Гипотеза Опарина—Холдейна. Экспериментальные доказательства абиогенного происхождения жизни. Теория Опарина–Холдейна о происхождении жизни

Первую научную теорию относительно происхождения живых организмов на Земле создал советский биохимик А. И. Опарин (г.р. 1894). В 1924 г. он опубликовал работы, в которых изложил представления о том, как могла возникнуть жизнь на Земле. Согласно этой теории, жизнь возникла в специфических условиях древней Земли и рассматривается Опариным как закономерный результат химической эволюции соединений углерода во Вселенной.

По Опарину, процесс, приведший к возникновению жизни на Земле, может быть разделен на три этапа:

1. Возникновение органических веществ.

2. Образование из более простых органических веществ биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липидов и др.).

3. Возникновение примитивных самовоспроизводящихся организмов.

Теория биохимической эволюции имеет наибольшее количество сторонников среди современных учёных. Земля возникла около пяти миллиардов лет назад; первоначально температура её поверхности была очень высокой (4000 – 80000С). По мере её остывания образовались твёрдая поверхность (земная кора - литосфера). Атмосфера, первоначально состоявшая из лёгких газов (водород, гелий), не могла эффективно удерживаться недостаточно плотной Землёй, и эти газы заменялись более тяжёлыми: водяным паром, углекислым газом, аммиаком и метаном. Когда температура Земли опустилась ниже 1000C, водяной пар начал конденсироваться, образуя мировой океан. В это время, в соответствии с представлениями А. И. Опарина, состоялся абиогенный синтез, то есть в первоначальных земных океанах, насыщенных разными простыми химическими соединениями, «в первичном бульоне» под влиянием вулканического тепла, разрядов молний, интенсивной ультрафиолетовой радиации и других факторов среды начался синтез более сложных органических соединений, а затем и биополимеров. Образованию органических веществ способствовало отсутствие живых организмов – потребителей органики – и главного…окислителя…–…кислорода. Сложные молекулы аминокислот случайно объединялись в пептиды, которые, в свою очередь, создали первоначальные белки. Из этих белков синтезировались первичные живые существа микроскопических размеров.

Наиболее сложной проблемой в современной теории эволюции является превращение сложных органических веществ в простые живые организмы. Опарин полагал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежит белкам. По-видимому, белковые молекулы, притягивая молекулы воды, образовывали коллоидные гидрофильные комплексы. Дальнейшее слияние таких комплексов друг с другом приводило к отделению коллоидов от водной среды (коацервация). На границе между коацерватом (от лат. coacervus – сгусток, куча) и средой выстраивались молекулы липидов – примитивная клеточная мембрана. Предполагается, что коллоиды могли обмениваться молекулами с окружающей средой (прообраз гетеротрофного питания) и накапливать определённые вещества. Ещё один тип молекул обеспечивал способность к самовоспроизведению.

Система взглядов А. И. Опарина получила название «коацерватная гипотеза».

Теория была обоснована, кроме одной проблемы, на которую долго закрывали глаза почти все специалисты в области происхождения жизни. Если спонтанно, путем случайных безматричных синтезов в коацервате возникали единичные удачные конструкции белковых молекул (например, эффективные катализаторы, обеспечивающие преимущество данному коацервату в росте и размножении), то как они могли копироваться для распространения внутри коацервата, а тем более для передачи коацерватам-потомкам? Теория оказалась неспособной предложить решение проблемы точного воспроизведения - внутри коацервата и в поколениях - единичных, случайно появившихся эффективных белковых структур.

Статьи и публикации:

Систематическое положение, образ жизни, внешнее и внутреннее строение тела, размножение и развитие паука-крестовика
Паук-крестовик является одним из самых крупных представителей у паукообразных. Эти пауки распространены по всему миру. Свое имя он получил благодаря характерному кресту на задней части тела. Окраска паука-крестовика часто приспособлена к...

Становление и развитие эволюционных идей
Эволюция означает постепенный, закономерный переход от одного состояния в другое. Под биологической эволюцией понимают изменение популяций растений и животных в ряду поколений, направляемое естественным отбором. В течение многих миллионов...

