Какими свойствами обладали коацерватные капли
Жизнь возникла на нашей планете около 3 млрд. лет назад. Процесс этот был весьма длительным и постепенным. Современная наука полностью опровергла все мифы о внезапном «чудесном» появлении жизни. Уже достаточно полно можно представить себе те условия на нашей планете, при которых стало реально возникновение жизни. Основанием к этому послужили как представления о сущности жизни, так и современные данные о происхождении Земли. С учетом всех этих материалов и с применением биохимических методов советский ученый А. И. Опарин создал гипотезу о возникновении жизни, получившую сейчас широкое признание. Согласно этой гипотезе, сложный процесс возникновения жизни на Земле происходил следующим образом.
По мере остывания Земли конденсировались пары воды ив виде горячих ливней выпадали на ее поверхность, увлекая за собой находящиеся в атмосфере органические вещества. Эти вещества возникали в атмосфере за счет энергии электрических разрядов из молекул аммиака, метана, паров воды и водорода Образовался первичный океан с растворенными органическими веществами и углекислым газом.
Теплые воды первичного океана были благоприятной средой для осуществления различных химических реакций между растворенными в них органическими и неорганическими веществами. Специально проведенные эксперименты подтверждают возможность превращения в подобных условиях низкомолекулярных органических веществ в более высокомолекулярные. Поэтому синтетические процессы в первичном океане могли в конце концов привести и к образованию сложных белковоподобных веществ.
Дальнейший этап в развитии органических веществ — образование коацерватных капель. Коацерватные капли — это высокомолекулярные белковые образования, обособлявшиеся из раствора в виде коллоидных частиц. Они уже не смешивались с окружающим раствором, но были в состоянии адсорбировать из него отдельные вещества. Адсорбционная способность коацерватных капель также подтверждена биохимиками экспериментально. Эта адсорбционная способность и стала, по-видимому, начальным этапом обмена веществ в коацерватах. Так возник один из самых существенных признаков жизни — обмен веществ.
Рост коацерватных капель за счет поглощения веществ извне приводил к диспропорции между массой капли и силами сцепления между ее молекулами. Капля распадалась на несколько более мелких. Этот процесс стал необходимой предпосылкой для возникновения другого важного признака жизни — размножения. Однако размножение в современном понимании — это процесс, посредством которого организмы воспроизводят себе подобных. Распадение коацерватной капли еще не было процессом самовоспроизведения: «дочерние» капли могли оказаться очень различными по своему химическому составу. Многие из них распадались дальше и погибали. но некоторые росли вновь, становясь предшественниками будущих живых существ.
Последними достижениями биохимии и генетики показано, что функция самовоспроизведения тесно связана с нуклеиновыми кислотами. Поэтому многие ученые считают, что образование нуклеиновых кислот абиогенным путем и их последующее соединение с белками — необходимые предпосылки для возникновения живого с его способностью к обмену веществ и самовоспроизведению.
Очевидно, что все выше описанные процессы могли совершаться лишь в жидкой среде, т. е. море было первичной средой жизни, колыбелью живого на нашей планете.
С момента возникновения наипростейшие организмы попадали под действие естественного отбора, который и обеспечивая прогрессивное усложнение органического мира и рост многообразия его форм.
В современных условиях нашей планеты любые организмы, в том числе и самые простейшие, возникают только биогенным путем, т. е. путем размножения родительских организмов. Ошибочность представлений о возможности в настоящее время самозарождения простейших организмов установлена точными экспериментами Луи Пастера. Эти эксперименты нашли свое полное подтверждение в широкой практике стерилизации л пастеризации.
Синтетическая биология уже способна конструировать искусственные системы, имитирующие свойства биологических объектов
Красная мицеллярная оболочка вокруг зеленой липосомы с ферментом, расщепляющим глюкозу. Иллюстрация Physorg
Русский ученый Александр Опарин (1894–1980) сделал 3 мая 1924 года доклад о происхождении жизни. На следующий год ученый стал читать курс лекций студентам МГУ, назвав его «Химические основы жизненных процессов». Это было характерно для времени, когда главным объектом изучения были коллоиды. Примеры коллоидов, известных нам в обиходе, – студень, холодец, кисломолочные продукты. Химия в 1920-х была одной из ведущих наук, и поэтому было не совсем понятно, почему Опарин обратился к ботаникам.
Это могло быть связано с тем, что «растениеводы» имели богатый опыт изучения одноклеточных фотосинтезирующих систем, которые и ядра-то не имеют. Ботаники также считали, что фотосинтез позволяет делать органику (те же глюкозу и крахмал) из СО2 и воды. О том, что это квантовый процесс, в те годы никто и не догадывался. Точно так же, как никто не представлял себе роли нуклеиновых кислот (над умами довлело определение, согласно которому «жизнь – это форма существования белковых тел…»).
