Суть теории биохимической эволюции

Теория биохимической эволюции

Согласно этой теории, на Земле около 4 миллиардов лет назад существовали некоторые условия, которые способствовали возникновению простых органических молекул, таких как аминокислоты и нуклеотиды. Эти молекулы могли образовываться под воздействием энергии, например, молнии, ультрафиолетового излучения или тепла от вулканической активности.

Автор и сторонники

Теория биохимической эволюции развивалась благодаря вкладу многих ученых и исследователей, и нет одного конкретного автора, которому можно было бы приписать полное авторство этой теории.

Одним из главных ученых, связанных с развитием теории биохимической эволюции, является российский биохимик и биолог Александр Опарин (1894-1980). В 1924 году он опубликовал книгу «Происхождение жизни», в которой предложил гипотезу о примитивном супе, в которой образуются первые органические молекулы.

Другим важным ученым, связанным с этой теорией, является американский химик и биолог Стэнли Миллер (1930-2007). В 1953 году он провел знаменитый Миллеровский эксперимент, в котором демонстрировал возможность образования органических молекул, таких как аминокислоты, в условиях, схожих с ранней Землей. Этот эксперимент принес важные доказательства в пользу теории биохимической эволюции.

Важным сторонником теории Опарина был американский биохимик и генетик Гарольд Клейтон Юри (1893-1981). Юри внес значительный вклад в развитие теории биохимической эволюции и работал над механизмами образования и стабилизации органических соединений на ранних стадиях эволюции. Другими известными сторонниками теории Опарина были американский биохимик Сидни Фокс, советский физиолог и биохимик Борис Лапицкий.

Британский биохимик Джон Холдейн (1892-1964) внес значительный вклад в развитие и дополнение теории биохимической эволюции Опарина. Он расширил идеи Опарина, предложив новые концепции и принципы:

1. Он предложил, что в примитивных стадиях биохимической эволюции могли существовать генетические системы, отличные от современной ДНК и РНК. Он предложил, что молекулы, подобные более простым нуклеотидам, могли выполнять функции генетического материала, сохраняя информацию и передавая ее следующим поколениям.
2. Роль водных микрообъектов: они могли служить местом концентрации органических молекул и реакций, способствуя образованию примитивных биохимических систем.
3. Предположил, что минералы могли служить катализаторами химических реакций и способствовать образованию сложных органических молекул.
4. Холдейн считал, что жизнь может возникать и эволюционировать на разных планетах и в разных условиях. Он указал на то, что процессы биохимической эволюции могут быть универсальными и не ограничиваться только Землей. Это открыло возможности для изучения происхождения жизни в космологическом контексте и поиска жизни на других планетах.

Основные положения

1. Первичный бульон: Опарин предположил, что на ранней Земле существовала атмосфера, состоящая из простых неорганических соединений — метан, аммиак, водород и водяной пар. Под воздействием энергии от солнечного излучения, электрических разрядов и тепла, эти соединения могли реагировать и образовывать более сложные органические молекулы.

2. Происхождение жизни: в результате химических реакций в этом бульоне образовались простейшие жизненные формы, называемые протобионтами (протоклетками) или коацерватами. Эти протобионты были саморепродуцирующимися структурами, способными к преобразованию и сохранению энергии.

3. Эволюция жизни: далее протобионты продолжали развиваться и эволюционировать, становясь все сложнее и разнообразнее. В результате накопления мутаций и естественного отбора, протобионты могли претерпевать изменения в своей структуре и функциональности, приводящие к возникновению более сложных форм жизни.

4. Появление клеток: Опарин считал, что более сложные формы жизни, включая клетки, могли возникнуть из протобионтов. Постепенно развивающиеся протобионты могли стать обкладкой для своего содержимого и образовать первые примитивные клетки.

Точное местоположение и состав первичного бульона на ранней Земле сложно определить, поскольку это относится к временному периоду, который находится за пределами прямых наблюдений и доступа к ископаемым записям. Однако с учетом того, что на ранней Земле океаны были широко распространены и покрывали значительную часть поверхности, исследователи предполагают, что они были основным местом, где происходили ранние химические реакции, приводящие к образованию жизни. Опарин предложил, что первичный бульон мог существовать в водоемах в течение длительного времени, возможно, 4 миллиардов лет. Атмосфера планеты не содержала кислорода.

Необходимые условия для биохимической эволюции

Для биохимической эволюции и возникновения жизни на планете необходимы ряд специфических условий:

1. Присутствие химических элементов и соединений: для формирования жизни необходимы углерод, кислород, азот, водород и фосфор, которые являются основными компонентами органических молекул, включая аминокислоты, нуклеотиды и другие биологически значимые молекулы.

2. Наличие источника энергии: солнечное излучение, геотермальная активность, электрические разряды или другие формы энергии. Источник энергии позволяет привести в движение химические реакции, необходимые для образования и поддержания биологических молекул.

3. Наличие жидкой среды: вода считается основным фактором, обеспечивающим условия для биохимической эволюции. Вода является уникальной веществом, которое обеспечивает растворение различных химических соединений и позволяет химическим реакциям происходить более эффективно. Она также служит средой для различных биологических процессов.

