Что такое абиогенные процессы

Что такое абиогенез? Сущность гипотезы, сторонники концепции и эксперименты

В этой статье дается определение термина “абиогенез” и рассматриваются доказательства, подтверждающие эту теорию. Мы также обсудим раннюю Землю и возможности для зарождения первой жизни на планете с чисто научной точки зрения.

Определение

Как возникла жизнь на Земле? Когда все началось? Эти вопросы оставались загадкой на протяжении тысячелетий человеческой истории. Мы знаем, что возраст Земли составляет около 4,5 миллиардов лет, и что первые бактерии уже обитали на нашей планет более 3,5 миллиард лет назад. Теория эволюции дает нам объяснение того, как жизнь началась с одноклеточных бактерий и распространилась на миллионы видов животных, растений, грибов и бактерий. Но откуда взялась первая живая клетка?

Абиогенез — это научная теория, утверждающая, что жизнь на Земле появилась спонтанным естественным путем благодаря существующим в то время условиям. Другими словами, живая материя возникла из неживой.

Абиогенез предполагает, что первые созданные формы жизни были очень примитивными и постепенно становились все более сложными. Биогенезу, в котором жизнь возникает в результате воспроизводства другой жизни, предположительно предшествовал абиогенез, который стал невозможным, когда атмосфера Земли приняла свой нынешний состав.

Ранняя Земля

Представьте себе безжизненную Землю: постоянные извержения вулканов, мощные грозы, кипящие океаны, частые землетрясения и атмосфера с высоким уровнем токсичных газов.

Так как же и почему возникла жизнь в этих условиях? Эта тема интересовала многих ученых, которые хотели найти достоверный ответ на столь важный вопрос.

Теория Опарина — Холдейна

Оба также подозревали, что первые формы жизни появились в теплом примитивном океане и были гетеротрофными (получая предварительно сформированные питательные вещества из соединений, существовавших на ранней Земле), а не автотрофными (синтезирующими питательные вещества из солнечного света или неорганических веществ).

Опарин считал, что жизнь возникла из коацерватов, микроскопических спонтанно сформированных сферических агрегатов липидных молекул, которые удерживаются вместе за счет электростатических сил и, возможно, были предшественниками клеток. Работа Опарина с коацерватами подтвердила, что ферменты, лежащие в основе биохимических реакций метаболизма, функционируют более эффективно, когда они содержатся в мембраносвязанных сферах, чем когда они свободны в водных растворах.

Холдейн, незнакомый с коацерватами Опарина, полагал, что сначала образуются простые органические молекулы, а в присутствии ультрафиолетового света они становятся все более сложными, в конечном итоге формируя клетки. Идеи Холдейна и Опарина легли в основу многих исследований абиогенеза, проводившихся в последующие десятилетия.

Эксперимент Миллера — Юри

В 1953 году американские химики Гарольд Клейтон Юри и Стэнли Миллер проверили теорию Опарина — Холдейна. В своем эксперименте они использовали аппарат с колбой, наполненной водой и химическими веществами, которые, как считалось, существовали на ранней Земле. Ученые обнаружили, что эти химические вещества при определенных условиях спонтанно образуют органические молекулы. Эксперимент предполагает, что органические молекулы могли самопроизвольно образоваться на молодой Земле, став фундаментом для появления первых живых существ.

Некоторые ученые считают, что условия эксперимента Миллера — Юри не соответствовали реальным, но последующие эксперименты с измененной атмосферой показали аналогичные результаты спонтанного образования аминокислот, липидов и нуклеотидов.

РНК пришла первой

В течение многих лет ученые спорили о том, что важнее — ДНК или РНК. ДНК служит основным средством хранения генетической информации. РНК — это рибонуклеиновая кислота, которая может выступать в качестве генетической библиотеки и катализировать реакции. Эта способность делает РНК идеальным кандидатом для зарождения первой жизни на Земле.