Было также известно, что органическую мочевину, из которой делают удобрения для выращивания зерновых, можно легко получать из СО2 и аммиака. Поэтому не было ничего удивительного в том, что, «отмотав назад» в истории развития, ученые пришли к простой мысли о зарождении жизни из абиотических составляющих. Из всего этого можно сделать вывод, что Опарин не говорил студентам ничего революционного, однако его имя прочно связали с коацерватами, причем смысла латинского названия никто не понимал. Приходилось толковать его как некий первичный бульон.
Интересно, что перевод этого слова дан в энциклопедическом словаре, где coacervat называется скоплением. Сегодня мы знаем, что тот же корень, например, в слове «карцер» и недавно введенном в научный обиход понятии «аккреционный», характеризующем диск вокруг черной дыры.
Опарин прожил долгую жизнь, многие годы возглавляя Институт биохимии. Но помнят его за те далекие коацерватные капли, представляющие нечто «собранное» в ограниченном объеме коллоидного раствора. При этом никто так и не сказал, каковы механизмы этой каплевидной концентрации и как накопленное в их полости обменивается с внешней средой. Один из примеров – это эритроцит, или красная кровяная клетка, которая накапливает в себе гемоглобин, но в то же время и поглощает воду, а также кислород и углекислый газ через свою мембрану…
И вот наука доросла до синтетической биологии, которая уже способна конструировать искусственные системы, имитирующие свойства живых клеток. Определенного успеха добились на этом пути сотрудники университетов Бристоля и Бордо, описавшие метод получения функционирующих как «живые» коацерватных капель (Nature Communications). Наружную оболочку капель ученые сделали из нитей-мицелл из молекул миристиновой (тетрадеканоевой) кислоты. Она присутствует в орехах и пальмовом масле, кокосах, в спермацете китов.
Поскольку миристиновая кислота относится к органическим кислотам, ее мицеллы реагируют на защелачивание среды (повышение рН). Это ее свойство было использовано авторами для выпускания из каплевидного «карцера» молекулярного «гостя» – молекул фермента глюкоз-оксидазы (GOx), окисляющего глюкозу. В результате образуется перекись водорода Н2О2. Среди мицелл биоинженеры разместили антагонистические к GO молекулы энзима под названием «пероксидаза хрена» (HRP – Horse-Radish Peroxydase).
Включению активности GO во внутренних капсулах-липосомах, окруженных двойной мембраной из фосфолипидов, способствует добавление в раствор небольшого количества глюкозы. GO окисляет ее до глюконо-дельта-лактона и перекиси, которая действует на пероксидазу во внешней оболочке коацерватной капли. Продукты энзима повышают рН, что приводит к «разрыхлению» мицелл и освобождению внутренних капсул с GO.
Таким образом химическая синергия двух ферментов порождает антагонизм липосом с окружающей их оболочкой из мицелл. Преимуществом полученной системы ученые считают спонтанный характер «захвата» липосом с GO и последующую дезинтеграцию системы в результате добавления глюкозы. Это стимулирует активность двух противоположных по своему действию ферментов.
Предложенные в Бристоле и Бордо капли с энзимной активностью могут использоваться для моделирования самых разных биохимических процессов. Например, процесса захвата мечниковскими макрофагами микробов. Так происходит со многими внутриклеточными патогенами, например с туберкулезной палочкой. В коацерватных каплях могут осуществляться также различные процессы органической и неорганической химии, что сделает их намного дешевле и чище с точки зрения получаемых продуктов без разного рода примесей.
Фундаментальная биология говорит, что митохондрии – внутриклеточные энергостанции клеток – в свое время попали в формирующиеся клетки в виде микробов-симбионтов. На это указывает их двойная оболочка (у бактерий и кокков она тоже состоит из двух фосфолипидных мембран). Думается, что коацерваты могут применяться весьма широко.
«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.
Синтетическая биология уже способна конструировать искусственные системы, имитирующие свойства биологических объектов
Красная мицеллярная оболочка вокруг зеленой липосомы с ферментом, расщепляющим глюкозу. Иллюстрация Physorg
Русский ученый Александр Опарин (1894–1980) сделал 3 мая 1924 года доклад о происхождении жизни. На следующий год ученый стал читать курс лекций студентам МГУ, назвав его «Химические основы жизненных процессов». Это было характерно для времени, когда главным объектом изучения были коллоиды. Примеры коллоидов, известных нам в обиходе, – студень, холодец, кисломолочные продукты. Химия в 1920-х была одной из ведущих наук, и поэтому было не совсем понятно, почему Опарин обратился к ботаникам.