Легкие
Легкие – парный орган. Расположены они в грудной полости, по обе стороны от средостения, в котором расположены: сердце с крупными сосудами, вилочковая железа, трахея, начальные отделы главных бронхов, пищевод, аорта, грудной проток, лимфа...

Вопрос 1. Перечислите основные положения гипотезы А. И. Опарина.

В современных условиях возникнове­ние живых существ из неживой природы невозможно. Абиогенное (т. е. без участия живых организмов) возникновение живой материи возможно было только в услови­ях древней атмосферы и отсутствия жи­вых
организмов. В состав древней атмо­сферы входили метан, аммиак, углекис­лый газ, водород, пары воды и другие неорганические соединения. Под действи­ем мощных электрических разрядов, ультрафиолетового излучения и высокой радиации из этих веществ могли возни­кать органические соединения, которые накапливались в океане, образуя «пер­вичный бульон».
В «первичном бульоне» из биополи­меров образовывались многомолекуляр­ные комплексы — коацерваты. В коацерватные капли из внешней среды попадали ионы металлов, выступавшие в качестве первых катализаторов. Из огромного количества химических соединений, при­сутствовавших в «первичном бульоне», отбирались наиболее эффективные в ката­литическом отношении комбинации мо­лекул, что в конечном счете привело к появлению ферментов. На границе между коацерватами и внешней средой выстра­ивались молекулы липидов, что приводи­ло к образованию примитивной клеточ­ной мембраны.

На определенном этапе белковые пробионты включили в себя нуклеиновые кислоты, создав единые комплексы, что привело к возникновению таких свойств живого, как самовоспроизведение, сохра­нение наследственной информации и ее передача последующим поколениям.
Пробионты, у которых обмен веществ сочетался со способностью к самовос­произведению, можно уже рассматривать как примитивные проклетки, дальнейшее развитие которых происходило по зако­нам эволюции живой материи.

Вопрос 2. Какие экспериментальные доказа­тельства можно привести в пользу данной гипо­тезы?

В 1953 г. эта гипотеза А. И. Опарина была экспериментально подтверждена опытами американского ученого С. Мил­лера. В созданной им установке были смоделированы условия, предположительно существовавшие в первичной атмосфере Земли. В результате опытов были получе­ны аминокислоты. Сходные опыты много­кратно повторялись в различных лабора­ториях и позволили доказать принципи­альную возможность синтеза в таких условиях практически всех мономеров основных биополимеров. В дальнейшем было установлено, что при определенных условиях из мономеров возможен синтез более сложных органических биополиме­ров: полипептидов, полинуклеотидов, по­лисахаридов и липидов.

Вопрос 3. В чем отличия гипотезы А. И. Опа­рина от гипотезы Дж. Холдейна?

Дж. Холдейн также выдвинул гипотезу абиогенного зарождения жизни, но, в от­личие от А. И. Опарина, он отдавал пер­венство не белкам — коацерватным систе­мам, способным к обмену веществ, а нук­леиновым кислотам, т. е. макромолекулярным системам, способным к самовоспроизводству.

Вопрос 4. Какие доводы приводят оппоненты, критикуя гипотезу А. И. Опарина?

К сожалению, в рамках гипотезы

А. И. Опарина (да и Дж. Холдейна тоже) не удается объяснить главную проблему: как произошел качественный скачок от неживого к живому.

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

Первый этап , согласно этой теории, состоял в образовании органи-ческих веществ из неорганических. Реальность этого этапа экспери-ментально подтвердили американские учёные С. Миллер (1930—2007) и Г. Юри (1893—1981) в 1953 г. Воздействуя электрическими заря-дами на вещества, характерные для ранней атмосферы Земли, они по-лучили целую смесь из нескольких десятков органических соедине-ний — органических кислот (в том числе аминокислот), азотистых оснований, углеводов и др. Ещё активней стимулировало синтез орга-нических веществ из неорганических ультрафиолетовое излучение. В результате Мировой океан ранней Земли стал представлять собой «первичный бульон», т. е. раствор органических веществ в воде. Одна-ко сами эти вещества — ещё не жизнь. Её химическую основу, напом-ним, составляют биополимеры — белки, нуклеиновые кислоты, поли-сахариды и их производные, которые слагаются из аминокислот, ну-клеотидов 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 являют-ся продуктами такого процесса.