4. Защита от разрушения: молекулы, образующие живые системы, должны быть защищены от разрушения или деградации. Протоклетки или мембраноподобные структуры могут предоставить физическую защиту и обеспечить изоляцию химических процессов от окружающей среды.

5. Взаимодействие и самосборка: жизнь требует взаимодействия между различными молекулами и их способности к самоорганизации. Это самосборка молекул в более сложные структуры, взаимодействие биологических молекул для выполнения специфических функций и передача информации через генетическую систему.

6. Устойчивая среда: условия для биохимической эволюции должны быть достаточно стабильными для поддержания и развития жизни. Хотя изменения и переменности могут быть частью эволюционного процесса, слишком резкие изменения или экстремальные условия могут быть неблагоприятными для жизни.

Все эти условия должны быть наличными и взаимодействовать в определенном сочетании, чтобы обеспечить возникновение и развитие биохимической эволюции и жизни.

Основные этапы

Источник: memorial-zv.ru

Биохимическая эволюция и возникновение жизни предполагаются происходившими через ряд этапов:

1. Неорганическая химия: на ранних стадиях Земли происходили химические реакции между различными неорганическими веществами. Это реакции между различными элементами, образование минералов, растворение газов и минералов в воде, образование простых органических соединений и т.д.

2. Образование первичного бульона: под воздействием различных энергетических источников, таких как ультрафиолетовое излучение, электрические разряды и тепло, простые органические молекулы начали образовывать первичный бульон в ранних океанах и водных средах. Этот бульон содержал разнообразные органические соединения, такие как аминокислоты, нуклеотиды и другие биологически значимые молекулы.

3. Полимеризация и формирование макромолекул: в условиях примитивного бульона происходила полимеризация органических молекул, в результате чего образовывались макромолекулы полипептидов (цепочки аминокислот) и полинуклеотидов (цепочки нуклеотидов). Это был важный шаг в развитии сложных молекулярных структур, которые могли иметь свойства самосборки и хранения информации.

4. Образование примитивных мембран и ранних клеток: самосборка липидных молекул, образующих примитивные мембраны, могла привести к созданию ограниченных пространств, которые могли служить примитивными клетками или протоклетками. Эти мембраны могли сохранять и защищать внутреннюю химическую среду, а также улучшать эффективность биохимических реакций.

5. Развитие генетической системы: внутри примитивных клеток происходила эволюция генетической системы, которая передавала и сохраняла информацию. Это развитие молекул РНК. Она служила как генетическая матрица и катализатор для химических реакций. Постепенно эта система могла эволюционировать в ДНК и другим более сложным формам генетического материала.

6. Появление примитивных метаболических путей: с развитием биохимических систем внутри клеток появились примитивные метаболические пути, которые позволяли клеткам получать энергию и синтезировать необходимые для жизни молекулы. Это процессы фотосинтеза, хемосинтеза и другие формы метаболизма.

7. Дальнейшая эволюция и разнообразие: после возникновения примитивной жизни биохимическая эволюция продолжала развиваться через мутации, естественный отбор и другие механизмы. Это приводило к разнообразию живых организмов и постепенному развитию сложных форм жизни.

Плюсы и минусы

Плюсы:

1. Теория биохимической эволюции предлагает убедительное объяснение происхождения жизни на Земле: механизмы и процессы, которые могли привести к развитию примитивных организмов из простых неорганических веществ.

2. Учет фундаментальных принципов химии и физики. Объясняет, как химические реакции и молекулярные взаимодействия могут привести к возникновению и развитию жизни.

3. Подтверждение научными исследованиями: эксперименты по созданию примитивных биохимических систем в лабораторных условиях, анализ древних геологических отложений и поиск органических молекул в космических образцах. Накопленные данные и результаты исследований подтверждают ключевые аспекты этой теории.

4. Теория биохимической эволюции является частью широкого контекста эволюционной биологии. Она взаимодействует с другими аспектами эволюционной теории, такими как естественный отбор и генетика, и помогает объяснить происхождение и изменение организмов на протяжении времени.

5. Теория побуждает исследователей и ученых искать новые доказательства, проводить эксперименты и разрабатывать новые модели.

Эти плюсы подчеркивают значимость и актуальность теории биохимической эволюции в науке и ее роль в объяснении происхождения жизни.

Минусы:

1. Поскольку процесс биохимической эволюции происходил миллиарды лет назад, нет прямых доказательств или наблюдений этого процесса. Вместо этого, ученые полагаются на моделирование, эксперименты в лабораторных условиях и анализ геологических данных для построения предположений о том, как могло происходить возникновение жизни.

2. Недостаток деталей и понимания. Вопросы о том, каким образом сложные молекулы биохимической эволюции могли образоваться и эволюционировать, до сих пор остаются открытыми.

3. Существуют и другие гипотезы и точки зрения, которые предлагают альтернативные объяснения происхождения жизни. Некоторые из них сосредоточены на возникновении жизни извне Земли. Это приводит к научным дебатам и требует дальнейшего исследования.

4. Биохимическая эволюция требует определенных начальных условий и окружающей среды для возникновения жизни. Однако точные условия и факторы, которые могли существовать на Земле в то время, когда произошла эта эволюция, до сих пор не ясны.

5. Точное время и длительность первичного бульона и биохимической эволюции до сих пор не ясны.