Так откуда же взялась РНК? Может ли РНК самопроизвольно образовываться? Сначала рассмотрим структуру РНК, состоящую из четырех нуклеотидных оснований:

Эти четыре нуклеотида являются строительными блоками РНК. Если они могут быть синтезированы самопроизвольно в условиях ранней Земли, тогда можно будет решить большую часть головоломки о том, как зародилась жизнь. И вот, недавно было обнаружено, что некоторые молекулы действительно могут образовывать все четыре нуклеотида в присутствии ультрафиолетового излучения или солнечного света.

Первые клетки

Итак, если органические молекулы и РНК могут спонтанно образовываться, то как насчет клеток? Как создаются клеточные мембраны?

Липиды – это молекулы, которые составляют слой клеточной мембраны. Как стало ясно из эксперимента Миллера — Юри, липиды могут спонтанно образовываться при определенных атмосферных условиях. Они имеют гидрофильную и гидрофобную стороны. В то время как гидрофильная сторона может взаимодействовать с водой, гидрофобная сторона – нет, и поэтому они образуют кластеры в воде. Гидрофильная сторона, обращена наружу, а гидрофобная – внутрь. Это похоже на то, как масло в лавовой лампе никогда не смешивается с жидкостью.

В липидном бислое молекулы ориентированы таким образом, что их полярные части направлены в сторону водной фазы и формируют две гидрофильные стороны, а неполярные «хвосты» формируют гидрофобную внутри бислоя. Это препятствует прохождению воды между ними и образует мембрану клетки. Вода из клетки не выходит наружу, и вода снаружи клетки не проникает внутрь. Из-за структуры липида он может спонтанно собираться в бислой в присутствии воды. Зная все это, можно предположить, что некоторые из первых структур РНК были заключены в примитивную клетку, состоящую из липидного бислоя, заполненного водой, неорганическими и органическими молекулами. Эти примитивные клетки затем дали начало первым живым клеткам.

Другие гипотезы

Хотя научные доказательства абиогенеза являются авторитетной научной теорией, некоторые ученые сформулировали другие гипотезы для объяснения происхождения жизни на Земле. Одной из таких гипотез является панспермия, которая утверждает, что жизнь прибыла на Землю из космоса и, следовательно, возникла в других частях галактики. Это интересная гипотеза, но ее трудно проверить.

Подведение итогов

Теория абиогенеза говорит, что жизнь возникла спонтанно при определенных условиях из неживой материи. Как ученые пришли к этой гипотезе? Эксперименты показывают, что органические молекулы, нуклеотиды РНК и клеточные мембраны могут самопроизвольно образовываться в условиях, схожих на раннюю Землю. РНК – это нуклеиновая кислота, которая может действовать как генетическая библиотека и катализировать реакции, поэтому, вероятно, первая жизнь на Земле была способна функционировать исключительно с РНК. За миллионы лет эти молекулы РНК развили новые каталитические способности и в конечном итоге превратились в сложные клетки, которые мы знаем сегодня.

Источник

АБИОГЕННЫЙ

Смотреть что такое «АБИОГЕННЫЙ» в других словарях:

абиогенный — абиогенетический Словарь русских синонимов. абиогенный прил., кол во синонимов: 2 • абиогенетический (1) • … Словарь синонимов

Абиогенный — прил. соотн. с сущ. абиогенез, связанный с ним Толковый словарь Ефремовой. Т. Ф. Ефремова. 2000 … Современный толковый словарь русского языка Ефремовой

абиогенный — абиог енный … Русский орфографический словарь

абиогенный — … Орфографический словарь русского языка

абиогенный — а/био/ген/н/ый … Морфемно-орфографический словарь

АБИОГЕННЫЙ ПЕРИОД — эволюции жизни, период эволюции материи до появления первых форм жизни (занял ок. 10 млрд лет). См. также Абиогенез. Экологический энциклопедический словарь. Кишинев: Главная редакция Молдавской советской энциклопедии. И.И. Дедю. 1989 … Экологический словарь

