Какие свойства коацерватов по мнению опарина

 «Биология. Общая биология. Базовый уровень. 10-11 классы». В.И. Сивоглазов (гдз)

Вопрос 1. Какие космические факторы на ранних этапах развития Земли явились предпосылками для возникновения органических соединений?
На ранних этапах развития Земли органические соединения образовывались из неорганических абиогенным путем. Источником энергии для этих процессов служило ультрафиолетовое излучение Солнца. В атмосфере не существовало ни озона, ни кислорода, поэтому ультрафиолет ничем не задерживался и достигал поверхности планеты. Под его воздействием, а также при участии электрических грозовых разрядов из воды и газов образовывались простейшие органические вещества: формальдегид, глицерин, аминокислоты, мочевина и др.

Вопрос 2. Назовите основные стадии возникновения жизни согласно теории биопоэза.
Согласно теории биопоэза, сформулированной в 1947 г. английским физиком и историком науки Джоном Берналом (1901—1971), можно выделить три стадии возникновения жизни:
1) абиогенный синтез и накопление органических мономеров (формирование «первичного бульона»);
2) образование биологических полимеров и коацерватов (от лат. coacervus — сгусток);
3) формирование мембранных структур ипервичных организмов (пробионтов).
Основное место протекания всех этих процессов — древний океан.

Вопрос 3. Как образовывались, какими свойствами обладали и в каком направлении эволюционировали коацерваты?
Образование коацерватов было бы невозможно без взаимодействия органических веществ друг с другом и с неорганическими со¬единениями. В результате такого взаимодействия из жирных кислот и спиртов образовались липиды, из аминокислот — пептиды, из нуклеотидов — нуклеиновые кислоты. Липиды формировали пленки на поверхности водоемов, а белки — растворенные в воде полимерные комплексы. Такие комплексы, сливаясь друг с другом, образовывали коацерваты — структуры, обособленные от остальной массы воды. В первичном океане коацерваты, или коацерватные капли, обладали способностью поглощать различные вещества. В результате этого внутренний состав коацервата претерпевал изменения, что вело или к его распаду, или к накоплению веществ, т. е. к росту и к изменению химического состава, повышающего устойчивость коацерватной капли. Судьба капли определялась преобладанием одного из указанных процессов. Академик А. И. Опарин отмечал, что в массе коацерватных капель должен был идти отбор наиболее устойчивых в данных конкретных условиях. Достигнув определенных размеров, материнская коацерватная капля могла распадаться на дочерние. Дочерние коацерваты, структура которых мало отличалась от материнской, продолжали свой рост, а резко отличавшиеся капли распадались. Продолжали существовать только те коацерватные капли, которые, вступая в какие-то элементарные формы обмена со средой, сохраняли относительное постоянство своего состава. В дальнейшем они приобрели способность поглощать из окружающей среды не всякие вещества, а лишь такие, которые обеспечивали им устойчивость, а также способность выделять наружу продукты обмена. Постепенно увеличивались различия между химическим составом капли и окружающей средой. В процессе длительного отбора (его называют химической эволюцией) сохранились лишь капли, которые при распаде на дочерние не утрачивали особенностей своей структуры, т. е. приобрели свойство самовоспроизведения. Коацерваты обладали некоторыми признаками живого, но для превращений их в первые живые организмы не хватало биологических мембран. Эволюция коацерватов завершилась образованием мембраны, отделяющей их от окружающей среды и состоящей из фосфолипидов.

