La teoría de la evolución química de la presentación de oparina. Presentación - evolución bioquímica. ª etapa. Conversación introductoria

En 1924, el científico ruso Alexander Ivanovich Oparin formuló por primera vez las principales disposiciones del concepto de depredación. evolución biológica. Consideró el surgimiento de la vida como un proceso natural único, que consistió en la evolución química inicial que tuvo lugar en las condiciones de la Tierra primitiva, que gradualmente pasó a un nivel cualitativamente nuevo de evolución bioquímica.

La esencia de la hipótesis era la siguiente: el origen de la vida en la Tierra es un largo proceso evolutivo de formación de materia viva en las profundidades de la materia no viva. Y esto sucedió a través de la evolución química, como resultado de lo cual las sustancias orgánicas más simples se formaron a partir de inorgánicas bajo la influencia de fuertes factores fisicoquímicos.

Considerando el problema del origen de la vida a través de la evolución bioquímica, Oparin identifica tres etapas de la transición de la materia inanimada a la viva: la primera etapa de síntesis de compuestos orgánicos iniciales a partir de sustancias inorgánicas en las condiciones de la atmósfera primaria de la Tierra primitiva; Etapa 2 de formación de biopolímeros, lípidos, hidrocarburos a partir de compuestos orgánicos acumulados en los reservorios primarios de la Tierra;

En la primera etapa, hace unos 4 mil millones de años, cuando la Tierra no tenía vida, tuvo lugar en ella la síntesis abiótica de compuestos de carbono y su posterior evolución prebiológica. Este período de la evolución de la Tierra se caracterizó por numerosas erupciones volcánicas con la liberación de enormes cantidades de lava caliente. A medida que el planeta se enfriaba, el vapor de agua de la atmósfera se condensó y llovió sobre la Tierra, formando enormes extensiones de agua.

Como la superficie de la Tierra aún estaba caliente, el agua se evaporó y luego, al enfriarse en las capas superiores de la atmósfera, volvió a caer sobre la superficie del planeta, procesos que continuaron durante muchos millones de años. Así, se disolvieron varias sales en las aguas del océano primario. Además, también contenía compuestos orgánicos: azúcares, aminoácidos, bases nitrogenadas, ácidos orgánicos, etc., que se forman continuamente en la atmósfera bajo la influencia de la radiación ultravioleta. alta temperatura y actividad volcánica activa.

El océano primordial probablemente contenía en forma disuelta varias moléculas orgánicas e inorgánicas que ingresaron a él desde la atmósfera y las capas superficiales de la Tierra. La concentración de compuestos orgánicos aumentó constantemente y, al final, las aguas del océano se convirtieron en un "caldo" de sustancias parecidas a proteínas, péptidos.

En la segunda etapa, a medida que las condiciones en la Tierra se suavizaron, bajo la influencia de descargas eléctricas, energía térmica y rayos ultravioleta sobre las mezclas químicas del océano primario, fue posible formar compuestos orgánicos complejos de biopolímeros y nucleótidos que, combinándose gradualmente y volviéndose más complejos, convertidos en protobiontes (ancestros precelulares de los organismos vivos). El resultado de la evolución de sustancias orgánicas complejas fue la aparición de coacervados o gotas de coacervados.

Los coacervados son complejos de partículas coloidales, cuya solución se divide en dos capas: una capa rica en partículas coloidales y un líquido casi libre de ellas. Los coacervados tenían la capacidad de absorber diversas sustancias disueltas en las aguas del océano primario. Como resultado, la estructura interna de los coacervados cambió, lo que condujo a su desintegración o a la acumulación de sustancias, es decir, al crecimiento y al cambio composición química, aumentando su estabilidad en condiciones en constante cambio.

La teoría de la evolución bioquímica considera a los coacervados como sistemas prebiológicos, que son grupos de moléculas rodeadas de concha de agua. Resultó que los coacervados podían absorber diversas sustancias orgánicas del ambiente externo, lo que brindaba la posibilidad de un metabolismo primario con el medio ambiente.

En la tercera etapa, como supuso Oparin, comenzó a actuar la selección natural. En la masa de gotas de coacervados se produjo la selección de los coacervados que eran más resistentes a determinadas condiciones ambientales. El proceso de selección tuvo lugar durante muchos millones de años, lo que dio como resultado que solo se conservara una pequeña fracción de los coacervados. Sin embargo, las gotitas de coacervado conservadas tenían la capacidad de sufrir un metabolismo primario. Y el metabolismo es la propiedad principal de la vida.