ЛАНДШАФТ АБИОГЕННЫЙ — ландшафт, сформировавшийся без существенного влияния живого вещества. К Л.а. условно (поскольку вся поверхность Земли пронизана в той или иной степени проявлениями жизни) относят ландшафты центральной части Антарктиды, Гренландского ледяного щита … Экологический словарь

Гипотеза мира РНК — Структура рибозима молекулы РНК, выполняющей функцию катализа Мир РНК гипотети … Википедия

Геохимия — I Геохимия (от Гео… и Химия) наука о химическом составе Земли, законах распространённости и распределения в ней химических элементов, способах сочетания и миграции атомов в ходе природных процессов. Г. часть космохимии (См. Космохимия).… … Большая советская энциклопедия

Геохимия — I Геохимия (от Гео… и Химия) наука о химическом составе Земли, законах распространённости и распределения в ней химических элементов, способах сочетания и миграции атомов в ходе природных процессов. Г. часть космохимии (См. Космохимия).… … Большая советская энциклопедия

Источник

Абиогенез и естественный отбор

рисунок автора статьи

Автор

Редакторы

Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: После возникновения Земля представляла собой знойную и горячую сферу без жизни. Спустя же 4,5 миллиарда лет природа оказалась представлена многочисленными формами ныне живущих организмов. В этой работе мы попытаемся проникнуть через тектонические плиты истории, слой за слоем углубимся к первоначальным химическим реакциям и ответим на вопрос: «Где и из чего возникли сложные органические молекулы, прошедшие долгий путь эволюции в живые существа?». Чтобы «заглянуть за забор к создателю», понадобится прочный фундамент теории для дальнейшей логики рассуждений.

Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.

Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.

Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

Пролог: структура нуклеиновых кислот

Прежде чем перейти к химическим реакциям получения органических соединений, мы изучим молекулы, условия абиогенного синтеза которых будем искать большую часть статьи.

Нуклеиновые кислоты делятся на дезоксирибонуклеиновые (ДНК) — находятся в хромосомах, митохондриях, хлоропластах, нуклеоидах, — и рибонуклеиновые (РНК) — транспортируют генетическую информацию, обеспечивают синтез белка, регуляцию генов и сплайсинг. При построении нуклеиновых кислот рибоза или дезоксирибоза связывается с одним азотистым основанием (табл. 1), образуя молекулу нуклеозида. Такое соединение вместе с фосфатными группами образует уже молекулу нуклеотида (рис. 1). Из них и строятся нуклеиновые кислоты присоединением новых нуклеотидов, где две фосфатные группы отделяются, а третья входит в состав цепи.

Рисунок 1. Строение РНК и химический состав нуклеиновых кислот

иллюстрация автора статьи на основе [1]

Моносахариды рибоза и дезоксирибоза, как компоненты сахарофосфатного скелета, являются альдозами из-за своей открытой альдегидной группы, с формулами C₅H₁₀O₅ и C₅H₁₀O₄. Дезоксирибоза отличается от рибозы лишь отсутствием гидроксильной группы, которая у нее заменена атомом водорода.

Фосфатные группы, которые обеспечивают образование фосфодиэфирной связи с другими нуклеотидами, представлены солями фосфорных кислот (P–O–P связь) и метиленом (CH₂), связывающим фосфатные группы с сахаридами.

Введение: древний мир

В начале своего формирования, около четырех миллиардов лет назад, атмосфера планеты пополнялась лишь газами, исходящими из падающих астероидов и расплавленных геологических структур. При движении магмы в ядре магнитное поле благоприятствовало осаждению карбонатов и сдерживало целостность атмосферы. Барьер из озона, образовавшийся в процессе реакции под действием ультрафиолета (фотолиза), создал нужный тепловой баланс к концу архейского эона [1], [2]. В этот период, в атмосфере содержались:

В атмосфере соединения серы неустойчивы, но при поступлении из глубин, содержание сохраняется.

