Вече беше казано по-рано, че използването на компютри направи възможно изграждането и изчисляването на формирането и развитието на слънчевата система и по-специално на Земята на различни модели. Химическа еволюция на Земята По време на еволюцията на Земята са се образували определени пропорции на различни елементи. Земята, най-масивната от вътрешните планети, е преминала през най-трудния път на химическата еволюция. Трябва да се подчертае, че геоложката история на Земята...
Споделете работата си в социалните мрежи
Ако тази работа не ви подхожда, в долната част на страницата има списък с подобни произведения. Можете също да използвате бутона за търсене
Концепции на съвременното естествознание
Лекция 16. Химическа еволюция на Земята
Вече беше казано по-рано, че използването на компютри направи възможно изграждането и изчисляването на формирането и развитието на слънчевата система и по-специално на Земята на различни модели.
Най-убедителният модел е образуването на Слънцето и планетите от един въртящ се газопрахов комплекс, т.е. в съответствие съсротационен хипотези. Нека припомним, че според тези хипотези в центъра на въртяща се газова мъглявина се е образувала протозвезда – Слънцето. Центробежните сили в екваториалната област доведоха до появата на нестабилни потоци газ и прах. Впоследствие тази част от материята е била откъсната от Слънцето, отнасяйки със себе си излишния ъглов момент. Така се е образувал газопрахов диск (пръстен) в екваториалната равнина на Слънцето.
Слънцето нагрява вътрешната част на този пръстен, причинявайки изпарение и „изхвърляне“ на по-леки елементи в далечните части на пръстена от слънчевия вятър. Този процес отне около 100 милиона години. В зависимост от разстоянието от Слънцето, различните части на мъглявината се охлаждат с различна скорост, което води до разлики в протичането на химичните процеси. Химическата еволюция на планетите и в частност на Земята също протича по различен начин: първо се кондензират най-огнеупорните елементи, а след това летливите. Разглеждаме по-нататъшната история на развитието на химичните съединения в контекста на развитието на Земята.
Обратно в началото на документа
1. Химическа еволюция на Земята
По време на еволюцията на Земята са се развили определени пропорции на различни елементи. Веществото на планетите, кометите, метеоритите и Слънцето съдържа всички елементи на периодичната система, което доказва техния общ произход, но количествените отношения са различни. Броят на атомите на всеки химичен елемент в различни природни системи обикновено се изразява по отношение на силиций, тъй като силицийът принадлежи към изобилни и трудно летливи съединения.
С увеличаване на поредния номер разпространението на елементите намалява, но не равномерно. Прави впечатление, чеелементи с четен атомен номер, особено елементи с масово число, което е кратно на 4, са по-често срещани. Те включват по-специално He, CO, Ne, Mg, Si, S, Ar, Ca. Факт е, че тези масови числа съответстват на стабилни ядра. Американските космохимици Г. Ури и Г. Зюс пишат следното за това: „... изобилието от химични елементи и техните изотопи се определя от ядрените свойства, а материята около нас е подобна на пепелта от космическия ядрен огън, от който то е създадено.”
Радиоактивността е едно от най-важните свойства на Земята, което определя нейния произход и химическа еволюция. Всички първични планети са били силно радиоактивни. Нагрявайки се поради енергията на радиоактивния разпад, те претърпяха химическа диференциация, която завърши с образуването на вътрешни метални ядра на земните планети.
Литофилни елементи, т.е. елементите, образуващи твърдите обвивки на планетите (Si, O, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K), се преместиха нагоре, отделянето на газове от разтопеното вещество на мантиите по време на топенето на стопими фракции доведе до базалтови стопи, които също се изляха на повърхността на планетите. Газовите компоненти, избягали с тях, доведоха до първични атмосфери, които можеха да задържат само относително големи планети, включително Земята. Диаграмата на формиране на структурата на Земята е показана на фиг. 1.
Земята е най-масивната сред вътрешните планети и е преминала през най-трудния път на химическата еволюция. Сложни органични съединения, открити също в метеоритната материя, също бяха асимилирани. Тези вещества са се образували в последните етапи на охлаждане на протопланетарния облак. Впоследствие на Земята те доведоха до появата на живот.
Обратно в началото на документа
Геохронология. Руският геохимик A.E. Ферсман (1883-1945) разделя съществуването на атомите на Земята на три епохи:
Ерата на звездните условия на съществуване,
- ерата на началото на формирането на планетите,
- ера на геоложко развитие.
За да се обозначат времената и последователността на образуване на скалите на Земята през епохата на нейното геоложко развитие, терминътгеохронология.
През 1881 г. в Болоня на Международния геологически конгрес се въвеждат термините ера, епоха, период, век, време и се приема геохронологичната скала.
Трябва да се подчертае, че геоложката история на Земята е неотделима от нейната биологична еволюция, тя протича в тясна връзка и под влияние на развитието на живота. Тези връзки намират отражение и в геохронологията.
Според степента на познаване на геоложката и биологичната история на Земята, цялото време на нейното съществуване се разделя на две неравни части:
1. Криптоза (criptos secret), тази част обхваща огромен период от време (от 570 до 3800 милиона години). Това е период със скрито развитие на органичния живот, включително архейската и протерозойската ера.
2. Фанерозой (гръцки phaneros „проява“ + zoe „живот“), по-късният компонент от 570 милиона години и включващ палеозойската, мезозойската и кайнозойската ера;
Повратната точка в историята на биологичната еволюция на Земята е камбрийският период на палеозойската ера. Ако докамбрийската ера е била време на изключително господство на едноклетъчните организми, то пост-камбрийската ера се е превърнала в ерата на многоклетъчните форми. През камбрийския период за първи път в историята на еволюцията възникват многоклетъчни организми от съвременен тип, формират се всички основни характеристики на онези телесни „планове“, според които тези организми все още са изградени, създават се предпоставки за бъдещото излизане на тези организми от моретата на сушата и завладяването им на цялата повърхност на Земята.
Все още изглежда мистериозно, че появата на нови форми не се простира през цялата камбрийска ера или поне през значителна част от нея, а се случва почти едновременно, в продължение на около три до пет милиона години. В геоложки времеви мащаби това е абсолютно незначителен период - той е само една хилядна от общата продължителност на еволюцията. Този еволюционен скок е наречен "Камбрийска експлозия".