Al mismo tiempo, al alcanzar un cierto tamaño, la gota madre podía dividirse en gotas hijas, que conservaban las características de la estructura madre. Así, podemos hablar de la adquisición por parte de los coacervados de la propiedad de autorreproducción de uno de los signos de vida más importantes. De hecho, en esta etapa los coacervados se convirtieron en los organismos vivos más simples.

Una mayor evolución de estas estructuras prebiológicas sólo fue posible con la complicación de los procesos metabólicos y energéticos dentro del coacervado. Sólo una membrana podría proporcionar un aislamiento más fuerte del ambiente interno de las influencias externas. Alrededor de los coacervados, ricos en compuestos orgánicos, aparecieron capas de lípidos que separaban el coacervado del entorno acuoso circundante. Durante el proceso de evolución, los lípidos se transformaron en la membrana externa, lo que aumentó significativamente la viabilidad y estabilidad de los organismos.

En protocélulas como cacervados o microesferas, se produjeron reacciones de polimerización de nucleótidos hasta que a partir de ellas se formó un protógeno, un gen primario capaz de catalizar la aparición de una determinada secuencia de aminoácidos, la primera proteína. Probablemente la primera proteína de este tipo fue precursora de una enzima que cataliza la síntesis de ADN o ARN.

Aquellas protocélulas en las que surgió el mecanismo primitivo de herencia y síntesis de proteínas se dividieron más rápido y acogieron todas las sustancias orgánicas del océano primario. En esta etapa ya estaba en marcha la selección natural para la velocidad de reproducción; Se detectó cualquier mejora en la biosíntesis y nuevas protocélulas reemplazaron a todas las anteriores.

La teoría de A. I. Oparin fue apoyada calurosamente por el profesor de Cambridge John Haldane. Abrió el debate sobre el origen de la vida en un artículo publicado en el Rationalist Annual en 1929. En él, D. Haldane planteó la hipótesis de que en la Tierra primitiva se acumulaban enormes cantidades de compuestos orgánicos, formando lo que llamó sopa caliente diluida (más tarde echó raíces el nombre de sopa primitiva).

El concepto dual moderno de sopa primordial y generación espontánea de vida proviene de la teoría de Oparin-Haldane sobre el origen de la vida. El mayor éxito de la teoría de Oparin-Haldane fue un experimento ampliamente publicitado realizado en 1953 por el estudiante graduado estadounidense Stanley Miller.

Charles Darwin creía que la materia inanimada se podía transformar en materia viva con la ayuda de la electricidad; después de todo, su abuelo, Erasmus Darwin, quedó muy impresionado con Frankenstein, escrito por Mary Shelley. La idea de que los ejercicios pirotécnicos con electricidad pudieran dar origen a la vida tenía un enorme atractivo; Por eso no es sorprendente que despertara gran interés el experimento de Stanley Miller, cuyos resultados se publicaron en 1953.

El experimento de Miller, que supuso un punto de inflexión en este campo, fue extremadamente sencillo. El aparato constaba de dos matraces de vidrio conectados en circuito cerrado. En uno de los matraces se coloca un dispositivo que simula los efectos de un rayo: dos electrodos, entre los cuales se produce una descarga con un voltaje de aproximadamente 60 mil voltios; En otro matraz, el agua hierve constantemente. Luego, el aparato se llena con la atmósfera que se cree que existió en tierra antigua: metano, hidrógeno y amoníaco.

El aparato funcionó durante una semana, tras lo cual se examinaron los productos de la reacción. Básicamente resultó ser una mezcla viscosa de compuestos aleatorios; También se encontró una cierta cantidad de sustancias orgánicas en la solución, incluidos los aminoácidos más simples: glicina (NH2CH2COOH) y alanina (NH2CH(CH3)COOH).

La publicación de los datos del experimento de Miller despertó un interés sin precedentes y pronto muchos otros científicos comenzaron a repetir este experimento. Se descubrió que modificando las condiciones experimentales permite obtener pequeñas cantidades de otros aminoácidos. Sin embargo, repetir el experimento fue difícil y muchos resultados se obtuvieron sólo después de muchos intentos fallidos. Se informó que durante el proceso de experimentos surgieron los componentes básicos necesarios para la vida.

