"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.

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.

«Проблема происхождения и сущности жизни» - Современное понимание сущности живого. Справедливость теории биогенеза. Концепция панспермии. Вирус обладает очень сложной внутренней структурой. Основная заслуга Опарина. Новая форма стабильности. Сущность жизни и проблема происхождения жизни. Субстратный подход к определению жизни. Концепции происхождения жизни. Живое отличается от неживого клеточными строением. Вирусы. Симпозиумы по проблеме происхождения жизни.

«Теории зарождения жизни» - Белково-коацерватная теория Опарина. Доказательства. Панспермия. Теории происхождения вселенной и возникновение жизни. Мир РНК как предшественник современной жизни. Теории возникновения жизни. Идея возникновения мира. Самозарождение жизни. Теория стационарного состояния. Теории происхождения вселенной. Креационизм. Дата возникновения вселенной. Биохимическая эволюция.

«Гипотезы возникновения жизни на Земле» - Гипотезы самозарождения жизни. Космическое зарождение жизни. Сущность абиогенеза. Луи Пастер. Гипотеза креационизма находится вне поля научных изысканий. Самопроизвольное зарождение жизни. Франческо Реди. Опыт Франческо Реди. 2 взаимоисключающие точки зрения. Стационарное состояние жизни. Биохимическая гипотеза. Гипотезы возникновения жизни на Земле. Живое может зародиться из неживого. Гипотеза панспермии.

«Древнейшие организмы на Земле» - Современные представители. Строение тела трилобитов. Космическая теория. В каком периоде мы с вами живем. Рождение жизни. Понятие о геохронологической таблице. Оборудование. Тип Брахиоподы. Создал собственную теорию. Гребенчатый замок. Геохронологическая таблица. Кораллы. Древнейшие организмы. Перечень временных подразделений. Формирование представлений об условиях зарождения жизни. Черты сходства.

«Как возникла жизнь на Земле» - Теории происхождения жизни. Панспермия. Теория биохимической эволюции. Естественное происхождение жизни. Креационизм. Жизнь на Земле. Концепция биогенеза. Изменение атмосферы Земли. Л.Спалланцани. Ван Гельмонт. Теория стационарного состояния. Теория А.И. Опарина. Витализм. Л.Пастер. Опыт С. Миллера. Атмосфера Земли. Микроорганизмы. Самопроизвольное зарождение жизни. Ф.Реди. Возникновение жизни на Земле.

«История возникновения жизни на Земле» - Материалы. Возникновение жизни на Земле. Гипотеза самозарождения. Гипотеза биохимической эволюции. Гипотеза панспермии. Наука. Гипотеза креационизма. Возникновение жизни. Гипотезы самозарождения и станционарного состояния. Гипотеза стационарного состояния. Ученые.

Теория возникновения жизни, предложенная советским ученым Александром Опариным (1894-1980) надолго стала одной из самых влиятельных в научном мире. Данная теория описывает жизнь с позиций материалистической методологии и постулирует самозарождение жизни под воздействием физико-химических процессов, протекающих в условиях первобытной Земли.

Теория Опарина является теорией химической эволюции. Свои идеи ученый впервые изложил в книге «Происхождение жизни», опубликованной в Советском Союзе в 1924 году и переведенной на английский язык в 1938 году. Теорию Опарина горячо поддержал кембриджский профессор, воинствующий атеист, многолетний главный редактор коммунистической газеты «Дейли Уоркер». Хэлдейн открыл полемику по проблеме происхождения жизни в статье, опубликованной в «Ежегодном Вестнике Рационалиста» в 1929 году. В ней Хэлден выдвинул гипотезу о том, что на первобытной Земле скопились огромные количества органических соединений, образовав то, что получило название «первичного бульона» или «протобульона».

Современные понятия "первобытного бульона" и "самозарождения жизни" исходит из теории Опарина-Хэлдейна о происхождении жизни. Суть теории сводится к следующему:

1. Первобытная Земля имела разреженную (то есть лишенную кислорода) атмосферу.

2. Когда на эту атмосферу стали воздействовать различные естественные источники энергии - например, грозы и извержения вулканов - то при этом начали самопроизвольно формироваться основные химические соединения, необходимые для органической жизни.

3. С течением времени молекулы органических веществ накапливались в океанах, пока не достигли консистенции горячего разбавленного бульона. Однако в некоторых районах концентрация молекул, необходимых для зарождения жизни, была особо высокой, и там образовались нуклеиновые кислоты и протеины.

4. Некоторые из этих молекул оказались способны к самовоспроизводству.

5. Взаимодействие между возникшими нуклеиновыми кислотами и протеинами в конце концов привело к возникновению генетического кода.

6. В дальнейшем эти молекулы объединились, и появилась первая живая клетка.

7. Первые клетки были гетеротрофами, они не могли воспроизводить свои компоненты самостоятельно и получали их из бульона. Но со временем многие соединения стали исчезать из бульона, и клетки были вынуждены воспроизводить их самостоятельно. Так клетки развивали собственный обмен веществ для самостоятельного воспроизводства.

8. Благодаря процессу естественного отбора из этих первых клеток появились все живые организмы, существующие на Земле.

Наибольшим успехом теории Опарина-Хэлдейна стал широко известный эксперимент, проведенный в 1953 году американским аспирантом Стэнли Миллером.