Обратно в началото на документа
2. Концепцията за самоорганизация в химията.
Въпросът за произхода на органичния живот все още остава един от най-интересните и сложни въпроси в съвременното естествознание. Да се отговори на този въпрос означава да се обясни как природата е създала най-сложните макромолекули от минимум химични елементи и съединения, а след това високо организиран комплекс от биосистеми?
Отговорът на този въпрос в момента се търси в една специална химическа наука – Еволюционната химия. Понякога се нарича ощепребиология науката за самоорганизацията на химичните системи.
Самоорганизацията се разбира като спонтанно нарастване на подредеността на нивата на динамична сложност на материала, т.е. качествено променящи се системи.
Субстратни и функционални подходи към проблема за самоорганизацията на предбиологичните системи.В рамките на еволюционната химия има два подхода към проблема за самоорганизацията: субстратен и функционален. Функционалният подход фокусира вниманието върху изучаването на процесите на самоорганизация на самите материални системи, върху идентифицирането на законите, на които се подчиняват тези процеси. Тук еволюционните процеси често се разглеждат от гледна точка на кибернетиката. Крайната гледна точка в този подход е твърдението за пълно безразличие към материала на развиващите се системи.
Субстратен подходсе състои в изучаване на материалната основа на биологичните системи, т.е. елементи-органи и определена структура от химични съединения, включени в живия организъм. Резултатът от субстратния подход към проблема с биогенезата (т.е. произхода на живота) е да се получи информация за подбора на химични елементи и структури.
Наистина има определен избор на химични елементи за създаване на развиващи се системи. Понастоящем са известни повече от 100 химични елемента, но основата на живите системи се състои от само 6 елемента, наречени органогени: S, N, O, N, P, S , чиято обща тегловна част е 97,4 % . Следват още 12 елемента, които участват в изграждането на много физиологично важни компоненти на биосистемите: Na, K, Ca, Mg, Mn, Fe, Si, Al, Cl, Cu, Zn, Co. Тегловната им част в организмите е 1,6%.
За подбор свидетелства и общата химична картина на света. В момента са известни около 8 милиона химични съединения. От тях по-голямата част (около 96%) са органични съединения, чийто основен строителен материал са същите 6 + 12 елемента. Интересно е, че от останалите химични елементи природата е създала само около 300 хиляди неорганични съединения.
Важно е да се отбележи, че от такъв тесен кръг органични вещества, подбрани от природата, се формира целият трудно видим жив свят.
Какви са принципите на подбор на химични съединения - един вид "химически препарат" за образуване на сложни биологични системи?
Оказа се, че решаващата роля тук принадлежи на катализаторите, т.е. вещества, които активират молекулите на реагентите и увеличават скоростта на химичните реакции. Катализаторите обаче не остават непроменени по време на химичните реакции: тяхната активност или намалява, или се увеличава.
Обратно в началото на документа
3. Обща теория на химическата еволюция и биогенезата
През 60-те години на 20 век експериментално е установено, че в хода на химическата еволюция са избрани онези химически структури, които са допринесли за рязко повишаване на активността и селективността на катализаторите. Това позволи на професора от MSU A.P. Руденко през 1964 г., теорията за саморазвитието на отворени каталитични системи, която с право може да се счита за обща теория на хемо- и биогенезата. Същността на тази теория е, че химическата еволюция е саморазвитието на каталитичните системи и следователно еволюиращото вещество е катализаторите.
А.П. Руденко формулира и основния закон на химическата еволюция:с най-голяма скорост и вероятност се формират тези пътища на еволюционни промени в катализатора, при които има максимално увеличение на неговата абсолютна активност.
Саморазвитието, самоорганизацията на системите може да възникне само поради постоянен приток на енергия, чийто източник е основният, т.е. основна реакция.От това следва, че максималните еволюционни предимства се получават от каталитични системи, развиващи се на основатаекзотермиченреакции.
Период на химическата еволюция.В ранните етапи на химическата еволюция на света катализата отсъства. Първите прояви на катализа започват, когато температурата падне до 5000 ° K и по-ниска и се образуват първични твърди вещества. Също така се смята, че когато периодът на химическа подготовка, т.е. периодът на интензивни и разнообразни химични трансформации беше заменен от период на биологична еволюция; химическата еволюция сякаш замръзна.
Приложно значение на еволюционната химия.Еволюционната химия не само помага да се разкрие механизмът на биогенезата, но също така прави възможно разработването на нов контрол на химичните процеси, който включва прилагането на принципите на синтез на подобни молекули и създаването на нови мощни катализатори, включително биокатализатори и ензими, а това от своя страна е ключът към решаването на проблемите за създаване на нискоотпадъчни, безотпадни и енергоспестяващи промишлени процеси.
Обратно в началото на документа
Теории за произхода на живота
Най-известните до момента теории за произхода на живота на Земята са следните.
Креационизъм . Според тази теория животът е създаден от свръхестествено същество Бог в определено време. Това мнение се поддържа от последователите на почти всички религиозни учения. Сред тях обаче няма единна гледна точка по този въпрос, по-специално относно тълкуването на традиционната християнско-еврейска идея за създаването на света (Книга Битие). Някои приемат Библията буквално и вярват, че светът и всички живи организми, които го населяват, са създадени за шест дни по 24 часа (през 1650 г. архиепископ Ашър, събирайки възрастта на всички хора, споменати в библейската генеалогия, изчислява, че Бог започва да създава света през октомври 4004 г. пр.н.е. и завърши работата си през декември на 23 октомври в 9 сутринта, създавайки човека. Оказва се обаче, че Адам е създаден във време, когато в Близкия изток вече е съществувала добре развита градска цивилизация). Други не третират Библията като научна книга и смятат, че основното в нея е божественото откровение за създаването на света от всемогъщия Създател във форма, разбираема за хората от древния свят. С други думи, Библията не отговаря на въпросите „как?“ и “кога?”, но отговаря на въпроса “защо?”. В широк смисъл креационизмът по този начин позволява както създаването на света в неговата завършена форма, така и създаването на свят, развиващ се според законите, определени от Създателя.