Вопрос 4. Расскажите, как возникли пробионты.
Мембраны пробионтов могли образовываться из липидных пленок на поверхности водоемов, к которым присоединялись плавающие в воде коацерваты. Для эволюции жизни были важны те коацерваты, которые содержали не только белок, но и нуклеиновые кислоты. Из их комплексов с липидами можно считать живыми организмами лишь те, которые оказлись способны к самовоспроизведению нуклеиновых кислот. Так возникли пробионты — примитивные гетеротрофы, живущие за счет органических веществ абиогенного происхождения («первичного бульона»). На этом этапе закончилась химическая и началась биологическая эволюция.
Вопрос 5. Опишите, как могло происходить усложнение внутреннего строения первых гетеротрофов.
Постепенно количество органических веществ абиогенного происхождения стало уменьшаться. Это привело к жесткой конкуренции между пробионтами, которая ускорила возникновение автотрофов, использующих для создания органики энергию солнечного света. Первые автотрофы использовали бескислородный путь фотосинтеза. Позднее появились цианобактерии, способные к фотосинтезу с выделением кислорода. Следствием накопления кислорода в атмосфере стало, во-первых, возникновение аэробных организмов, во-вторых, формирование защитного озонового слоя.
Параллельно происходило усложнение внутреннего строения клеток, которое в итоге привело к появлению эукариотов. Некоторые гетеротрофы вступали в симбиоз с аэробными бактериями, захватывая их и используя в качестве «энергетических станций» — будущих митохондрий. Такие симбионты дали начало животным и грибам. Другие гетеротрофы, помимо аэробных бактерий, захватывали и автотрофов-цианобактерий, которые стали хлоропластами. Так появились предшественники растений.
Вопрос 6. Почему невозможно самозарождение жизни в современных условиях?
Самозарождение жизни на Земле в настоящее время невозможно, поскольку в условиях современной богатой кислородом атмосферы органические соединения быстро разрушаются, не накапливаются и не достигают должной степени сложности. Кроме того, появления коацерватов и пробионтов не происходит из-за огромного количества гетеротрофов, очень быстро «поедающих» любое скопление органических веществ.

Советский академик Александр Иванович Опарин, в книге «Происхождение жизни», впервые (1924 г.) сформулировал научную концепцию происхождения жизни, в результате биохимической эволюции материи, тем самым он разработал материалистическую теорию возникновения жизни.

Согласно этой теории, в ходе длительной химической эволюции на поверхности первобытной без кислородной Земли, абиогенно образовались органические вещества и биополимеры. В океанах накопились органические вещества, и образовался, «первичный бульон», в котором могла возникнуть жизнь.

Первичный океан постепенно насыщался белками, углеводами и липидами, а также нуклеиновыми кислотами. В разбавленных водных растворах родственные молекулы объединялись и образовали сгустки. Эти сгустки были открытыми, т.е. имели способность к обмену веществ и энергии с окружающей средой. Опарин этих сгустков назвал «коацерватными каплями».

Коацервация особенно активно происходит в условиях пространственной взаимодополняемости (комплементарности) поверхностей взаимодействующих молекул. Коацерваты  – это мельчайшие сферические коллоидные частицы, обладающие осмотическими свойствами. Коацерваты обладают рядом свойств, которые сближают их с простейшими живыми системами. Например, они поглощают мелкие органические вещества из окружающей среды. За счет них коацерваты могут увеличиваться в размере. В коацерватах могут, происходить процессы выделения продуктов распада, т.е. обладали свойством метаболизма. Первоначальные коацерваты выстраивали вокруг себя молекулы воды и тем самым создали поверхность раздела. Затем, в ходе эволюции коацерваты создали вокруг себя биологические мембраны из белков и липидов. Опарин считает, что решающую роль в превращении неживого в живое сыграли белки.

Английский биолог и генетик Дж. С. Холдейн в 1929 году, развивая теорию Опарина, пришел к выводу о том, что «коацерватные капли» содержали рибонуклеиновые кислоты (РНК). Он выдвинул гипотезу о том, что жизнь началась с возникновения самовоспроизводящих молекул – РНК, затем появились белки. РНК, по всей вероятности, абиогенно формировалась в условиях первобытной Земли. Поэтому теория происхождения жизни называется теорией Опарина — Холдейна. Согласно этой теории, коацерваты обладали свойством метаболизма и самовоспроизведения путем деления. Это происходило около 4 млрд. лет назад в водных средах. Так возникли простейшие живые системы, которых называют протобионтами (протос – простой и биос — жизнь).

Вопросы для самоконтроля

1. Кто и когда опубликовал книгу «Происхождения жизни»?

2. Кто впервые сформулировал научную концепцию происхождения жизни?

