Из Википедии, свободной энциклопедии
  (Перенаправлено из гетеротрофной теории )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Первородный суп или суп с пребиотиками (также иногда называемый пребиотическим бульоном) - это гипотетический набор условий, существовавших на Земле около 4,0–3,7 млрд лет назад. Это фундаментальный аспект в гетеротрофных теории о происхождении жизни , первый предложенный Опарин в 1924 году, и Джон Бурдон Сандерсон Холдейн в 1929 году [1] [2]

Историческая справка [ править ]

Представление о том, что живые существа произошли из неодушевленных материалов, пришло от древних греков - теория, известная как самозарождение . Аристотель в 4 веке до нашей эры дал правильное объяснение, написав:

Так и в случае с животными одни происходят от животных-родителей в соответствии с их видом, в то время как другие растут спонтанно, а не из родственных семей; и из этих случаев самопроизвольного зарождения некоторые происходят из разлагающейся земли или растительной материи, как в случае с рядом насекомых, в то время как другие спонтанно возникают внутри животных из секретов их отдельных органов. [3]

-  Аристотель, Об истории животных , книга V, часть 1

Аристотель также утверждает, что не только животные произошли от других подобных животных, но и что живые существа возникают и всегда возникали из безжизненной материи. Его теория оставалась доминирующей идеей о происхождении жизни (помимо божества как причинного агента) от древних философов до мыслителей эпохи Возрождения в различных формах. [4] С рождением современной науки появились экспериментальные опровержения. Итальянский врач Франческо Реди в 1668 году продемонстрировал, что личинки развиваются из гнилого мяса только в банке, куда могут проникнуть мухи, но не в банке с закрытой крышкой. Он пришел к выводу, что: omne vivum ex vivo (Вся жизнь происходит из жизни). [5]

Эксперимент французского химика Луи Пастера в 1859 году считается смертельным ударом по самозарождению. Он экспериментально показал, что организмы (микробы) не могут расти в стерильной воде, если она не находится на воздухе. Этот эксперимент принес ему премию Альумберта в 1862 году Французской академией наук , и он пришел к выводу: «Доктрина самозарождения никогда не оправится от смертельного удара этого простого эксперимента». [6]

Эволюционные биологи полагали, что своего рода спонтанное зарождение, но отличное от простой доктрины Аристотеля, должно было работать для возникновения жизни. Французский биолог Жан-Батист де Ламарк предположил, что первая форма жизни возникла из неживых материалов. «Природа посредством тепла, света, электричества и влаги , - писал он в 1809 году в Philosophie Zoologique ( « Философия зоологии » ), - образует прямое или спонтанное зарождение на той оконечности каждого царства живых тел, где простейшие из них найдены тела ". [7]

Когда английский натуралист Чарльз Дарвин представил теорию естественного отбора в своей книге «Происхождение видов» в 1859 году, его сторонники, такие как немецкий зоолог Эрнст Геккель , раскритиковали его за то, что он не использовал свою теорию для объяснения происхождения жизни. Геккель писал в 1862 году: «Главный недостаток дарвиновской теории состоит в том, что она не проливает света на происхождение примитивного организма - вероятно, простой клетки - от которой произошли все остальные. Когда Дарвин совершает особый творческий акт для этого первого вида, он непоследователен и, как мне кажется, не совсем искренен ». [8]

Хотя Дарвин прямо не говорил о происхождении жизни в «Происхождении видов» , он все же упомянул « теплый маленький пруд » в письме Джозефу Далтону Хукеру от 1 февраля 1871 г .: [9]

Часто говорят, что сейчас имеются все условия для первого появления живого существа, которые могли когда-либо существовать. Но если бы (и о, какое большое «если») мы могли бы зачать ребенка в каком-нибудь теплом маленьком пруду со всевозможными аммиаком и фосфорными солями - светом, теплом, электричеством, - это химически образовалось белковое соединение, готовое претерпеть еще более сложные изменения , в настоящее время такая материя будет немедленно поглощена или поглощена, чего не было бы до образования живых существ [...].

-  Чарльз Дарвин, Письмо Джозефу Далтону Хукеру от 1 февраля 1871 г.

Гетеротрофная теория [ править ]

Последовательный научный аргумент был представлен советским биохимиком Александром Опариным в 1924 году. По словам Опарина, на поверхности примитивной Земли углерод, водород, водяной пар и аммиак вступили в реакцию с образованием первых органических соединений. Без ведома Опарина, чьи труды были распространены только на русском языке, английский ученый Джон Бердон Сандерсон Холдейн независимо пришел к аналогичному выводу в 1929 году. [10] [11] Именно Холдейн первым использовал термин « суп » для описания накопления органический материал и вода на первобытной Земле [2] [7]

Когда ультрафиолетовый свет воздействует на смесь воды, углекислого газа и аммиака, образуется огромное количество разнообразных органических веществ, включая сахара и, по-видимому, некоторые материалы, из которых строятся белки. [...] до зарождения жизни они должны были накапливаться, пока первобытные океаны не достигли консистенции горячего разбавленного супа.