Это могло быть связано с тем, что «растениеводы» имели богатый опыт изучения одноклеточных фотосинтезирующих систем, которые и ядра-то не имеют. Ботаники также считали, что фотосинтез позволяет делать органику (те же глюкозу и крахмал) из СО2 и воды. О том, что это квантовый процесс, в те годы никто и не догадывался. Точно так же, как никто не представлял себе роли нуклеиновых кислот (над умами довлело определение, согласно которому «жизнь – это форма существования белковых тел…»).
Было также известно, что органическую мочевину, из которой делают удобрения для выращивания зерновых, можно легко получать из СО2 и аммиака. Поэтому не было ничего удивительного в том, что, «отмотав назад» в истории развития, ученые пришли к простой мысли о зарождении жизни из абиотических составляющих. Из всего этого можно сделать вывод, что Опарин не говорил студентам ничего революционного, однако его имя прочно связали с коацерватами, причем смысла латинского названия никто не понимал. Приходилось толковать его как некий первичный бульон.
Интересно, что перевод этого слова дан в энциклопедическом словаре, где coacervat называется скоплением. Сегодня мы знаем, что тот же корень, например, в слове «карцер» и недавно введенном в научный обиход понятии «аккреционный», характеризующем диск вокруг черной дыры.
Опарин прожил долгую жизнь, многие годы возглавляя Институт биохимии. Но помнят его за те далекие коацерватные капли, представляющие нечто «собранное» в ограниченном объеме коллоидного раствора. При этом никто так и не сказал, каковы механизмы этой каплевидной концентрации и как накопленное в их полости обменивается с внешней средой. Один из примеров – это эритроцит, или красная кровяная клетка, которая накапливает в себе гемоглобин, но в то же время и поглощает воду, а также кислород и углекислый газ через свою мембрану…
И вот наука доросла до синтетической биологии, которая уже способна конструировать искусственные системы, имитирующие свойства живых клеток. Определенного успеха добились на этом пути сотрудники университетов Бристоля и Бордо, описавшие метод получения функционирующих как «живые» коацерватных капель (Nature Communications). Наружную оболочку капель ученые сделали из нитей-мицелл из молекул миристиновой (тетрадеканоевой) кислоты. Она присутствует в орехах и пальмовом масле, кокосах, в спермацете китов.
Поскольку миристиновая кислота относится к органическим кислотам, ее мицеллы реагируют на защелачивание среды (повышение рН). Это ее свойство было использовано авторами для выпускания из каплевидного «карцера» молекулярного «гостя» – молекул фермента глюкоз-оксидазы (GOx), окисляющего глюкозу. В результате образуется перекись водорода Н2О2. Среди мицелл биоинженеры разместили антагонистические к GO молекулы энзима под названием «пероксидаза хрена» (HRP – Horse-Radish Peroxydase).
Включению активности GO во внутренних капсулах-липосомах, окруженных двойной мембраной из фосфолипидов, способствует добавление в раствор небольшого количества глюкозы. GO окисляет ее до глюконо-дельта-лактона и перекиси, которая действует на пероксидазу во внешней оболочке коацерватной капли. Продукты энзима повышают рН, что приводит к «разрыхлению» мицелл и освобождению внутренних капсул с GO.
Таким образом химическая синергия двух ферментов порождает антагонизм липосом с окружающей их оболочкой из мицелл. Преимуществом полученной системы ученые считают спонтанный характер «захвата» липосом с GO и последующую дезинтеграцию системы в результате добавления глюкозы. Это стимулирует активность двух противоположных по своему действию ферментов.
Предложенные в Бристоле и Бордо капли с энзимной активностью могут использоваться для моделирования самых разных биохимических процессов. Например, процесса захвата мечниковскими макрофагами микробов. Так происходит со многими внутриклеточными патогенами, например с туберкулезной палочкой. В коацерватных каплях могут осуществляться также различные процессы органической и неорганической химии, что сделает их намного дешевле и чище с точки зрения получаемых продуктов без разного рода примесей.
Фундаментальная биология говорит, что митохондрии – внутриклеточные энергостанции клеток – в свое время попали в формирующиеся клетки в виде микробов-симбионтов. На это указывает их двойная оболочка (у бактерий и кокков она тоже состоит из двух фосфолипидных мембран). Думается, что коацерваты могут применяться весьма широко.