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 концентри-роваться органические вещества, в них быстрее идут реакции и обмен веществ с окружающей средой. Они способны даже делиться, как бак-терии. Экспериментально это предположение Опарина было подтверж-дено американским исследователем С. Фоксом (1912—1998), который назвал эти капельки микросферами. Материал с сайта

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 свой-ства наследственности и даже естественного отбора, потому что выжи-вали более приспособленные и усовершенствованные из них. В резуль-тате 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 чело-века на левую (рис. 79), т. е. являются зер-кальными отражениями друг друга. Их так и назвали — правыми и левыми. Аминокисло-ты, из которых состоят белки земных орга-низмов, всегда левые, а углеводы (рибоза и дезоксирибоза), входящие в состав нуклеиновых кислот, всегда правые. Экспериментально доказано, что коацерваты-микросферы из асимме-тричных биополимеров росли быстрее симметричных и вытесняли их. Однако, как подчеркнул А. Эйнштейн, то, что аминокислоты у нас ле-вые, а углеводы правые, можно объяснить простой случайностью.

Нетрудно заметить, что предположение о первых этапах возникно-вения жизни на Земле, по теории Опарина, доказано эксперименталь-но, а вот последний этап носит гипотетический характер. На заключи-тельном этапе возник биосинтез белка — процесс, который характерен даже для самых примитивных микроорганизмов. Механизм его не ме-нялся за всю историю Земли.

На этой странице материал по темам:

• Примеры необратимых и обратимых процессов из разных областей естествознания

• О докладе опарина о возникновении жизни на земле кратко

• Как организованы белки полисахариды с ьочки зрения асиметрии

• Теория академика опарина. кратко

• Теория опарина доклад кратко

Вопросы по этому материалу:

31-Мар-2015 | Нет комментариев | Лолита Окольнова

«Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ, с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка».

Биологию, как науку о жизни, волнуют вопросы, связанные с зарождением и развитием жизни. На вопросы, касающиеся развития , нам дает ответы .

А вот возникновение жизни – это явление, находящиеся вне компетенции , важно это понимать.

Понимать, что эволюция изучает развитие жизни, а не ее возникновение.

На сегодняшний день известны разнообразные идеи о возникновении жизни. Заметим, именно «идеи», а не теории. Так как не все идеи научны и имеют право называться теориями.

Есть, например, гипотеза стационарного состояния жизни .

Согласно ей, жизнь на земле никогда не возникала , а существовала вечно , то есть она находится в так называемом стационарном состоянии.

Почему эта гипотеза является несостоятельной? В настоящее время наука установила: планета земля не существовала вечно, она образовалась четыре с половиной миллиарда лет назад. Следовательно, жизнь не могла существовать всегда на объекте, который существовал не всегда. О какой стационарности здесь может идти речь?

Эта нестыковка устраняется теорией панспермии .

Немецкий ученый Герман Рихтер в середине девятнадцатого века предположил, что микроскопические споры организмов, впоследствии давшее начало всей жизни, были занесены на землю с других небесных тел вместе с метеоритами.

Подразумевается, что жизни переходит с одной планеты на другую. Но главный вопрос, откуда и как она возникла, остается открытым. И факт того, что в соответствии с современными научными представлениями, вселенная тоже не существовала всегда, а возникла в результате большого взрыва, не позволяет сделать допущение о том, что и жизнь не существовала всегда (а это подразумевается в рамках теории панспермии).

Интересный факт — теории панспермии придерживался академик

Некогда существовало учение, согласно которому живые клетки (и даже целые организмы) постоянно образуются из неживой материи: учение о самозарождении жизни . Например, из пшеницы и грязи «создаются» мыши; из гниющего мяса – опарыши и так далее.