-  Дж. Б. С. Холдейн, "Происхождение жизни"

Сегодня эта теория известна под разными названиями: гетеротрофная теория , теория гетеротрофного происхождения жизни или гипотеза Опарина-Холдейна . [12] Биохимик Роберт Шапиро резюмировал основные положения теории в ее «зрелой форме» следующим образом: [13] Согласно гетеротрофной теории, органические соединения были синтезированы на примитивной Земле в пребиотических условиях. Смесь таких соединений с водой в атмосфере первобытной Земли называется пребиотическим супом . Там зародилась жизнь, и первые формы жизни смогли использовать органические молекулы для выживания и воспроизводства.

  1. Ранняя Земля имела химически восстановительную атмосферу .
  2. Эта атмосфера, подвергающаяся воздействию энергии в различных формах, вырабатывала простые органические соединения (« мономеры »).
  3. Эти соединения накапливались в «супе», который мог быть сконцентрирован в различных местах (береговая линия, океанические жерла и т. Д.).
  4. В результате дальнейшего преобразования в супе появились более сложные органические полимеры и, в конечном итоге, жизнь.

Определения [ править ]

Важно различать пребиотические и абиотические процессы. В то время как абиотический процесс относится ко всему, что происходит без присутствия жизни, пребиотический процесс относится к чему-то, что происходит в атмосферных и химических условиях, которые были на примитивной Земле около 4,2 миллиарда лет назад, и что предшествовало возникновению жизни на Земле. планета.

Теория Опарина [ править ]

Опарин первым постулировал свою теорию на русском языке в 1924 году в небольшой брошюре под названием Proiskhozhdenie Zhizny ( Происхождение жизни ). [14]По словам Опарина, на поверхности примитивной Земли была густая раскаленная жидкость, состоящая из тяжелых элементов, таких как углерод (в форме карбида железа). Это ядро ​​было окружено легчайшими элементами, то есть газами, такими как водород. В присутствии водяного пара карбиды реагируют с водородом с образованием углеводородов. Такие углеводороды были первыми органическими молекулами. Затем они объединяются с кислородом и аммиаком с образованием гидрокси- и аминопроизводных, таких как углеводы и белки. Эти молекулы накапливались на поверхности океана, становясь гелеобразными веществами и увеличиваясь в размерах. Они дали начало примитивным организмам (клеткам), которые он назвал коацерватами . [7]В своей первоначальной теории Опарин считал кислород одним из первичных газов; таким образом, изначальная атмосфера была окислительной. Однако, когда он разработал свою теорию в 1936 году (в книге с тем же названием, переведенной на английский язык в 1938 году), [15] он изменил химический состав первичной среды на строго восстановительную, состоящую из метана, аммиака, свободного водорода. и водяной пар - исключая кислород. [12]

В своей работе 1936 года, пропитанной дарвиновской мыслью, предполагавшей медленную и постепенную эволюцию от простого к сложному, Опарин предложил гетеротрофное происхождение, результат длительного процесса химической и предбиологической эволюции, в котором должны были возникнуть первые формы жизни. были микроорганизмами, зависящими от молекул и органических веществ, присутствующих во внешней среде. [16] Эта внешняя среда была изначальным супом .

Идея гетеротрофного происхождения частично основывалась на универсальности ферментативных реакций, которые, по мнению Опарина, должны были впервые появиться в эволюции из-за своей простоты. Это противоречило широко принятой в то время идее о том, что появились первые организмы, наделенные автотрофным метаболизмом, который включал фотосинтетические пигменты, ферменты и способность синтезировать органические соединения из CO 2 и H 2 O; для Опарина было невозможно примирить оригинальные фотосинтетические организмы с идеями дарвиновской эволюции.

На основе подробного анализа геохимических и астрономических данных, известных на тот момент, Опарин также предложил примитивную атмосферу, лишенную O 2 и состоящую из CH 4 , NH 3 и H 2 O; В этих условиях указывалось, что зарождению жизни предшествовал период абиотического синтеза и последующего накопления различных органических соединений в морях первобытной Земли. [10] Это накопление привело к образованию изначального бульона, содержащего самые разные молекулы.