Введение: первые опыты — первые проблемы

В начале XX века А. Опарин и Д. Холдейн работали над концепцией коацервата. Их интересовало, каким образом синтезируется сложная органика при разрядах молний, воздействии ультрафиолета и извержений вулканов [3]. Идею частично подтвердили Г. Юри и С. Миллер. Смесь соединений, имитирующих древнюю атмосферу, запаивали в замкнутой установке и через колбу с водой пропускали электрический ток. Спустя две недели, на протяжении которых им периодически приходилось наблюдать за реакциями через стекло, они вскрыли колбу и выяснили, что теперь в ней присутствовали аминокислоты, сахара и органические кислоты [4]. Эксперимент показал реальность синтеза сложной органики из более простых химических веществ.

CO₂ → CO + [O] (атомарный кислород)

Полученные в вышеописанных реакциях соединения формальдегида, синильной кислоты и аммиака, синтезируют аминокислоты в процессе реакции Штрекера, а вода и формальдегид — рибозу, в процессе реакции Бутлерова. Последующие эксперименты синтезировали производные пурина (табл. 1) и расширили список получаемых аминокислот. Казалось бы, нужно ликовать — вот он, переход от химической эволюции к биологической! Но как это бывает зачастую, бронежилет теории не выдерживает обстрела реальности — концепция коацервата имела серьезные недостатки. Реакция соединения аминокислот в белок или нуклеотиды происходит с выделением воды, и длинные молекулы подвержены распаду [1]. Еще одной проблемой стал способ размещения связей вокруг атома углерода, которые являются взаимно-зеркальными — хиральными. Аминокислоты чаще представлены левыми изомерами, а рибозы — правыми. Такая характеристика нуклеотидов придает спиральную структуру ДНК и РНК, но в синтезе из простых соединений получается равное количество изомеров, поэтому белки такой смеси не способны функционировать.

Теория условий: гидротермальные источники

Высокое содержание железа, цинка, марганца и меди — особенность живых клеток. Если железа много в неживой природе, то меди с марганцем и цинком не особенно. Парадоксально, но все они содержатся в клетках в намного большей концентрации, чем во внешней среде. Перечисленные металлы характерны в обильном количестве для гидротермальных источников, с которых мы начнем поиск условий для абиогенного синтеза органических соединений.

Воды источников имеют черный цвет благодаря сульфидам, сероводороду и другим взвесям [5]. После контакта с океаном, гидротермальные воды охлаждаются, а соединения железа, меди и никеля выпадают в осадок. При дальнейшем остывании вод сульфиды цинка и марганца осаждаются на уже сформированный рельеф.

Сульфиды цинка способны к фотохимическому восстановлению, поглощая ультрафиолет и фосфоресцируя. В таком состоянии возбужденный электрон восстанавливает соединения диоксида углерода до муравьиной и других органических кислот, а при ультрафиолете восстанавливает азот до аммиака. При этом он защищает органические молекулы от ультрафиолета эффективней слоя воды в десятки метров. Именно поэтому первые организмы могли укрываться в минеральных осадках, имея доступ к продуктам фотохимических реакций [1].

Осадки образуются из мелких частиц и имеют много пор. Подобные условия являются удобными для репликации органики из-за относительной изоляции. Откладывающиеся сульфидные минералы становятся катализаторами химических реакций для синтеза органических соединений [6]. При этом градиенты температур разделяют хиральные формы соединений. В таких условиях термодиффузии РНК и белки накапливаются в одной локации, например — в вышеупомянутых порах, где происходит концентрация в миллиарды раз [7].

Теория условий: синтез в грязевых котлах

Важным веществом клетки является фосфор, содержащийся в фосфорилированных органических молекулах, входящих в состав нуклеиновых кислот, аденозинтрифосфатов и др. Источниками достаточного количества этого вещества являются вулканы и горячие геотермальные источники. Они содержат фосфиты, пирофосфаты или оксиды фосфора. При растворении эти соединения дают молекулы в пригодной для сахарофосфатов и нуклеотидов форме. При кипении минеральных вод растворенные соединения разделяются, поэтому часть испаряется с водой и выходит в грязевых котлах. При подобной сепарации металлов поднимающийся пар магмы содержит бораты, калий, натрий и соли молибдена в концентрации, такой же как в органической клетке.

