продуцироваться только за счет жизненной силы биологических организмов.

Условия возникновения жизни

По утверждению Дарвина, жизнь может зародиться только в условиях её отсутствия. Вновь образовавшиеся органические ве­щества немедленно уничтожаются гетеротрофными микроорганиз­мами. Именно поэтому в настоящее время невозможно самозарож­дение жизни.

Вторым необходимым условием зарождения жизни на Земле является отсутствие кислорода в первичной атмосфере, так как наличие кислорода привело бы к расщеплению вновь образующихся органических веществ.

Развитие органического синтеза

Мощный импульс развитию получил после формулирования русским химиком Бутлеровым А. М.(1828—1885) основ структурной теории строения органических молекул, которая позволила планомерно синтезировать органические молекулы заданного строения.

Дальнейшее развитие органического синтеза происходит параллельно с развитием науки органическая химия. Успехи теорий строения атомов и молекул, химической связи, квантовая химия, кинетика и др. способствовали развитию методов синтеза. С другой стороны, ряд сложных синтезов как известных в природе веществ (уксусная кислота, индиго, аспирин и др.), так и не имеющих своих аналогов (полиэдраны, многие элементоорганические соединения, синтетические антибиотики и др.), оказал влияние на смежные разделы науки (химия биологически активных веществ, фармакология, физика и химия твердого тела и др.), показав самостоятельность и высокую ценность этого направления органической химии.

Выход органического синтеза за рамки лабораторий произошёл после развития химической технологии и признания промышленной значимости продуктов: карбоновых кислот, полимеров, растворителей, красителей и др. — веществ, объём производства которых характеризуется числами со многими нулями.

Направления органического синтеза

Стремительный рост числа синтезов привел к оформлению отдельных его самостоятельных направлений, характеризующихся специфическими признаками: сырьевой базой (нефтесинтез), приемами (кислотный катализ), физическим воздействием (плазмосинтез), природой продуктов (металлоорганический синтез), назначением продуктов (синтез биологически активных веществ), сложностью (тонкий органический синтез) или, наоборот, простотой (“клик”-синтез), фазовым состоянием среды (газо-, жидко- и твердофазный синтезы), температурой (криосинтез, термолиз) и т. д..

Информационное обеспечение

Необходимость ориентироваться в огромном числе синтетических методик привела к созданию развитых информационных систем для их поиска и описания, предложения реактивов и синтетической аппаратуры.

Взгляды современных ученых на возникновение жизни

Многие исследователи пришли к выводу, что зарождение жизни берет свое начало около прибережных районов морей и океанов. На границе море-суша-воздух были созданы благоприятные условия для образования сложных соединений.

Все живые существа, по сути, являются открытыми системами, получающими энергию извне. Без уникальной силы жизнь на планете невозможна. На данный момент вероятность возникновения новых живых организмов минимальна, так как на создание того что мы имеем сегодня ушли миллиарды лет. Даже если органические соединения начнут зарождаться, они тут же будут окислены или использованы гетеротрофными организмами.

Методика органического синтеза

Реализация органического синтеза включает следующие научные, организационные и технологические этапы: задание структуры целевой молекулы, рассмотрение возможных схем синтеза, подбор продуктов, аппаратуры, проведение химических реакций, выделение промежуточных и целевых продуктов, их анализ и очистку, модифицирование, принятие мер безопасности, экологический контроль, экономический анализ и др..

Окончательный выбор метода синтеза происходит после всестороннего комплексного анализа этих этапов и их оптимизации.

Опровержение биохимической эволюции

Одно из современных опровержений сводится к сомнению в присутствии аммиака в древней атмосфере вокруг Земли. Кроме того, для многих ученых так и остался неуточненным вопрос: в ходе таких процессов появились раньше белки или нуклеиновые кислоты? Опарин считал, что первыми были белки. Сторонники гипотезы генетических механизмов утверждали, что это были нуклеиновые кислоты. Тем более согласно результатам лабораторных исследований Г. Миллера в 1929 году репликация этих веществ могла происходить без участия ферментов. Группа такой оппозиции утверждала, что рибосомы, состоящие из одной РНК, могли впоследствии «научиться» синтезировать белок.

Жизнеспособность такого пути эволюции впоследствии была подтверждена экспериментально. В пользу генетической теории свидетельствовал тот факт, что РНК без участия ферментов могла реплицироваться, претерпевать обратную транскрипцию и синтезировать ДНК.

Одновременно с этим высказывается предположение, что первая клетка образовалась в результате определенных химических процессов глубоко в океане. Следовательно, сегодня единого мнения ученых не существует.

Происхождение жизни на Земле рассматривается отдельными авторами в результате не только абиогенеза, но и биогенеза. Он состоит в том, что жизнь на Земле, как и сама Земля, никогда не возникали. Они существуют вечно. Другими словами, живое произошло от живого. Одни живые существа сменяют другие, вымирают либо, напротив, размножаются, но постоянно присутствуют на земле. Цепочка жизни бесконечна, потому в поисках появления первой клетки нет смысла.