Там, по словам Опарина, особый тип коллоидов, коацерваты, образовался из-за конгломерации органических молекул и других полимеров с положительными и отрицательными зарядами. Опарин предположил, что первым живым существам предшествовали доклеточные структуры, подобные этим коацерватам, постепенная эволюция которых привела к появлению первых организмов. [10]

Подобно коацерватам, некоторые оригинальные идеи Опарина были переформулированы и заменены; это включает, например, восстановительный характер атмосферы на примитивной Земле, коацерваты как доклеточную модель и примитивную природу гликолиза. Таким же образом мы теперь понимаем, что постепенные процессы не обязательно являются медленными, и мы даже знаем, благодаря летописи окаменелостей, что происхождение и ранняя эволюция жизни произошли за короткие геологические промежутки времени.

Однако общий подход теории Опарина имел большое значение для биологии, поскольку его работа позволила преобразовать изучение происхождения жизни из чисто умозрительной области в структурированную и широкую исследовательскую программу. [16] Таким образом, со второй половины двадцатого века теория Опарина о происхождении и ранней эволюции жизни претерпела реструктуризацию, которая учитывает экспериментальные данные молекулярной биологии, а также теоретический вклад эволюционной биологии.

Точка совпадения этих двух ветвей биологии, которая была полностью включена в теорию гетеротрофного происхождения, находится в гипотезе мира РНК .

Теория Холдейна [ править ]

Дж. Б. С. Холдейн независимо постулировал свою изначальную теорию супа в 1929 году в восьмистраничной статье «Происхождение жизни» в The Rationalist Annual . [7] Согласно Холдейну, примитивная атмосфера Земли существенно восстанавливалась, с низким содержанием кислорода или без него. Ультрафиолетовые лучи Солнца вызывали реакции со смесью воды, углекислого газа и аммиака. Были синтезированы органические вещества, такие как сахара и белковые компоненты ( аминокислоты ). Эти молекулы «накапливались, пока первобытные океаны не достигли консистенции горячего разбавленного супа». Из этого супа были созданы первые воспроизводящие вещи. [17]

Что касается приоритета над теорией, Холдейн согласился с тем, что Опарин был первым, сказав: «Я почти не сомневаюсь, что профессор Опарин имеет приоритет над мной». [18]

Образование мономера [ править ]

Основная статья: эксперимент Миллера-Юри

Один из наиболее важных экспериментальных подтверждений теории «супа» появился в 1953 году. Аспирант Стэнли Миллер и его профессор Гарольд Ури провели эксперимент, который продемонстрировал, как органические молекулы могли спонтанно образовываться из неорганических предшественников при условиях условия, подобные тем, которые сформулированы в гипотезе Опарина-Холдейна. В знаменитом « эксперименте Миллера-Юри » использовалась сильно восстановленная смесь газов - метана , аммиака и водорода - для образования основных органических мономеров , таких как аминокислоты . [19]Это предоставило прямую экспериментальную поддержку второму пункту теории «супа», и это один из двух оставшихся пунктов теории, на которых сейчас сосредоточена большая часть дебатов.

Помимо эксперимента Миллера-Юри, следующим наиболее важным шагом в исследовании пребиотического органического синтеза была демонстрация Джоаном Оро того, что пуриновое основание нуклеиновой кислоты, аденин, образуется при нагревании водных растворов цианида аммония . [20] В поддержку абиогенеза в эвтектическом льду более поздняя работа продемонстрировала образование s- триазинов (альтернативные азотистые основания ), пиримидинов (включая цитозин и урацил) и аденина из растворов мочевины, подвергнутых циклам замораживания-оттаивания в восстановительной атмосфере ( с искровыми разрядами в качестве источника энергии). [21]

Дальнейшее преобразование [ править ]

Самопроизвольное образование сложных полимеров из мономеров, генерируемых абиотически, в условиях, предусмотренных теорией «супа», - это отнюдь не простой процесс. Помимо необходимых основных органических мономеров, во время экспериментов Миллера-Юри и Оро в высоких концентрациях были образованы соединения, которые препятствовали бы образованию полимеров. [ необходима цитата ] Эксперимент Миллера, например, дает множество веществ, которые вступают в перекрестные реакции с аминокислотами или обрывают пептидную цепь. [ необходима цитата ]

См. Также [ править ]

  • Гетеротрофная теория
  • Первозданное море
  • Первозданный бутерброд
  • Общий спуск
  • Энтропия и жизнь

Ссылки [ править ]