Lista de fuentes utilizadas 1. Belotserkovsky O.M., Oparin A.I. Experimento numérico en turbulencia del orden al caos. RAS 2do, agregar. ed.- M.: Nauka, pág. 2. Oparin A. I. El surgimiento de la vida en la Tierra. 3ra revisión ed.-M.: Academia de Ciencias de la URSS, p. 3. Oparin A.I. La vida, su naturaleza, origen y desarrollo. Instituto de Bioquímica. - M.: Academia de Ciencias de la URSS, p. 4. Teorías básicas del origen de la vida en la Tierra [Recurso electrónico]: Modo de acceso: Internet – http//ateismy.net. 5. Origen de la vida [Recurso electrónico]: Modo de acceso: Internet – http//intrae.narod.ru. 6. Rudenko A.P. El papel de la química en la solución del problema de la evolución química y la biogénesis // Química y cosmovisión. M., pág.

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Incluso Charles Darwin se dio cuenta de que la vida sólo puede surgir en ausencia de vida. "Pero si ahora... en alguna masa de agua cálida que contenga todas las sales necesarias de amonio y fósforo y sea accesible a la luz, el calor, la electricidad, etc., se formara químicamente una proteína capaz de realizar transformaciones adicionales cada vez más complejas, entonces esta sustancia sería inmediatamente destruido o absorbido, lo que era imposible en el período anterior al surgimiento de los seres vivos".

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La segunda condición bajo la cual puede surgir la vida es la ausencia de oxígeno libre en la atmósfera. Este importante descubrimiento fue realizado por el científico ruso A.I. Oparin en 1924 (el científico inglés J.B.S. Haldane llegó a la misma conclusión en 1929).

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Etapas del surgimiento de la vida en la Tierra. Síntesis abiogénica de los compuestos orgánicos más simples a partir de inorgánicos. Síntesis abiogénica de polímeros (proteínas, carbohidratos, ácidos nucleicos) a partir de los compuestos orgánicos más simples. Formación de coacervados como aislamiento de sustancias de mayor peso molecular en una solución en forma de una solución altamente concentrada. Interacción de coacervados con ambiente, similitud con los organismos vivos: crecimiento, nutrición, respiración, metabolismo, reproducción. El surgimiento del código genético, la membrana y el inicio de la evolución biológica.

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La atmósfera de la Tierra primitiva hace 4-4,5 mil millones de años estaba formada por hidrógeno y sus compuestos (vapor de agua, metano, amoníaco, dióxido de carbono) y era de naturaleza reductora. Tres diferencias entre la atmósfera primitiva de la Tierra y la moderna: La ausencia de oxígeno libre, que excluía la posibilidad de oxidación directa y profunda de compuestos de carbono reducidos. La abundancia de radiación de onda corta, que creó oportunidades para procesos fotoquímicos abiogénicos. La ausencia de organismos vivos con su metabolismo perfecto, involucrando rápidamente diversas sustancias orgánicas en la órbita de su acción.

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Experimentos de G. Yuri y S. Miller (1955) Los ácidos grasos más simples, urea, ácido acético, fórmico, aminoácidos, incluidos glicina, alanina, ácidos aspártico y glutámico.

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Conclusiones generales sobre la teoría de A.I. Oparin La vida surgió en la Tierra de forma abiogénica. La evolución biológica fue precedida por una larga evolución química. El surgimiento de la vida es una etapa en la evolución de la materia en el Universo. El patrón de ocurrencia de las principales etapas del origen de la vida puede verificarse experimentalmente en el laboratorio y expresarse en forma de diagrama: átomos → moléculas simples → macromoléculas → coacervados → probiontes → organismos unicelulares. La atmósfera primaria de la Tierra era de naturaleza reductora. Por esta razón, los primeros organismos fueron heterótrofos. Los principios darwinianos de selección natural y supervivencia del más apto pueden transferirse a sistemas prebiológicos. Actualmente, los seres vivos proceden únicamente de seres vivos (biogénicamente); se excluye la posibilidad del resurgimiento de la vida en la Tierra.

La más popular entre los científicos modernos es la hipótesis de Oparin-Haldane sobre el origen de la vida en la Tierra. Según la hipótesis, la vida se originó a partir de materia no viva (de forma abiogénica) como resultado de reacciones bioquímicas complejas.

Provisiones

Para describir brevemente la hipótesis del origen de la vida, cabe destacar Tres etapas de formación de la vida según Oparin:

• la aparición de compuestos orgánicos;
• formación de compuestos poliméricos (proteínas, lípidos, polisacáridos);
• la aparición de organismos primitivos capaces de reproducirse.