Процесът на божествено създаване на света се възприема като осъществен само веднъж и следователно недостъпен за наблюдение. За вярващия обаче теологичната (божествена) истина е абсолютна и не изисква доказателства. В същото време за истинския учен научната истина не е абсолютна, тя винаги съдържа елемент на хипотеза. По този начин понятието креационизъм автоматично е извън обхвата на научните изследвания, тъй като науката се занимава само с онези явления, които са наблюдаеми и могат да бъдат потвърдени или отхвърлени по време на изследване (принципът на фалшификацията на научните теории). С други думи, науката никога няма да може да докаже или отхвърли креационизма.
Спонтанно поколение. Според тази теория животът е възникнал и възниква многократно от нежива материя. Тази теория е широко разпространена в Древен Китай, Вавилон и Египет. Аристотел, който често се нарича основател на биологията, развивайки по-ранните твърдения на Емпедокъл за еволюцията на живите същества, се придържа към теорията за спонтанния произход на живота. Той вярва, че „...живи същества могат да възникнат не само чрез чифтосване на животни, но и чрез разлагане на почвата.“ С разпространението на християнството тази теория се оказа в същата „рамка“, прокълната от църквата с окултизма, магията и астрологията, въпреки че продължи да съществува някъде на заден план, докато не беше експериментално опровергана през 1688 г. от италианския биолог и лекар Франческо Реди. Принципът „Животът възниква само от живеенето“ се нарича в науката принципът на Реди. Така възниква концепцията за биогенезата, според която животът може да възникне само от предишен живот. В средата на 19 век Л. Пастьор окончателно опровергава теорията за спонтанното поколение и доказва валидността на теорията за биогенезата.
Теория за панспермията. Според тази теория животът е донесен на Земята отвън, следователно по същество не може да се счита за теория за произхода на живота като такъв. Той не предлага никакъв механизъм за обяснение на първичния произход на живота, а простопоставя проблема за произхода на животана някое друго място във Вселената.
Теория на биохимичната еволюция. Животът е възникнал в специфичните условия на древната Земя в резултат на процеси, подчиняващи се на физични и химични закони.
Последната теория отразява съвременните природонаучни възгледи и затова ще бъде разгледана по-подробно.
Според съвременната наука възрастта на Земята е приблизително 4,5 5 милиарда години. В далечното минало условията на Земята са били коренно различни от съвременните, което е предопределило определен ход на химическата еволюция, която е била предпоставка за възникването на живота. С други думи, същинската биологична еволюция е предшествана отпребиотикеволюция, свързана с прехода от неорганична материя към органична материя и след това към елементарни форми на живот. Това беше възможно при определени условия, които съществуваха на Земята по това време, а именно:
· висока температура, около 4000ОТНОСНО С,
атмосфера, състояща се от водна пара, CO 2, CH 3, NH 3 ,
наличие на серни съединения (вулканична активност),
висока електрическа активност на атмосферата,
· ултравиолетова радиация от Слънцето, която лесно достига до долните слоеве на атмосферата и повърхността на Земята, тъй като озоновият слой все още не се е образувал.
Трябва да се подчертае една от най-важните разлики между теорията за биохимичната еволюция и теорията за спонтанното зараждане, а именно: според тази теорияживотът е възникнал в условия, които са неподходящи за съвременната биота!
Обратно в началото на документа
Хипотезата на Опарин-Халдейн. През 1923 г. се появява известната хипотеза на Опарин, която се свежда до следното: първите сложни въглеводороди могат да възникнат в океана от по-прости съединения, постепенно да се натрупват и да доведат до появата на „първичен бульон“. Тази хипотеза бързо придобива тежестта на теория. Трябва да се каже, че последващите експериментални изследвания показаха валидността на подобни предположения. Така през 1953 г. С. Милър, симулирайки предполагаемите условия на древната Земя (висока температура, ултравиолетова радиация, електрически разряди), синтезира в лабораторни условия 15 аминокиселини, които са част от живите същества, някои прости захари (рибоза). По-късно са синтезирани прости нуклеинови киселини (Orgel). В момента всичките 20 аминокиселини, които формират основата на живота, са синтезирани.
Опарин предположи, чеПротеините играят решаваща роля в превръщането на неживите същества в живи същества.. Протеините са способни да образуват хидрофилни комплекси: водните молекули образуват обвивка около тях. Тези комплекси могат да се отделят от водната фаза и да образуват така наречените коацервати (<лат. сгусток, куча) с липидной оболочкой, из которой затем могли образоваться примитивные клетки. Существенный недостаток этой гипотезы она не опирается на современную молекулярную биологию. Это вполне объяснимо, поскольку механизм передачи наследственных признаков и роль ДНК стали известны сравнительно недавно.
(Английският учен Халдейн (Университетът на Кеймбридж) публикува своята хипотеза през 1929 г., според която живите същества също са се появили на Земята в резултат на химически процеси в земната атмосфера, богата на въглероден диоксид, и първите живи същества са може би „огромни молекули. ” Той не спомена нито хидрофилни комплекси, нито коацервати, но името му често се споменава до името на Опарин и хипотезата беше наречена хипотезата на Опарин-Халдейн.)
Решаващата роля за възникването на живота впоследствие е отредена на появата на механизъм за репликация на ДНК молекулата. Наистина, каквато и да е сложна комбинация от аминокиселини и други сложни органични съединения не е живот. В крайна сметка най-важното свойство на живота е способността му да се самовъзпроизвежда. Проблемът тук е, че самата ДНК е „безпомощна“, тя може да функционирасамо в присъствието на ензимни протеини(например молекула на ДНК полимераза, която "развива" молекулата на ДНК, подготвяйки я за репликация). Остава открит въпросът как такива сложни „машини“ като прото-ДНК и сложният комплекс от протеини-ензими, необходими за нейното функциониране, могат да възникнат спонтанно.