Эксперимент Миллера

Проверил теорию Стэнли Миллер в 1953 году. Эксперимент Миллера - Юри, ставший поворотным пунктом в этой области, был предельно прост. Аппарат состоял из двух стеклянных колб, соединенных в замкнутую цепь. В одну из колб помещено устройство, имитирующее грозовые эффекты - два электрода, между которыми происходит разряд при напряжении около 60 тысяч вольт; в другой колбе постоянно кипит вода. Затем аппарат заполняется атмосферой, предположительно существовавшей на древней Земле: метаном, водородом и аммиаком. Аппарат проработал неделю, после чего были исследованы продукты реакции. В основном получилось вязкое месиво случайных соединений; в растворе также было обнаружено некоторое количество органических веществ, в том числе и простейшие аминокислоты - глицин и аланин. Позднее в разных условиях были получены также сахара и нуклеотиды. Миллер сделал вывод, что эволюция может произойти при фазово-обособленном состоянии из раствора (коацерватов). Однако, такая система не может сама себя воспроизводить.

Публикация данных эксперимента Миллера вызвала беспрецедентный интерес, и вскоре многие другие ученые стали повторять этот эксперимент. При этом обнаружилось, что видоизменение условий эксперимента дает возможность получать небольшое количество других аминокислот. Однако повторить эксперимент было сложно, и многие результаты были получены только после множества безрезультатных попыток.

Сообщалось о том, что в процессе экспериментов возникли основные компоненты, необходимые для жизни. Так, в некоторых учебниках биологии говорится, что в ходе экспериментов были получены представители всех важнейших типов молекул, имеющихся в клетках. Это утверждение абсолютно неверно, так как из многих биохимических веществ, имеющихся в клетках, только два подобны тем, что получены в экспериментах типа миллеровских - это глицин и аланин. Но и они были представлены в очень малых концентрациях. К тому же в ходе экспериментов ни разу не были получены нуклеиновые кислоты, протеин, липид и полисахарид - более 90% веществ, составляющих живую клетку.

Почти все специалисты в области происхождения жизни долго закрывали глаза неа одну проблему теории Опарина - Холдейна. Даже если спонтанно, путём случайных безматричных синтезов в коацервате и возникали единичные удачные конструкции белковых молекул (например, эффективные катализаторы, обеспечивающие преимущество данному коацервату в росте и размножении), то остается неизвестным механизм, с помощью которого 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. Однако, было показано, что первые коацерваты могли образоваться самопроизвольно из липидов, синтезированных абиогенным путем, и они могли вступить в симбиоз с «живыми растворами» - колониями самовоспроизводящихся молекул РНК, среди которых были и рибозимы, катализирующие синтез липидов, а такое сообщество уже можно назвать организмом.

Теория (правильнее было бы говорить о гипотезе) Опарина вызывает большое количество споров, но до сих пор является основной в биологии.

Русская Цивилизация

Наибольшей популярностью у современных учёных пользуется гипотеза Опарина-Холдейна о происхождении жизни на Земле. Согласно гипотезе жизнь произошла из неживой материи (абиогенно) в результате сложных биохимических реакций.

Положения

Чтобы рассказать кратко о гипотезе возникновения жизни, следует выделить три этапа становления жизни по Опарину:

• возникновение органических соединений;
• образование полимерных соединений (белков, липидов, полисахаридов);
• появление примитивных организмов, способных к воспроизводству.

Рис. 1. Схема эволюции по Опарину.

Биогенной, т.е. биологической эволюции, предшествовала химическая эволюция, в результате которой образовывались сложные вещества. На их образование влияла бескислородная атмосфера Земли, ультрафиолет, разряды молний.

Из органических веществ возникали биополимеры, которые складывались в примитивные формы жизни (пробионты), постепенно отделяясь мембраной от внешней среды. Появление в пробионтах нуклеиновых кислот способствовало передаче наследственной информации и усложнению организации. В результате длительного естественного отбора остались только те организмы, которые были способны к успешному воспроизводству.

Рис. 2. Пробионты.

Пробионты или проклетки до сих пор не были получены экспериментальным путём. Поэтому до конца непонятно, как примитивное скопление биополимеров смогло перейти от неживого пребывания в бульоне к воспроизводству, питанию и дыханию.

История

Гипотеза Опарина-Холдейна прошла долгий путь и не раз критиковалась. История становления гипотезы описана в таблице.

ТОП-2 статьи которые читают вместе с этой

Рис. 3. Эксперимент Миллера.

Эксперимент Миллера неоднократно подвергался критике, и до конца не признаётся практическим подтверждением теории Опарина-Холдейна. Главная проблема - получение из образованной смеси органических веществ, составляющих основу жизни.

Что мы узнали?

Из урока узнали о сути гипотезы происхождения жизни на Земле Опарина-Холдейна. Согласно теории высокомолекулярные вещества (белки, жиры, углеводы) возникли из неживой материи в результате сложных биохимических реакций под воздействием внешней среды. Гипотезу впервые проверил Стэнли Миллер, воссоздав условия Земли до зарождения жизни. В результате были получены аминокислоты и другие сложные вещества. Однако как данные вещества воспроизводились, осталось без подтверждения.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.4 . Всего получено оценок: 64.