Теория Опарина-Холдейна: суть, описание эволюционных процессов в лаборатории, эволюция первых клеток

Гипотеза Опарина-Холдейна

Суть теории Опарина-Холдейна

Постараемся сформулировать теорию Опарина кратко.

Биохимическая гипотеза возникновения жизни появилась в 20-е годы благодаря стараниям двух ученых: русского ученого О. Опарина и английского ученого Д. Холдейна. Они сформулировали эту гипотезу независимо друг от друга.

По их мнению, изначально атмосфера Земли была не такой, каковой она является сейчас. К главным особенностям ранней атмосферы относят наличие восстановительных процессов и отсутствие свободного кислорода.

Такие условия и действие мощных электрических зарядов в виде молний, а также солнечного излучения способствовали образованию простых органических соединений (моносахариды, нуклеотиды, аминокислоты и небольшие цепочки из аминокислот) из неорганических веществ вроде водорода, азота, водяного пара, углекислого газа и метана.

Сегодня биохимическая гипотеза Опарина считается основой эволюционной теории органического мира. Суть этой гипотезы заключается в том, что простые неорганические соединения (водорода, карбидов, аморфного углерода, окислов горных пород) дали начало первичным органическим веществам — предположительно, углеводородам.

Радиация, а также газовые разряды, высокая температура и химические реакции стали причиной образования соединений, похожих на такие биологические соединения как:

• липиды;
• аминокислоты;
• нуклеиновые кислоты и др.

Накапливание таких соединений происходило и в земной атмосфере, и в океане. В воде молекулы этих соединений объединялись и строили комплексы — в результате получались своеобразные сгустки: коацерватные капли или коацерваты.

Входящие в состав коацерватом молекулы обладали гидрофильными и гидрофобными свойствами. За счет этого коацерваты получили возможность избирательно адсорбировать вещества из окружающей среды и обзаводиться определенной структурой. Другими словами, между коацерватами и средой формировался своего рода обмен веществ.

На границе внешней среды и коацервата скапливались молекулы липидов — это стало причиной образования примитивной клеточной мембраны.

С ростом коацерваты распадались на капли помельче. Это напоминало процесс размножения, так как коацерваты помельче тоже получали возможность избирательной адсорбции.

Эволюционные процессы в лабораторных условиях

Некоторые из процессов, которые описал О. Опарин в теории, ученые воссоздали в лаборатории. К примеру, моделированием условий, существовавших на первобытной Земле, занимался в 1953 году Стэнли Мишерон. Он создал прибор, в котором произвел синтез аминокислот, спиртов, сахаров, альдегидов и т. д. под воздействием электрических разрядов смеси метана, водорода, аммиака и паров воды.

Рядом российских ученых в числе А. П. Терентьева, Т. Е. Павловской было установлено, что при воздействии ультрафиолетового излучения происходит ускорение синтеза сложных органических соединений. Проведение таких экспериментов послужило основой для создания лабораторного метода синтеза РНК.

Это стало важным событием в науке, так как полинуклеотиды теперь получили возможность давать качественно новую химическую реакцию — а именно, матричный синтез или самоудвоение. Так теория Опарина-Холдейна получила научное признание.

Тем не менее некоторые вопросы остались без ответа. В частности, возникновение механизма, при помощи которого РНК направляет синтезом белков, возникновение ДНК и способность живой системы к самовоспроизведению.

Появление первых клеток и их эволюция

Последовательность событий не могла не привести к появлению первых клеток, которые представляли собой примитивные прокариотические гетеротрофные организмы — они питались органическими веществами так называемого «первичного бульона». Это случилось примерно 3-3,5 млрд. лет назад. Питание и размножение первых организмов было связано с истощением запасов пищи в океане.

Есть предположение, что большое количество сложных органических веществ было создано в процессе биохимической эволюции. Отдельные вещества проявили способность к фотохимическим реакциям.

С включением этих веществ в уже существующие клетки дало возможность для осуществления фотохимических реакций, в ходе которых синтезировались новые клеточные материалы. Таким образом, отдельные клетки стали автотрофными. С появлением автротрофов обострило конкуренцию гетеротрофов за пищу.

Распространение фотосинтезирующих организмов привело к увеличению в атмосфере и океане количества кислорода. А в результате ионизации кислорода образовался озоновый слой атмосферы — это повлияло на снижение интенсивности ультрафиолетовой радиации, которая достигала Земли.

Произошло снижение синтеза сложных органических веществ и, соответственно, снижение числа гетеротрофов. В то время как автотрофы приобрели устойчивость в процветании.

До этого мир представлял собой преобладание анаэробных прокариотических организмов. Теперь же, когда повсюду присутствовал кислород, такие организмы оказались в невыгодных условиях (для естественного отбора). Повсеместно существовали организмы, использующие аэробное окисление молекул пищи.

Все описанное выше — современное представление о возникновении клеток эукариотического типа. Главной особенностью таких клеток стало то, что, в отличие от прокариотических, у них уже было оформленное ядро с находящейся в нем большей частью клеточной ДНК.

Все это позволяет разделить современные одноклеточные и многоклеточные организмы на две большие группы:

1. Прокариоты. Это бактерии и сине-зеленые водоросли или цианобактерии.
2. Эукариоты. К ним относят зеленые растения (и все другие водоросли), грибы, животных.

Первые эукариоты появились примерно 3 млрд лет назад и до сегодня являются преобладающей формой организмов на нашей планете.