Наскоро беше разработена една идеяпроизход на живота въз основа на РНК, т.е. първите организми биха могли да бъдат РНК, която, както показват експериментите, може да еволюира дори в епруветка. Наблюдават се условия за еволюцията на такива организмипо време на кристализацията на глината. Тези предположения се основават по-специално на факта, че по време на кристализацията на глините всеки нов слой кристали се подрежда в съответствие с характеристиките на предишния, като че ли получава информация за структурата от него. Това наподобява механизма на репликация на РНК и ДНК. Така се оказва, че химическата еволюция е започнала с неорганични съединения и първите биополимери може да са резултат от автокаталитични реакциималки молекули глинени алумосиликати.
Обратно в началото на документа
Хиперцикли и произход на живота. Концепцията за самоорганизация може да допринесе за по-доброто разбиране на процесите на произхода и еволюцията на живота, въз основа на теорията за химическата еволюция на Руденко, обсъдена по-рано, и хипотезата на немския физикохимик М. Айген. Според последното процесът на възникване на живи клетки е тясно свързан с взаимодействиетонуклеотиди ( нуклеотиди - елементи на нуклеиновите киселини цитозин, гуанин, тимин, аденин), които са материални носители на информация, И протеини (полипептиди[ 1] ), служещи като катализаторихимична реакция. В процеса на взаимодействие нуклеотидите под въздействието на протеините се възпроизвеждат и предават информация на протеина, който ги следва, така чезатворена автокаталитична верига, която М. Айген извикахиперцикъл . В хода на по-нататъшната еволюция от тях възникват първите живи клетки, първо без ядро (прокариоти), а след това с ядра - еукариоти.
Тук, както виждаме, има логична връзка между теорията за еволюцията на катализаторите и концепцията за затворена автокаталитична верига. В хода на еволюцията принципът на автокатализата се допълва от принципа на самовъзпроизвеждането на цялостен циклично организиран процес в хиперцикли, предложен от М. Айген. Възпроизвеждането на компонентите на хиперциклите, както и тяхното комбиниране в нови хиперцикли, е придружено от увеличаване на метаболизма, свързан със синтеза на високоенергийни молекули и елиминирането на енергийно бедните молекули като „отпадък“. (Интересно е да се отбележат характеристиките на вирусите като междинна форма между живот и неживот:те са лишени от способността да метаболизират и, прониквайки в клетките, започват да използват тяхната метаболитна система). И така, според Айген, има конкуренция между хиперцикли или цикли от химични реакции, които водят до образуването на протеинови молекули. Цикли, които работят по-бързо и по-ефективно от другите, „печелят“ конкуренцията.
По този начин концепцията за самоорганизация ни позволява да установим връзка между живите и неживите същества в хода на еволюцията, така че появата на живот да не изглежда като чисто случайна и изключително малко вероятна комбинация от условия и предпоставки за появата му. .Освен това самият живот подготвя условията за по-нататъшното си развитие.
Обратно в началото на документа
Контролни въпроси
1. Избройте основните етапи на формирането на планетата в съответствие с ротационния модел.
2. Какви общи характеристики на планетите от Слънчевата система показват общ произход на планетите?
3. Обяснете изобилието от химични елементи в Слънчевата система.
4. Как е станала диференциацията на земното вещество? Обяснете структурата на Земята.
5. Какво е геохронология?
6. На какви части (според степента на познаване) е разделена историята на Земята?
7. Кои елементи се наричат органогени и защо?
8. Какви елементи образуват химичния състав на живите системи?
9. Какво е самоорганизация?
10. Каква е същността на субстратните и функционалните подходи към проблема за самоорганизацията на химичните системи?
11. Какво е еволюционна химия?
12. Какво може да се каже за естествения подбор на химичните елементи и техните съединения по време на химическата еволюция?
13. Какво означава саморазвитие на каталитичните системи?
14. Какво е приложното значение на еволюционната химия?
15. Избройте основните теории за произхода на живота.
16. Какво е креационизъм? Възможно ли е да се опровергае креационизмът? Обяснете отговора си.
17. Кое е слабото място на теорията за панспермията?
18. Как теорията за биохимичната еволюция се различава от теорията за спонтанния произход на живота?
19. Какви условия се считат за необходими за появата на живот в резултат на биохимичната еволюция?
20. Какво представлява пребиотичната еволюция?
21. Какво представлява хипотезата на Опарин-Халдейн?
22. Какъв е основният проблем при обяснението на прехода от „неживо“ към „живо“?
23. Какво е хиперцикъл?
Литература
1. Дубнищева Т.Я. Концепции на съвременното естествознание. - Новосибирск: UKEA, 1997.
2. Кузнецов В.Н., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествени науки. - М.: Агар, 1996.
3. Грядовой Д.Н. Концепции на съвременното естествознание. Структурен курс по основи на естествознанието. - М.: Учпед, 1999.
4. Концепции на съвременната естествознание / изд. С.И. Самигина. - Ростов n/d: Феникс, 1997.
5. Яблоков А.В., Юсуфов А.Г. Еволюционна доктрина. М.: Висше училище, 1998.
6. Рузавин Г.И. Концепции на съвременното естествознание. М.: „Култура и спорт“, UNITI, 1997.
7. Солопов Е.Ф. Концепции на съвременното естествознание. М.: Владос, 1998.
8. Нуделман Р. Камбрийският парадокс. - “Знанието е сила”, август, септември-октомври 1988 г.
[ 1] полипептиди с дълга верига от аминокиселини
Обратно в началото на документа
Правата за разпространение и използване на курса принадлежат на
Уфимски държавен авиационен технически университет
Актуализиран на 19.02.2002 г.