  1. ^ Опарин, Александр. «Происхождение жизни» (PDF) .
  2. ^ a b Холдейн, Джон Б.С. "Происхождение жизни" (PDF) .
  3. ^ Аристотель (1910) [ок. 343 г. до н.э.]. "Книга V" . История животных . перевод Д'Арси Вентворта Томпсона. Оксфорд: Clarendon Press. ISBN 90-6186-973-0. Проверено 20 декабря 2008 .
  4. ↑ Бен-Менахем, Ари (2009). «Спонтанное поколение». Историческая энциклопедия естественных и математических наук (1-е изд.). Берлин: Springer. С. 270–280. ISBN 978-3-540-68834-1.
  5. ^ Gottdenker, P. (1979). «Франческо Реди и эксперименты с мухами». Вестник истории медицины . 53 (4): 575–592. PMID 397843 . 
  6. ^ Шварц, М. (2001). «Жизнь и творчество Луи Пастера» . Журнал прикладной микробиологии . 91 (4): 597–601. DOI : 10.1046 / j.1365-2672.2001.01495.x . PMID 11576293 . S2CID 39020116 .  
  7. ^ а б в г Ласкано, А. (2010). «Историческое развитие исследований происхождения» . Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии . 2 (11): а002089. DOI : 10.1101 / cshperspect.a002089 . PMC 2964185 . PMID 20534710 .  
  8. ^ Лош, Андреас (2017). Что такое жизнь? На Земле и за ее пределами . Кембридж (Великобритания): Издательство Кембриджского университета. п. 79. ISBN 978-1-107-17589-1.
  9. ^ Перето, Хули; Bada, Джеффри Л .; Ласкано, Антонио (2009). «Чарльз Дарвин и происхождение жизни» . Истоки жизни и эволюция биосфер . 39 (5): 395–406. DOI : 10.1007 / s11084-009-9172-7 . PMC 2745620 . PMID 19633921 .  
  10. ^ a b c Опарин, Александр. «Происхождение жизни» (PDF) .
  11. ^ Холдейн, Джон Б.С. "Происхождение жизни" (PDF) .
  12. ^ а б Фрай, Ирис (2006). «Истоки исследования истоков жизни». Стремление . 30 (1): 24–28. DOI : 10.1016 / j.endeavour.2005.12.002 . PMID 16469383 . 
  13. ^ Шапиро, Роберт (1987). Происхождение: Руководство скептика по созданию жизни на Земле . Bantam Books. п. 110 . ISBN 0-671-45939-2.
  14. ↑ Опарин, Александр Иванович (1924). "Происхождение жизни" [Происхождение жизни]. В Бернале, Джон Десмонд (ред.). Происхождение жизни . Всемирная естественная история. Перевод Synge, Ann. Лондон: World Pub. Co. (опубликовано в 1967 г.). С. 197–234 . Проверено 15 августа 2017 .
  15. ↑ Опарин, Александр (1938). Происхождение жизни . Нью-Йорк: Макмиллан.
  16. ^ a b Ласкано, Антонио (01.11.2010). «Историческое развитие исследований происхождения» . Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии . 2 (11): а002089. DOI : 10.1101 / cshperspect.a002089 . ISSN 1943-0264 . PMC 2964185 . PMID 20534710 .   
  17. ^ Холдейн, JBS (1929). «Происхождение жизни» . The Rationalist Annual . 148 : 3–10.
  18. ^ Миллер, Стэнли Л .; Шопф, Дж. Уильям; Ласкано, Антонио (1997). «Опарина "Происхождение жизни : Шестьдесят лет спустя". Журнал молекулярной эволюции . 44 (4):. 351-353 Bibcode : 1997JMolE..44..351M . Дои : 10.1007 / PL00006153 . PMID 9089073 . S2CID 40090531 .  
  19. ^ Миллер, Стэнли Л. (1953). «Производство аминокислот в возможных условиях примитивной земли» . Наука . 117 (3046): 528–9. Bibcode : 1953Sci ... 117..528M . DOI : 10.1126 / science.117.3046.528 . PMID 13056598 . S2CID 38897285 .  
  20. ^ ORO, J. (1961). «Механизм синтеза аденина из цианистого водорода в возможных примитивных земных условиях». Природа . 191 (4794): 1193–4. Bibcode : 1961Natur.191.1193O . DOI : 10.1038 / 1911193a0 . PMID 13731264 . S2CID 4276712 .  
  21. ^ Menor-Salvan C, Ruiz-Бермехо Д.М., Гусман М.И., Osuna-Эстебан S, Veintemillas-Verdaguer S (2007). «Синтез пиримидинов и триазинов во льду: значение для пребиотической химии азотистых оснований». Химия . 15 (17): 4411–8. DOI : 10.1002 / chem.200802656 . PMID 19288488 .