Сейчас нам понятно, что мыши и опарыши не создавались из неживого материала.

Проводили опыт: мясо закрывали марлей. В этом случае мухи не имели доступа к нему, следовательно, не могла отложить яйца: опарыши не появлялись.

По идее самозарождения нанес серьезный удар эксперимент.

Люди заметили, что мясной бульон, если его оставить на воздухе закиснет. А если его прокипятить и не допускать контакта с воздухом, то закисать не будет. Но даже кипяченый бульон скиснет на воздухе. Приверженцы идеи самозарождения утверждали, что кипячение лишает питательную среду некой «жизненной энергии». В герметичном сосуде бульон не скисает, потому что жизненной энергии неоткуда поступить. А в не герметичном закисает, так как жизненная энергия, содержащаяся в воздухе, проникает в питательную среду. И там зарождается жизнь.

Пастер поместил в колбу с S-образным горлышком стерильную питательную среду, воздух с нее спокойно проникал. Но так как споры микроорганизмов оседали в изгибе и не достигали питательной среды, бульон не скисал. Стоило отломать S-образное горлышко, как бульон начинал закисать.

Это доказывало, что микроорганизмы, вызывающие закисание бульона развиваются не из питательной среды, а из спор, занесенных в эту среду.

То есть жизнь не возникает из неживого, а заносится .

Учение , согласно которому живые организмы обладают некой особой «жизненной силой», «жизненной энергией» называется витализм . От латинского vitalis – жизненный. От этого же корня образован термин .

С развитием науки с накоплением биологических знаний учение о постоянном самозарождении жизни было отвергнуто.

Это отразилось в дополнении Вирхова к : «omnis cellula ex cellula».

Это истолковывается: «каждая клетка развивается только из материнской клетки «.

Становилось все отчетливее ясно, что жизнь – это очень сложная система . Она не может вот так в мгновение ока возникнуть из мертвой материи. Но то, что это однажды произошло, очевидно. Тогда в умах ученых созрело представление о том, что подобно тому, как из примитивных за миллиарды лет эволюции смогли сформироваться сложные многоклеточные организмы, как мы, могли и органические молекулы при определенных условиях дать начало клетке.

Это вполне логичная мысль, только развиться сразу ей не давали много «но» и «если». Это и то, что до поры до времени научное сообщество было очень религиозным, что, понятное дело, накладывает некоторые ограничения на свободомыслие в таких областях знания, как изучение возникновения жизни, ее развития и так далее. Это и мнение о том, что органические молекулы могут рождаться только живых организмах, некогда существовавшие и впоследствии опровергнуто методом эксперимента.

Возникновение жизни из неживой материи называется абиогенез .

Мы постепенно подходим к современным представлениям.

В первой половине двадцатого века независимо друг от друга к одинаковым выводам пришли советский ученый Александр Иванович Опарин и английский биолог Джон Бердон Сандерсон Холдейн .

Что потом вошло в историю, как теория абиотического возникновения жизни Опарина – Холдейна .

Изложение теории: атмосфера молодой земли была образована аммиаком, угарным газом, метаном, водородом и парами воды. Под действием ультрафиолетового излучения, молний, высоких температур из этого набора веществ образовывались органические вещества: , нуклеотиды, азотистые основания и так далее.

Кажется невероятным этот процесс? Таким же он показался американским ученым Стэнли Миллеру и Гарольду Юри .

Они провели эксперимент.

Смесь газов, которая, вероятно, была близка по составу с атмосферой молодой земли пропускали через сосуд, внутри которого были помещены два электрода, между которыми возникали электрические разряды (имитируются молнии на молодой земле). После конденсации водяного пара, полученная жидкость вновь кипятилась, и пар снова пропускался через этот сосуд. Получился цикл. После нескольких дней работы этой циклической системы, жидкость из нее содержала сложные органические вещества.

Эксперимент Миллера – Юри стал важным практическим подтверждением возможности появления сложных органических веществ из неорганики .