Уеб администраторът O.V. Трушин
Други подобни произведения, които може да ви заинтересуват.vshm> |
|||
| 14714. | Еволюция на Земята | 105,7 KB | |
| В края на краищата, най-дълбоките кладенци, които са били пробити в земната дебелина, не надвишават 1012 km, което е около една трета от средната дебелина на земната кора, около 30 km, и само 017 радиус на Земята от 6300 km. По този начин например беше открита границата между земната кора и горната литосфера, границата на Мохоровичич, беше доказано, че външното ядро е течно и бяха получени огромно количество надеждни данни за вътрешната структура. на Земята. Именно с помощта на радиоактивни часовници е определена възрастта на Земята и... | |||
| 21266. | Химична кинетика и равновесие | 23,79 KB | |
| Цел на работата: да се изследва влиянието на температурата върху скоростта на реакцията на концентрация до промяна в химичното равновесие. Теоретична обосновка: Скоростта на химическа реакция е количеството вещество, което реагира или се образува в резултат на реакция за единица време на единица обем за хомогенни реакции или на единица интерфейсна повърхност за хетерогенни реакции. Ако в рамките на определен период от време... | |||
| 21607. | Химическа корозия. Методи за защита от корозия | 21,93 KB | |
| Машините и устройствата, изработени от метали и сплави, са подложени на корозия, когато се използват в естествена или технологична среда. В резултат на корозията свойствата на метала се променят и неговите функционални характеристики често се влошават. Металът по време на корозия може да бъде частично или напълно разрушен. | |||
| 12744. | Химични характеристики на природните води - обекти на еколого-аналитичен контрол | 82,84 KB | |
| Природните води като дисперсни системи. Водороден индикатор pH - влиянието на ниски концентрации на киселини и основи върху pH на естествената вода. Природните води като дисперсни системи. Обектът на аналитичен контрол на околната среда е водата: прясна повърхностна подземна морска вода, както и валежи, стопена вода, отпадъчни води, зауствани в повърхностни водни тела. | |||
| 9340. | Оценка на земята | 20,95 KB | |
| Оценка на стойността на земята. Оценка на стойността на земята. Предмет на оценка Пазар на земята Стандартна цена на земята Пазарна стойност на земята. Второ, много съставни образувания на Руската федерация са въвели система за диференцирано данъчно облагане на земята. | |||
| 7608. | Състоянието на пазара на земя в Русия | 67,95 KB | |
| Проблемът за подобряване на правното регулиране на поземлените отношения в Русия напоследък се превърна в един от най-належащите и се обсъжда широко не само сред юристи, законодатели и политици, но и в обществото като цяло. Мненията на страните, участващи в дискусията, понякога са противоречиви | |||
| 5794. | ДУПКИ В ОЗОНОВИЯ СЛОЙ НА ЗЕМЯТА | 17,86 KB | |
| Ролята, която озонът играе за хората и за целия живот на Земята, стана ясна с откриването на озоновия слой. През 1912 г. френските физици Чарлз Фабри и Анри Буисон, използвайки спектроскопични измервания, успяха да докажат, че в далечните слоеве на атмосферата има озон, който предпазва повърхността на планетата от вредното въздействие на ултравиолетовата слънчева радиация. Височината на озоновия слой варира от 12 до 50 км над повърхността на Земята. Според съвременните изследователи само наличието на озонов слой е позволило на живите организми... | |||
| 20227. | РАЗПРЕДЕЛЕНИЕ НА ТОПЛИНАТА. ОСНОВНИ КЛИМАТИЧНИ ПОЯСИ НА ЗЕМЯТА | 3,96 MB | |
| Тук възниква думата климат климатичен наклон, което в продължение на много векове означава определена зона от земната повърхност, ограничена от два кръга на ширина. Цели на курсовата работа: Да се изследват факторите на разпределение на топлината върху земната повърхност; Помислете за основните климатични зони на Земята. На повърхността на Слънцето, фотосферата, температурата достига... | |||
| 20215. | Беларуските земи като част от Полско-Литовската общност (1569-1795) | 55,14 KB | |
| Създаване на Полско-Литовската Жечпосполита. Държавно-правен и политически статут на беларуските земи като част от Полско-Литовската общност. Политическата криза на Жечпосполита и трите поделения на нейната територия. | |||
| 3202. | Търсене и предлагане на пазара на земя. Нееластичност на предлагането на поземлени услуги | 23,7 KB | |
| Нееластичност на предлагането на поземлени услуги. Запасите от земя като ресурс за нас са строго ограничени и незаменими. Уникалността на поземлените ресурси и строгата ограниченост на земите за ползване пораждат явлението поземлена рента. като заплащане за ползване на строго ограничен и незаменим ресурс – земя. | |||
Теория на химическата еволюция (пребиотична еволюция, теория на абиогенезата) - първият етап от еволюцията на живота, по време на който органичните, пребиотични вещества са възникнали от неорганични молекули под въздействието на външни енергийни и селекционни фактори и поради разгръщането на процеси на самоорганизация, характерни за всички относително сложни системи, които несъмнено са всички молекули, съдържащи въглерод. С тези термини се обозначава и теорията за появата и развитието на онези молекули, които са от фундаментално значение за възникването и развитието на живата материя.
Животът в нашата Вселена е представен в единствената възможна версия: като „начин на съществуване на протеинови тела“, реализиран благодарение на уникалната комбинация от полимеризационните свойства на въглерода и деполяризиращите свойства на течнофазната водна среда, като съвместно необходими и достатъчни условия за появата и развитието на всички познати ни форми на живот. Това означава, че поне в рамките на една формирана биосфера може да има само един наследствен код, общ за всички живи същества от дадена биота, но остава открит въпросът дали съществуват други биосфери извън Земята и дали са възможни други варианти на генетичния апарат. .
Проучване
Изследването на химическата еволюция се усложнява от факта, че понастоящем знанията за геохимичните условия на древната Земя не са достатъчно пълни. Затова освен геоложки се използват и астрономически данни. По този начин условията на Венера и Марс се считат за близки до тези, които са били на Земята на различни етапи от нейната еволюция. Основните данни за химическата еволюция са получени от моделни експерименти, при които сложни органични молекули са получени чрез симулиране на различни химически състави на атмосферата, хидросферата и литосферата и климатичните условия. Въз основа на наличните данни са изказани редица хипотези за специфичните механизми и преки движещи сили на химическата еволюция.
Абиогенеза
В широк смисъл абиогенеза- възникването на живи същества от неживи същества, тоест първоначалната хипотеза на съвременната теория за произхода на живота. През 20-те години на 20 век академик Александър Опарин предполага, че в разтвори на високомолекулни съединения могат спонтанно да се образуват зони с повишена концентрация, които са относително отделени от външната среда и могат да поддържат обмен с нея. Той ги нарече коацерватни капки или просто коацервати.