Проводились исследования при участии солей бора, где образуются комплексы 5/6-углеродных сахаров, выпадающие в осадок, и происходит накопление молекул с двумя соседними гидроксильными группами. При добавлении гидроксиапатита в такую смесь на его поверхности откладывается рибоза [8], [9], а соли молибдена превращают разветвленные сахара в линейные, увеличивая синтез. Почувствуйте, как густые и горячие знания стекают вам на шею, ведь грязевые котлы обогащены всеми вышеописанными ранее элементами [10], потому и представляются одними из самых вероятных мест появления жизни, имея несколько преимуществ сразу:

Теория условий: роль метана и лаборатория Манчестера

Рисунок 2. Источники и превращения метана (CH₄)

иллюстрация автора статьи на основе [1]

Это была бы вкусная шутка, но реакция получения нуклеотидов с помощью таких соединений была получена в 2009 году в Манчестере во время работы Д. Сазерленда и его коллег [13]. Они синтезировали пиримидиновые нуклеотиды путем смешения в одной установке предшественников сахаров и нуклеотидов с фосфатами (рис. 3).

Приготовьтесь, сейчас придется немного похрустеть коркой головного мозга. Чтобы было проще, обратимся к рисунку 3 ниже, который будет иллюстрировать ход реакций. Как можем видеть, первоначальные соединения представлены: цианоацетиленом, цианамидом, глицеральдегидом и гликольальдегидом.

Рисунок 3. Описание синтеза пиримидиновых нуклеотидов

иллюстрация автора статьи на основе [1]

Фосфат в реакции не только облегчает синтез нуклеотидов, подавляя побочные реакции, но и направляет соединение цианамида с гликольальдегидом в сторону аминооксазола. А уже его соединение с глицеральдегидом образует арабинозо-аминооксазолин. В реакции же аминооксазолина с цианоацетиленом снова фосфат помогает реакции — он поддерживает кислотность и создает условия для получения арабинозо-ангидронуклеозида.

После достаточно подогреть реакционную смесь для получения циклического цитидин-монофосфата. Такой раствор освещается ультрафиолетом, чтобы превратить часть цитозина в урацил и избавиться от побочных продуктов. Аналогичным способом получены пуриновые нуклеотиды при добавлении синильной кислоты, вместо цианоацетилена. Всего из четырех простых соединений, получаются все нуклеотиды и десять из двадцати белковых аминокислот! Но главное, в реакциях почти не образуется соединений, не встречающихся в клетках. Пусть этот момент станет сюжетной пружиной моего повествования.

РНК: решение в виде репликаторов

В конце XX века произошло открытие рибозимов. До того времени РНК считалась только связующим элементом ДНК и белков, но последующие исследования показали способность РНК заменять белки в качестве катализаторов реакций, а также их ключевое значение в организации синтеза белка. Появилась гипотеза «РНК мира». Согласно этой теории, реплицирующиеся рибозимы стали первыми органическими соединениями начавшими эволюцию. Спустя поколения, репликаторы предоставили каталитические функции белкам, а хранение генома практически полностью — ДНК [14]. Это стало величайшим прыжком мысли через синаптическую щель, однако без клеточных систем получение полноценных белков в водной среде невозможно. Вопрос решается нахождением условий, где участие воды в реакции снижено или у нее отсутствуют химически свободные молекулы — благо, примеры таких локаций мы уже с вами рассмотрели в предыдущих главах.

РНК: естественный отбор палиндромов

Двигаемся дальше. В условиях липидно-нуклеотидного раствора уже рассмотренных грязевых котлов, образуются последовательности РНК в 50–100 нуклеотидов. Липиды, к которым мы вернемся позже, при высыхании образуют слои и длинные цилиндры, где последовательности РНК упорядоченно накапливаются и сохраняют подвижность. При естественном отборе преимущество получают те последовательности, которые служат фрагментами для создания собственных копий — палиндромные цепи РНК [15]. Эта идея А. Маркова превращает необходимость фрагментов в фактор естественного отбора, который может привести к образованию рибозима среди длинных палиндромных молекул. Киньте в грудь мне раскаленных углей, если это не подтверждает геноцентричный взгляд на эволюцию Ричарда Докинза [16], ведь палиндромный способ упаковки молекул наблюдается и в последовательностях соединений нынешних транспортных РНК.