3. В каких растворах родственные молекулы объединяются и образуют сгустки?

4. Какой способностью обладали сгустки из биополимеров?

5. Кто, сгустки из биополимеров, назвал «коацерватными каплями»?

6. Что такое коацерваты?

7. Какими свойствами обладают коацерваты?

8. Из чего создали коацерваты вокруг себя биологические мембраны?

9. Кто и когда пришел к выводу о том, что коацерваты содержали рибонуклеиновой кислоты (РНК)?

10. Какую теорию называют теорией Опарина – Холдейна?

11. Как называют простейшие живые системы?

12. Что означает протобионт?

13. Когда и где возникли протобионты?

Теория происхождения жизни на Зем­ле, предложенная в 1924 г. выдающимся российским учёным, впоследствии академиком А. И. Опариным (1894— 1980; рис. 78) получила широкую извест­ность.

Первый этап, согласно этой теории, состоял в образовании органи­ческих веществ из неорганических. Реальность этого этапа экспери­ментально подтвердили американские учёные С. Миллер (1930—2007) и Г. Юри (1893—1981) в 1953 г. Воздействуя электрическими заря­дами на вещества, характерные для ранней атмосферы Земли, они по­лучили целую смесь из нескольких десятков органических соедине­ний — органических кислот (в том числе аминокислот), азотистых оснований, углеводов и др. Ещё активней стимулировало синтез орга­нических веществ из неорганических ультрафиолетовое излучение. В результате Мировой океан ранней Земли стал представлять собой «первичный бульон», т. е. раствор органических веществ в воде. Одна­ко сами эти вещества — ещё не жизнь. Её химическую основу, напом­ним, составляют биополимеры — белки, нуклеиновые кислоты, поли­сахариды и их производные, которые слагаются из аминокислот, ну­клеотидов и моносахаридов. Для того чтобы возникли биополимеры, необходимы процессы, идущие с затратой энергии (например, при участии АТФ), а также ДНК, РНК и ферменты, которые сами являют­ся продуктами такого процесса.

Рис. 78. Александр Иванович Опарин

Рис. 79. Две руки: а — правая; б — левая

Второй этап, по теории Опарина, — это этап возникновения жизни. Так, он показал, что в растворах органических соединений образуются коацерваты — маленькие капельки, ограниченные полупроницаемой оболочкой — первичной мембраной. В коацерватах могут концентри­роваться органические вещества, в них быстрее идут реакции и обмен веществ с окружающей средой. Они способны даже делиться, как бак­терии. Экспериментально это предположение Опарина было подтверж­дено американским исследователем С. Фоксом (1912—1998), который назвал эти капельки микросферами. Материал с сайта https://doklad-referat.ru

Третий этап, по мнению Опарина, состоял в том, что в коацерватах мог сформироваться первичный ген, несущий информацию о первом белке. Вероятно, таким капелькам-коацерватам были присущи свой­ства наследственности и даже естественного отбора, потому что выжи­вали более приспособленные и усовершенствованные из них. В резуль­тате такого отбора жизнь на Земле выбрала асимметрические органические молекулы аминокислот и сахаров. Такие молекулы называют также хиральными. Они похожи друг на друга, как правая рука чело­века на левую (рис. 79), т. е. являются зер­кальными отражениями друг друга. Их так и назвали — правыми и левыми. Аминокисло­ты, из которых состоят белки земных орга­низмов, всегда левые, а углеводы (рибоза и дезоксирибоза), входящие в состав нуклеиновых кислот, всегда правые. Экспериментально доказано, что коацерваты-микросферы из асимме­тричных биополимеров росли быстрее симметричных и вытесняли их. Однако, как подчеркнул А. Эйнштейн, то, что аминокислоты у нас ле­вые, а углеводы правые, можно объяснить простой случайностью.

Нетрудно заметить, что предположение о первых этапах возникно­вения жизни на Земле, по теории Опарина, доказано эксперименталь­но, а вот последний этап носит гипотетический характер. На заключи­тельном этапе возник биосинтез белка — процесс, который характерен даже для самых примитивных микроорганизмов. Механизм его не ме­нялся за всю историю Земли.