През 1953 г. Стенли Милър експериментално извършва абиогенен синтез на аминокиселини и други органични вещества при условия, възпроизвеждащи условията на първобитната Земя. Съществува и теория за хиперциклите, според която първите прояви на живота са съответно под формата на хиперцикли – комплекс от сложни каталитични реакции, чиито продукти са катализатори за последващи реакции.
През 2008 г. американски биолози направиха важна крачка към разбирането на началните етапи от възникването на живота. Те успяха да създадат "протоклетка" с обвивка от прости липиди и мастни киселини, способни да изтеглят активирани нуклеотиди от околната среда - "градивните елементи", необходими за синтеза на ДНК.
Аспекти
Хипотезите за химическата еволюция трябва да обяснят различни аспекти:
1.
Небиологичното начало на биомолекулите, тоест тяхното развитие от неживи и съответно неорганични предшественици.
2.
Появата на химически информационни системи, способни на самовъзпроизвеждане и самопромяна, т.е. появата на клетка.
3.
Появата на взаимна зависимост на функция (ензими) и информация (РНК, ДНК).
4.
Екологичните условия на Земята в периода от преди 4,5 до 3,5 милиарда години.
Единен модел на химическата еволюция все още не е разработен, може би защото основните принципи все още не са открити.
Обосновавам се
Биомолекули
Пребиотичният синтез на сложни молекулни съединения може да бъде разделен на три последователни етапа:
1.
Появата на прости органични съединения (алкохоли, киселини, хетероциклени съединения: пурини, пиримидини и пироли) от неорганични материали.
2.
Синтез на по-сложни органични съединения - "биомолекули" - представители на най-често срещаните класове метаболити, включително мономери - структурни единици на биополимери (монозахариди, аминокиселини, мастни киселини, нуклеотиди) от прости органични съединения.
3.
Появата на сложни биополимери (полизахариди, протеини, нуклеинови киселини) от основни структурни единици - мономери.
Развитие на древната атмосфера
Развитието на земната атмосфера е част от химическата еволюция и също важен елемент в историята на климата. Днес тя е разделена на четири важни етапа на развитие.
В началото химичните елементи са се образували в космоса и от тях е възникнала земята – преди приблизително 4,56 милиарда години. Предполага се, че нашата планета вече доста рано е имала атмосфера от водород и хелий, която обаче постепенно е изтекла в открития космос. Астрономите също смятат, че поради относително високите температури и ефектите на слънчевия вятър малки количества леки химични елементи (включително въглерод, азот и кислород) могат да останат на Земята и други планети близо до Слънцето. Всички тези елементи, които днес съставляват по-голямата част от биосферата, са били донесени от кометни удари от външната част на Слънчевата система едва след дълъг период от време, когато протопланетите са се охладили малко. През първите няколко милиона години след възникването на Слънчевата система сблъсъците с небесни тела се повтарят непрекъснато и предизвиканите от тях сблъсъци унищожават формираните по това време живи системи. Следователно появата на живот може да започне само след натрупване на вода за дълъг период от време, поне в най-дълбоките падини.
С бавното охлаждане на земята, вулканичната активност (отделянето на газове от вътрешността на земята) и глобалното разпределение на материали от падналите комети възникна втора атмосфера на земята. Най-вероятно се състои от водна пара (H2O до 80%), въглероден диоксид (CO2 до 20%), сероводород (до 7%), амоняк и метан. Високият процент на водна пара се обяснява с факта, че повърхността на земята по това време все още е била твърде гореща за образуване на морета. Първо, в условията на младата земя от вода, метан и амоняк могат да се образуват малки органични молекули (киселини, алкохоли, аминокиселини), а по-късно - органични полимери (полизахариди, мазнини, полипептиди), които са били нестабилни в кисела атмосфера.
След като атмосферата се охлади до температура под точката на кипене на водата, дойде много дълъг дъжд, който образува океаните. Наситеността на други атмосферни газове спрямо водните пари се е увеличила. Силната ултравиолетова радиация причинява фотохимично разграждане на вода, метан и амоняк, което води до натрупване на въглероден диоксид и азот. Леки газове - водород и хелий - бяха пренесени в космоса, въглеродният диоксид беше разтворен в големи количества в океана, окислявайки водата. Стойността на pH падна до 4. Инертният и слабо разтворим азот N2 се натрупа с времето и формира основния компонент на атмосферата преди около 3,4 милиарда години.
Утаяването на разтворен въглероден диоксид (карбонати), който реагира с метални йони, и по-нататъшното развитие на живи същества, които усвояват въглероден диоксид, доведоха до намаляване на концентрацията на CO2 и повишаване на pH във водните тела.
Кислородът O2 изигра решаваща роля в по-нататъшното развитие на атмосферата. Той се е образувал с появата на живи същества, способни на фотосинтеза, вероятно цианобактерии (синьо-зелени водорасли) или подобни прокариоти. Усвояването им на въглероден диоксид доведе до по-нататъшно намаляване на киселинността, но насищането на атмосферата с кислород остана доста ниско. Причината за това е незабавното използване на кислород, разтворен в океана, за окисляване на йони на двувалентно желязо и други окисляеми съединения. Преди около два милиарда години този процес е завършен и кислородът започва постепенно да се натрупва в атмосферата.
Силно реактивният кислород лесно окислява чувствителните органични биомолекули и по този начин се превръща във фактор за селекция на околната среда за ранните организми. Само няколко анаеробни организми успяха да се преместят в безкислородни жилищни пространства; другата част развиха ензими, които правят кислорода безопасен.
Преди милиард години съдържанието на кислород в атмосферата премина нивото от един процент и няколко милиона години по-късно се образува озоновият слой. Днешното съдържание на кислород от 21% е достигнато само преди 350 милиона години и оттогава остава стабилно.
Значението на водата за възникването на живота
H2O е химично съединение, присъстващо при нормални условия и в трите агрегатни състояния.