Устойчивость к ультрафиолету тоже может быть признаком отбора, при котором выживали более длинные цепи. В таких молекулах защита соседних соединений осуществлялась за счет параллельных связей азотистых оснований — стэкинг-взаимодействия, похожего на «слоеный пирог» [17]. Важно то, что увеличение количества собственных копий способствует не только копированию, но и превращению простых органических веществ в нуклеотиды. В совокупности это знаменует появление обмена веществ, где реакции происходят при контроле ферментов.

РНК: вещественный обмен

Обмен веществ у первых органических структур развивался гетеротрофно, от сложных исходных соединений, как рибоза и азотистые основания, к более простым [1]. На начальных этапах РНК были доступны многие активные одноуглеродные соединения:

Все три случая рассмотрены ранее и внимательный читатель вспомнит их, но именно диоксид углерода стал конечным нужным соединением. Хотя его восстановление без качественных катализаторов медленное, мы помним, что при абиогенном восстановлении реакция происходит под действием ультрафиолета или температуры. Выбор между способами использования углерода в обмене веществ зависит от среды. Рибулозо-монофосфатный цикл, питаемый формальдегидом [18] похож на древнейший синтез сахаров, а участие муравьиной кислоты в синтезе пуринов (табл. 1) предполагает формирование этой реакции до появления ферментов фиксации диоксида углерода.

РНК: энергия липидной мембраны

Возвратимся к теме липидов. Электроны связей молекулы воды смещены из-за большей электроотрицательности кислорода. Вследствие этого одна сторона молекулы несет положительный заряд, а другая — отрицательный. Поэтому вещества с полярными молекулами (гидрофильные) притягиваются и смешиваются с водой, а неполярные молекулы (гидрофобные) — нет [19]. В живых организмах клетки окружены мембраной из двух слоев липидов, при смешивании их молекул в воде получается эмульсионная взвесь, а не растворение. Наружная сторона мембраны несет положительный заряд, а внутренняя — отрицательный. Такой электрический потенциал используется при передаче и хранении энергии, а также транспорта веществ вместе с протонами для компенсации заряда мембраны [20].

Вероятно, протоклетки имели примитивные оболочки из липидов, которые пропускали протоны и ионы металлов, но задерживали белки и РНК, поэтому выход из геотермальных водоемов в среду с высоким содержанием натрия потребовал создания клетками способа его «откачки» [21]. Появления натриевых насосов, использующих энергию реакций, и освоение новых кислых сред подтверждает образование мембран в тот период, когда аденозинтрифосфаты уже были в наличии.

Эволюция РНК: вирусы

Вы спросите, каким же все-таки образом ДНК забрала себе функцию РНК в хранении генетической информации? Я отвечу, что реакция превращения рибозы в дезоксирибозу связана с образованием опасных радикалов, поэтому рибозимы не могут ее осуществлять. Реакцию проводят ферменты — большие белки, для кодирования которых нужны минимум тысячи нуклеотидов. Между теперешним способом хранения нуклеиновых кислот и миром РНК были промежуточные формы более простые в получении, чем ДНК, но стабильнее РНК [14]. Эволюция предковых образований клеток тесно связана с вирусами. Так, П. Фортер считает главной стадией жизни вируса — ее активную часть в зараженной клетке [22]. Вирусы образуют кластеры, сочетающие клеточные и вирусные белки, где клетки синтезируют копии вируса под контролем вирусного генома.