Arroz. 1. Esquema de evolución según Oparin.

Biogénico, es decir La evolución biológica fue precedida por la evolución química, como resultado de la cual se formaron sustancias complejas. Su formación estuvo influenciada por la atmósfera libre de oxígeno de la Tierra, la radiación ultravioleta y las descargas de rayos.

Los biopolímeros surgieron de sustancias orgánicas, que formaron formas de vida primitivas (probiontes), y fueron separadas gradualmente por una membrana del entorno externo. La aparición de ácidos nucleicos en los probiontes contribuyó a la transferencia de información hereditaria y a la complicación de la organización. Como resultado de la selección natural a largo plazo, solo quedaron aquellos organismos que eran capaces de reproducirse con éxito.

Arroz. 2. Probiontes.

Aún no se han obtenido experimentalmente probiontes o procélulas. Por tanto, no está del todo claro cómo una acumulación primitiva de biopolímeros pudo pasar de una existencia sin vida en el caldo a la reproducción, la nutrición y la respiración.

Historia

La hipótesis de Oparin-Haldane ha recorrido un largo camino y ha sido criticada más de una vez. La historia de la formación de la hipótesis se describe en la tabla.

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Año	Científico	Eventos principales
	El biólogo soviético Alexander Ivanovich Oparin	Las principales disposiciones de la hipótesis de Oparin se formularon por primera vez en su libro "El origen de la vida". Oparin sugirió que los biopolímeros (compuestos de alto peso molecular) disueltos en agua bajo la influencia de factores externos pueden formar gotas de coacervados o coacervados. Se trata de sustancias orgánicas reunidas, que se separan condicionalmente del entorno externo y con él comienzan a mantener el metabolismo. El proceso de coacervación (estratificación de la solución con formación de coacervados) es la etapa previa de la coagulación, es decir. pegado de pequeñas partículas. Fue como resultado de estos procesos que los aminoácidos surgieron del "caldo primario" (término de Oparin), la base de los organismos vivos.
	El biólogo británico John Haldane	Independientemente de Oparin, comenzó a desarrollar puntos de vista similares sobre el problema del origen de la vida. A diferencia de Oparin, Haldane supuso que en lugar de coacervados se formaban sustancias macromoleculares capaces de reproducirse. Haldane creía que las primeras sustancias de este tipo no fueron proteínas, sino ácidos nucleicos.
	El químico estadounidense Stanley Miller.	Como estudiante, recreó un entorno artificial para la obtención de aminoácidos a partir de materia no viva ( sustancias químicas). El experimento Miller-Urey simuló las condiciones de la Tierra en matraces interconectados. Los matraces estaban llenos de una mezcla de gases (amoníaco, hidrógeno, monóxido de carbono), similar en composición a la atmósfera primitiva de la Tierra. En una parte del sistema había agua en constante ebullición, cuyos vapores estaban sometidos a descargas eléctricas (simulando un rayo). A medida que se enfriaba, el vapor se acumulaba en forma de condensado en el tubo inferior. Después de una semana de experimentos continuos, se descubrieron aminoácidos, azúcares y lípidos en el matraz.
	El biólogo británico Richard Dawkins	En su libro “El gen egoísta”, sugirió que la sopa primordial no formaba gotas de coacervados, sino moléculas capaces de reproducirse. Bastaba que surgiera una molécula para que sus copias llenaran el océano

Arroz. 3. El experimento de Miller.

El experimento de Miller ha sido criticado repetidamente y no se reconoce plenamente como una confirmación práctica de la teoría de Oparin-Haldane. El principal problema es obtener de la mezcla resultante sustancias orgánicas que forman la base de la vida.

¿Qué hemos aprendido?

De la lección aprendimos sobre la esencia de la hipótesis de Oparin-Haldane sobre el origen de la vida en la Tierra. Según la teoría, las sustancias de alto peso molecular (proteínas, grasas, carbohidratos) surgieron de la materia inanimada como resultado de reacciones bioquímicas complejas bajo la influencia del entorno externo. La hipótesis fue probada por primera vez por Stanley Miller, recreando las condiciones de la Tierra antes del origen de la vida. Como resultado, se obtuvieron aminoácidos y otras sustancias complejas. Sin embargo, aún no se ha confirmado cómo se reprodujeron estas sustancias.

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