Животът, както го познаваме (или го дефинираме), изисква вода като универсален разтворител. Водата притежава комплекс от качества, които правят живота възможен. Няма доказателства, че животът може да възникне и съществува независимо от водата и е общоприето, че само наличието на вода в течна фаза (в определен район или на определена планета) прави възможна появата на живот там.
Илюстрации
Ориз. 1-2. Сухоземните и дълбоководните вулкани са вероятна предпоставка за появата на живот на Земята
Според повечето учени (предимно астрономи и геолози) Земята се е формирала като небесно тяло преди около 5 милиарда години. чрез кондензация на частици от облак газ и прах, въртящ се около Слънцето.
Под въздействието на силите на компресия частиците, от които е образувана Земята, отделят огромни количества топлина. В дълбините на Земята започват термоядрени реакции. В резултат на това Земята се нагрява силно. Така 5 милиарда години т.нар. Земята представляваше гореща топка, носеща се през космическото пространство, чиято повърхностна температура достигаше 4000-8000°C (фиг. 2.4.1.1).
Постепенно, поради излъчването на топлинна енергия в открития космос, Земята започва да се охлажда. Около 4 милиарда години т.нар. Земята се охлажда толкова много, че на повърхността й се образува твърда кора; в същото време от дълбините му изригват леки газообразни вещества, които се издигат нагоре и образуват първичната атмосфера. Съставът на първичната атмосфера беше значително различен от съвременния. Очевидно в атмосферата на древната Земя не е имало свободен кислород и нейният състав е включвал вещества в редуцирано състояние, като водород (H 2), метан (CH 4), амоняк (NH 3), водни пари (H 2 O ), и вероятно също азот (N 2), въглероден оксид и въглероден диоксид (CO и CO 2).
Редукционният характер на първичната атмосфера на Земята е изключително важен за произхода на живота, тъй като веществата в редуцирано състояние са силно реактивни и при определени условия могат да взаимодействат помежду си, образувайки органични молекули. Отсъствието на свободен кислород в атмосферата на първичната Земя (почти целият кислород на Земята е свързан под формата на оксиди) също е важна предпоставка за появата на живот, тъй като кислородът лесно се окислява и по този начин разрушава органичните съединения. Следователно, при наличието на свободен кислород в атмосферата, натрупването на значителни количества органични вещества на древната Земя би било невъзможно.
Около 5 милиарда години и т.н.- появата на Земята като небесно тяло; температура на повърхността - 4000-8000°C
Около 4 милиарда години т.нар. -образуване на земната кора и първичната атмосфера
При температура 1000°C- в първичната атмосфера започва синтез на прости органични молекули
Енергията за синтез се осигурява от:
Температурата на първичната атмосфера е под 100°C - образуването на първичния океан -
Синтез на сложни органични молекули - биополимери от прости органични молекули:
прости органични молекули - мономери
сложни органични молекули – биополимери
Ориз. 2.1. Основни етапи на химическата еволюция
Когато температурата на първичната атмосфера достигне 1000°C, в нея започва синтеза на прости органични молекули, като аминокиселини, нуклеотиди, мастни киселини, прости захари, многовалентни алкохоли, органични киселини и др. Енергията за синтеза се доставя от мълниеносни разряди, вулканична дейност, радиация от твърдия космос и накрая ултравиолетовата радиация от Слънцето, от която Земята все още не е защитена от озонов екран, и именно ултравиолетовото лъчение е това, което учените смятат за основния източник на енергия за абиогенни (т.е. протичащ без участието на живи организми) синтез на органични вещества.
Признаването и широкото разпространение на теорията на A.I. Опарин до голяма степен се насърчава от факта, че процесите на абиогенен синтез на органични молекули лесно се възпроизвеждат в моделни експерименти.
Възможността за синтезиране на органични вещества от неорганични е известна от началото на 19 век. Още през 1828 г. изключителният немски химик Ф. Вьолер синтезира органично вещество - урея от неорганичен - амониев цианат. Но възможността за абиогенен синтез на органични вещества при условия, близки до условията на древната Земя, е показана за първи път в експеримента на С. Милър.
През 1953 г. млад американски изследовател, аспирант в Чикагския университет, Стенли Милър, възпроизвежда в стъклена колба с електроди, запечатани в нея, първичната атмосфера на Земята, която според учените от онова време се състои от водород метан CH 4, амоняк NH и водна пара H 2 0 (фиг. 2.4.1.2). С. Милър пропуска електрически разряди през тази газова смес за една седмица, симулирайки гръмотевични бури. В края на експеримента в колбата бяха открити α-аминокиселини (глицин, аланин, аспарагин, глутамин), органични киселини (янтарна, млечна, оцетна, гликолова), у-хидроксимаслена киселина и урея. Повтаряйки експеримента, С. Милър успява да получи отделни нуклеотиди и къси полинуклеотидни вериги от пет до шест единици.
Ориз. 2.2. Инсталация на С. Милър
В по-нататъшни експерименти за абиогенен синтез, извършени от различни изследователи, са използвани не само електрически разряди, но и други видове енергия, характерни за древната Земя - космическо, ултравиолетово и радиоактивно лъчение, високи температури, присъщи на вулканичната дейност, както и различни видове газови смеси, симулиращи първичната атмосфера. В резултат на това се получава почти целият спектър от органични молекули, характерни за живите същества: аминокиселини, нуклеотиди, мастноподобни вещества, прости захари, органични киселини.
Освен това абиогенният синтез на органични молекули може да възникне на Земята в момента (например в процеса на вулканична активност). В същото време във вулканичните емисии можете да намерите не само циановодородна киселина HCN, която е предшественик на аминокиселини и нуклеотиди, но и отделни аминокиселини, нуклеотиди и дори такива сложни органични вещества като порфирини. Абиогенният синтез на органични вещества е възможен не само на Земята, но и в открития космос. Най-простите аминокиселини се намират в метеоритите и кометите.
Когато температурата на първичната атмосфера падна под 100°C, на Земята заваляха горещи дъждове и се появи първичният океан. С дъждовния поток в първичния океан навлизат абиогенно синтезирани органични вещества, които го превръщат, по образния израз на английския биохимик Джон Халдейн, в разреден „първичен бульон“. Очевидно именно в първичния океан започват процесите на образуване от прости органични молекули - мономери - на сложни органични молекули - биополимери (виж фиг. 2.4.1.1).