На этом этапе видно, что задача хранения генетической информации осуществляется разными вариациями соединений, но естественным отбором избраны содержащиеся в нынешних клетках. К слову, синтетическая биология достигла больших результатов, создавая альтернативные нуклеотиды. В 2014 году, «нуклеотидный алфавит» был расширен до шести букв за счет включения нескольких синтетических пар гидрофобных нуклеиновых оснований [23].

Переход РНК к ДНК снижает частоту нарушений копирования, но ошибки в момент перехода возрастают. При этом, смена геномного материала сопровождается преобразованием фермента отвечающего за копирование — полимеразы. Согласно идее П. Фортера, эти реакции происходили в вирусах, а выгодой стало прохождение защитных систем клетки [24].

Эволюция РНК: увеличение масштаба генома

С появлением белкового синтеза в результате отбора, РНК-полимераза сняла с рибозимов обязанность репликации и позволила увеличить количество генетической информации. Белки стали промежуточным звеном построения липидной оболочки, а эволюция плоских структур РНК превратила их в трехмерные скопления, покрытые мембраной [25]. Независимость от сульфида цинка была еще невозможна, но появились пузыревидные структуры напоминающие вирусы не только механизмами репликации, но и размерами геномов.

В ходе естественного отбора вирусы и плоские первоначальные организмы, создавали новые типы нуклеиновых кислот: метил-РНК, урацил-ДНК и современную ДНК с тимином [1]. Эти кислоты использовали протоклетки, позволяющие увеличивать размер и стабильность генома. Изобретение ДНК и совершенствование ее копирования во множестве линий вирусов привело к обильному разнообразию ферментов, работающих с ней. Углубляясь в опыт прошлых глав, можно подытожить — надежная репликация ДНК знаменует скорое объединение генетических элементов в большие геномы, и последующий исход из источников возникновения не заставит себя ждать.

Дальнейшая эволюция: происхождение эукариот

Остался неразрешенный вопрос перехода количества в качество — о структуре клетки. Форму эукариота поддерживает цитоскелет из тонких и толстых белковых трубочек, а моторные белки перемещают компоненты клетки и обеспечивают ее подвижность. Деление и слияние мембран регулируется специальными белками. Благодаря этому большинство эукариот способны к фагоцитозу — поглощению частиц внешней среды.

Еще одними важными органеллами являются митохондрии, которые имеют собственную генетическую систему. Их сходство с аэробными бактериями и пластидами стало первым этапом понимания происхождения эукариот. Пластиды и митохондрии образуются только в процессе деления, указывающего на происхождение от бактериальных симбионтов, попавших в цитоплазму [26].

В 2015 году найдены археи, близкие к эукариотам во множестве компонентов (рис. 4). Экспедиция, изучавшая геотермальные поля в Северной Атлантике, после сбора осадков, населенных бактериями и археями, провела анализ их ДНК. Он показал преобладание в той локации вида архей, относящегося к некультивируемой группе глубоководных архей (deep-sea Archaea group) [27]. После сбора и прочтения генома средствами вычислительной биологии установленный вид оказался ближе к эукариотам, чем все известные ранее. Вид обладает большим набором сигнальных белков, которые в эукариотах регулируют: перестроение цитоскелета, сигналы между мембраной, цитоплазмой и ядром, деление клеток и другие функции.

Рисунок 4. Происхождение функций белковых доменов в клетках эукариот

иллюстрация автора статьи на основе [1]

Заключение

Нами были описаны места возможного возникновения абиогенного синтеза органических соединений с содержанием нужных для этого веществ. А также на молекулярном уровне разобраны реакции получения органических соединений из простых микроэлементов на примерах работ А. Опарина и Д. Сазерленда. Дальнейшую же эволюцию полученных биомолекул объясняют рассмотренные теории А. Маркова и П. Фортера, которые позже подтверждаются исследованиями в геотермальных полях Северной Атлантики. На протяжении всего текста можно было наблюдать уникальную биохимическую эволюцию, закономерности которой описываются лишь свойствами химических веществ.

Закончу статью словами эволюционного биолога Ричарда Докинза: «Все живое эволюционирует в результате дифференциального выживания реплицирующихся единиц».

Источник