Продолжительное время на молодой земле накапливались сложные органические вещества. Поверхность земли покрывал океан, в котором растворялись образовывавшиеся органические вещества.
Далее, согласно теории Опарина – Холдейна , находившиеся в коллоидном растворе органические вещества усложнялись и начали образовывать сгустки, как мелкие капельки ртути на ровной поверхности сливаются и образуют одну большую каплю, это характерно для таких соединений, что были растворены в океане молодой земли.

Этот коллоидный раствор называется первичный бульон , такое название дал ему профессор Опарин. А сгустки органических веществ, образовывавшиеся в первичном бульоне, он назвал коацерватными каплями (или просто коацерватами) .

Они имели четкую структуру: отчетливое разграничение внешней среды и внутреннего содержимого. Имели мембрану (что-то вроде ).

Этот процесс преобразования и усложнения органики носит название биохимической эволюции .

В результате нее коацерваты превратились в протобионты . Эти тела, имевшие более сложную структуру, нежели коацерваты, можно рассматривать как прародители живых клеток.

Протобионты, возможно, уже имели способность к самовоспроизведению и примитивной регуляции обмена веществ с внешней средой.

Примерно три миллиарда лет назад из протобионтов появилась настоящая жизнь – первые .

Биохимическая эволюция постепенно переросла в биологическую .

Этапы возникновения жизни по Опарину – Холдейну:

1. Появление органических веществ.
2. Усложнение органических веществ.
3. Появление белков.
4. Появление белковых тел.
5. Возникновение способности белковых тел к размножению и обмену веществ.
6. Появление первых клеток.

Согласно теории Опарина – Холдейна начальным этапом абиогенеза было образование белков, но непонятно как эти белки образовывались без и ферментов.

В двадцать первом веке обрела популярность теория РНК-мира , согласно которой первичными биополимерами были не белки, а РНК-подобные молекулы, имевшие способность к саморепликации.

В целом теорию Опарина – Холдейна нельзя назвать в корне ошибочной. Скорее следует считать ее положения устаревшими.

Теория РНК-мира внесла большей ясности в понимании вопросов возникновения жизни.

Основные идеи теории Опарина – Холдейна: возникновение органических веществ из неорганических под действием погодных условий молодой земли, биохимическая эволюция, – остаются актуальными по сей день.

По всей видимости, мы в ожидании более совершенной теории. Она ответит на вопросы, на которые не могут ответить теории Опарина – Холдейна и РНК-мира.

А пока достаточно белых пятен и вопрос об абиогенезе остается открытом.

Интересный факт : во времена лысенковщены многие лженаучные ошибочные идеи обрели второе дыхание (правда, искусственное). Например, одна из соратниц Трофима Лысенко по уничтожению советской биологии – Ольга Борисовна Лепешинская всерьез утверждала, что клетки ткани человеческого организма способны к самозарождению из межклеточного вещества.

Нужно знать (то есть не наизусть учить определения, а понимать о чем идет речь) следующие термины:

• коацерватные капли,
• первичный бульон,
• абиогенез,
• теория Опарина – Холдейна,
• помнить опыт Пастера,
• знать, чем Опарин заслужил место в школьном курсе биологии.

Задание С1:

что представляют собой полученные в лаборатории коацерваты.

Ответ: коацерваты содержат низкомолекулярные органические вещества: мочевину, аминокислоты и т. д., которые при высокой концентрации могут соединяться и образовывать более сложные органические вещества.

"Введение в общую биологию и экологию. 9 класс". А.А. Каменский (гдз)

Гипотеза Опарина-Холдейна. Экспериментальные доказательства абиогенного происхождения жизни