Существует и креационистическая теория, утверждающая, что многообразие форм живого мира обусловил Бог. Такой взгляд полностью отрицает эволюционные течения и был распространен среди ученых XIX века.

дальнейшее чтение

  • Кори EJ ; Ченг, XM (1995). Логика химического синтеза . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья . ISBN 978-0471115946.

9 | РНК: энергия липидной мембраны

Возвратимся к теме липидов. Электроны связей молекулы воды смещены из-за большей электроотрицательности кислорода. Вследствие этого, одна сторона молекулы несёт положительный заряд, а другая — отрицательный [27]. Поэтому вещества с полярными молекулами (гидрофильные) притягиваются и смешиваются с водой, а неполярные молекулы (гидрофобные) — нет [28]. В живых организмах клетки окружены мембраной из двух слоёв липидов, при смешивании их молекул в воде получается эмульсионная взвесь, а не растворение [29]. Наружная сторона мембраны несёт положительный заряд, а внутренняя — отрицательный. Такой электрический потенциал используется при передаче и хранении энергии, а также транспорта веществ вместе с протонами для компенсации заряда мембраны [30][31]. 

Вероятно, протоклетки имели примитивные оболочки из липидов, которые пропускали протоны и ионы металлов, но задерживали белки и РНК, поэтому выход из геотермальных водоёмов в среду с высоким содержанием натрия потребовал создания клетками способа его «откачки» [32]. Появления натриевых насосов использующих энергию реакций и освоение новых кислых сред, подтверждает образование мембран в тот период, когда аденозинтрифосфаты уже были в наличии.

Литература:

1 — Михаил Никитин: «От туманности до клетки. Происхождение жизни»;

2 — Роберт Хейзен: «История Земли»;

3 — KhanAcademy: раздел «ДНК. Молекулярная генетика»;

4 — Опарин Александр: «Возникновение жизни на земле»;

5 — Organic compound synthesis on the primitive earth // Science — July 1959: vol. 130, no. 3370;

6 — KhanAcademy: раздел «Стереохимия»;

7 — Евгений Кунин: «Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции»;

8 — A semi-synthetic organism with an expanded genetic alphabet // Nature, 2014, advance online publication;

9 — Physico-chemical and evolutionary constraints for the formation and selection of first biopolymers: towards the consensus paradigm of the abiogenic origin of life // Chemistry & Biodiversity, 2007, vol. 4;

10 — α-Hydroxy and α-Amino Acids Under Possible Hadean, Volcanic Origin-of-Life Conditions // Science — October 2006: vol. 314, no. 5799;

11 — On the origin of life in the zinc world: 1. Photosynthesizing, porous edifices built of hydrothermally precipitated zinc sulfide as cradles of life on Earth // Biol. Direct, 4 (2009);

12 — An Origin-of-Life Reactor to Simulate Alkaline Hydrothermal Vents // J. Mol. Evol., 79, (2014);

13 — On the origin of life in the zinc world. 2. Validation of the hypothesis on the photosynthesizing zinc sulfide edifices as cradles of life on Earth // Biol. Direct, 4 (2009);

14 — KhanAcademy: раздел «Фотосинтез»;

15 — Origin of first cells at terrestrial, anoxic geothermal fields // Proc. Natl. Acad. Sci., 109 (2012);

16 — Lost City в Атлантическом океане;

17 — Марков Александр: «Рождение Сложности»;

18 — Элементы: «Новое в теории появления жизни»;

19 — Элементы: «Химикам удалось стабилизировать абиогенный синтез сахаров»;

20 — Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions // Nature — May 2009: vol. 459;

21 — Элементы: «В поисках начала эволюции»;

22 — Ричард Докинз: «Эгоистичный ген»;

23 — Валентин Пармон: «Естественный отбор среди молекул»;

24 — The origin of viruses // Research in Microbiology, 2009, vol. 160;

25 — The two ages of the RNA world, and the transition to the DNA world: a story of viruses and cells // Biochimie, 2005, vol. 87;

26 — ПостНаука: «Происхождение жизни: от РНК-мира до последнего общего предка всего живого»;

27 — KhanAcademy: раздел «Химическая связь и структура молекул»;

28 — Биомолекула: «Липидный фундамент жизни»;

29 — KhanAcademy: раздел «Химия»;

30 — Фрэнсис Эшкрофт: «Искра жизни. Электричество в теле человека»;

31 — KhanAcademy: раздел «Мембранный транспорт»;

32 — Древние системы натрий-калиевого гомеостаза клетки как предшественники мембранной биоэнергетики // Биохимия, 2015. Т. 80. Вып. 5;

33 — KhanAcademy: раздел «Строение клетки»;

34 — Complex archaea that bridge the gap between prokaryotes and eukaryotes // Nature advance online publication (2015);

35 — Asgard archaea illuminate the origin of eukaryotic cellular complexity // Nature, advance online publication (2017);

36 — KhanAcademy: раздел «Жизнь на Земле и во Вселенной».

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...