Вопрос 1. Основные положения гипотезы Опарина-Холдейна
Согласно теории возникновения жизни на Земле, созданной А.И. Опариным и Дж. Холдейном в 1924-1927 гг., живые тела возникли из веществ неорганической природы в три этапа:
1. На первом этапе происходило образование органических веществ из неорганических. В современных условиях возникновение живых существ из неживой природы невозможно. Абиогенное (т. е. без участия живых организмов) возникновение живой материи возможно было только в условиях древней атмосферы и отсутствия живых организмов. В состав древней атмосферы входили метан, аммиак, углекислый газ, водород, пары воды и другие неорганические соединения. Под действием мощных электрических разрядов, ультра-фиолетового излучения и высокой радиации из этих веществ могли возникать органические соединения, которые накапливались в океане, образуя «первичный бульон».
2. На втором этапе - образование из простых органических соединений в водах первичного океана белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. В «первичном бульоне» из биополимеров образовывались многомолекулярные комплексы - коацерваты. В коацерватные капли из внешней среды попадали ионы металлов, выступавшие в качестве первых катализаторов. Из огромного количества химических соединений, присутствовавших в «первичном бульоне», отбирались наиболее эффективные в каталитическом отношении комбинации молекул, что, в конечном счете, привело к появлению ферментов. На границе между коацерватами и внешней средой выстраивались молекулы липидов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны.
3. Третий этап - это этап развития жизни. На этом этапе коацерваты (лат. coacervo - собираю, скапливаю), то есть коллоидные капли, в которых концентрация веществ была выше, чем в окружающем растворе, начали укрупняться и взаимодействовать друг с другом и с другими веществами. В результате взаимодействия коацерватов с нуклеиновыми кислотами образовались способные к самовоспроизведению протобионты (белковые частицы, которые включали в себя нуклеиновые кислоты), что привело к возникновению самовоспроизведения, сохранение наследственной информации и передача её последующим поколениям; с этого момента начался период органической эволюции. Следует подчеркнуть, что живые организмы - это открытые способные к самовоспроизведению системы, в которые энергия поступает извне. В связи с этим очевидно, что первые живые организмы были гетеротрофами, получавшими энергию за счет анаэробного расщепления органических соединений. Возникновение современной атмосферы прямо Связано с появлением и развитием автотрофных организмов и фотосинтеза. С момента возникновения жизни появилась и связь между биологическими, геологическими и геохимическими процессами, которые изучает созданная академиком В.И. Вернадским Наука «биогеохимия».

Вопрос 2. Какие экспериментальные доказательства можно привести в пользу данной гипотезы?
В 1953 г. эта гипотеза А. И. Опарина была экспериментально подтверждена опытами американского ученого С. Миллера (за экспериментальное получение аминокислот ему была присуждена Нобелевская премия по химии) . В созданной им установке были смоделированы условия, предположительно существовавшие в первичной атмосфере Земли. В результате опытов были получены аминокислоты. Сходные опыты многократно повторялись в различных лабораториях и позволили доказать принципиальную возможность синтеза в таких условиях практически всех мономеров основных биополимеров. В дальнейшем было установлено, что при определенных условиях из мономеров возможен синтез более сложных органических биополимеров: полипептидов, полинуклеотидов, полисахаридов и липидов. Опариным было впервые проведено Исследование химических реакций, которые могли бы вызвать без участия живых организмов образование углеводов, жиров и аминокислот, было проведено Опариным и продолжено Кальвином и др. Хотя, получение органических веществ было проведено значительно раньше, чем Опариным и его приверженцами (Вёлер синтезировал мочевину в 1828 году, Кольбе синтезировал уксусную кислоту в 1845 году, Бертло синтезировал жир в 1854 году, Бутлеров получил сахаристое вещество в 1861 году), но никто из этих учёных не проводил эксперименты в условиях, по аналогии сходных с теми, которые существовали в исторические времена на Земле (атмосфера без О2, сильное ультрафиолетовое излучение, гигантские электрические разряды).

Вопрос 3. В чем отличия гипотезы А. И. Опарина от гипотезы Дж. Холдейна?
Дж. Холдейн также выдвинул гипотезу абиогенного зарождения жизни, но, в отличие от А. И. Опарина, он отдавал первенство не белкам - коацерватным системам, способным к обмену веществ, а нуклеиновым кислотам, т. е. макромолекулярным системам, способным к самовоспроизводству.

Вопрос 4. Какие доводы приводят оппоненты, критикуя гипотезу А. И. Опарина?
Гипотеза А. И. Опарина по сути своей не объясняет механизма качественного скачка от неживого к живому.