Процесите на полимеризация на отделни нуклеотиди, аминокиселини и захари обаче са реакции на кондензация, протичат с елиминирането на водата, следователно водната среда не допринася за полимеризацията, а напротив, за хидролизата на биополимерите (т.е. , разрушаването им с добавяне на вода).
Образуването на биополимери (по-специално протеини от аминокиселини) може да се случи в атмосферата при температура около 180 ° C, откъдето те се измиват в първичния океан с утаяване. Освен това е възможно на древната Земя аминокиселините да са били концентрирани в пресъхващи резервоари и полимеризирани в суха форма под въздействието на ултравиолетова светлина и топлината на потоците лава.
Въпреки факта, че водата насърчава хидролизата на биополимерите, в живата клетка синтезът на биополимери се случва точно във водната среда. Този процес се катализира от специални протеини катализатори – ензими, а необходимата за синтеза енергия се освобождава при разграждането на аденозинтрифосфорната киселина – АТФ. Възможно е синтезът на биополимери във водната среда на първичния океан да е бил катализиран от повърхността на някои минерали. Експериментално е доказано, че разтвор на аминокиселината аланин може да полимеризира във водна среда в присъствието на специален вид двуалуминиев оксид. Това произвежда пептида полиаланин. Реакцията на полимеризация на аланина е придружена от разграждането на АТФ.
Полимеризацията на нуклеотидите е по-лесна от полимеризацията на аминокиселините. Доказано е, че в разтвори с висока концентрация на сол отделните нуклеотиди спонтанно се полимеризират, превръщайки се в нуклеинови киселини.
Животът на всички съвременни живи същества е процес на непрекъснато взаимодействие на най-важните биополимери на живата клетка - протеини и нуклеинови киселини.
Протеините са „молекули работници“, „молекули инженери“ на живата клетка. Когато характеризират тяхната роля в метаболизма, биохимиците често използват образни изрази като „протеинът работи“, „ензимът провежда реакция“. Най-важната функция на протеините е каталитичната. Както знаете, катализаторите са вещества, които ускоряват химичните реакции, но сами по себе си не са включени в крайните продукти на реакцията. Катализаторните резервоари се наричат ензими.Ензимите огъват и ускоряват метаболитните реакции хиляди пъти. Метаболизмът и следователно животът са невъзможни без тях.
Нуклеинова киселина- това са "компютърни молекули", молекулите са пазители на наследствена информация. Нуклеиновите киселини съхраняват информация не за всички вещества на живата клетка, а само за протеините. Достатъчно е да се възпроизведат в дъщерната клетка протеините, характерни за клетката-майка, така че те точно да пресъздадат всички химични и структурни характеристики на клетката-майка, както и естеството и скоростта на метаболизма, характерни за нея. Самите нуклеинови киселини също се възпроизвеждат поради каталитичната активност на протеините.
Така мистерията на произхода на живота е мистерията на произхода на механизма на взаимодействие между протеини и нуклеинови киселини. Каква информация има съвременната наука за този процес? Кои молекули са били основната основа на живота - протеини или нуклеинови киселини?
Учените смятат, че въпреки ключовата роля на протеините в метаболизма на съвременните живи организми, първите „живи“ молекули не са протеини, а нуклеинови киселини, а именно рибонуклеинови киселини (РНК).
През 1982 г. американският биохимик Томас Чек открива автокаталитичните свойства на РНК. Той експериментално показа, че в среда, съдържаща високи концентрации на минерални соли, рибонуклеотидите спонтанно полимеризират, образувайки полинуклеотиди - РНК молекули. Върху оригиналните полинуклеотидни вериги на РНК, като върху матрица, копията на РНК се образуват чрез сдвояване на комплементарни азотни бази. Реакцията на копиране на РНК шаблон се катализира от оригиналната РНК молекула и не изисква участието на ензими или други протеини.
Това, което следва, е доста добре обяснено от процес, който може да се нарече „естествен подбор“ на молекулярно ниво. При самокопиране (самосглобяване) на РНК молекули неизбежно възникват неточности и грешки. РНК копията, съдържащи грешки, се копират отново. При повторно копиране може отново да възникнат грешки. В резултат на това популацията от РНК молекули в определена област на първичния океан ще бъде хетерогенна.
Тъй като процесите на разпадане на РНК протичат успоредно с процесите на синтез, молекулите, които имат или по-голяма стабилност, или по-добри автокаталитични свойства, ще се натрупват в реакционната среда (т.е. молекулите, които се копират по-бързо, се „умножават“ по-бързо).
В някои РНК молекули, като в матрица, може да се получи самосглобяване на малки протеинови фрагменти - пептиди. Около молекулата на РНК се образува протеинова "покритие".
Наред с автокаталитичните функции Томас Чек открива феномена на самосплайсинг в РНК молекулите. В резултат на самосплайсинг участъци от РНК, които не са защитени от пептиди, се отстраняват спонтанно от РНК (те са, така да се каже, „изрязани“ и „изхвърлени“), а останалите участъци от РНК, кодиращи протеин фрагментите са „слети“, т.е. спонтанно се комбинират в една молекула. Тази нова РНК молекула вече ще кодира голям сложен протеин (фиг. 2.4.1.3).
Очевидно първоначално протеиновите обвивки са изпълнявали предимно защитна функция, предпазвайки РНК от разрушаване и по този начин повишавайки нейната стабилност в разтвор (това е функцията на протеиновите обвивки в най-простите съвременни вируси).
Очевидно е, че на определен етап от биохимичната еволюция предимство са получили молекулите на РНК, кодиращи не само защитни протеини, но и протеини катализатори (ензими), които рязко ускоряват скоростта на копиране на РНК. Очевидно точно така е възникнал процесът на взаимодействие между протеини и нуклеинови киселини, който днес наричаме живот.
В процеса на по-нататъшно развитие, благодарение на появата на протеин с функциите на ензим - обратна транскриптаза, върху едноверижни РНК молекули започнаха да се синтезират молекули дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК), състоящи се от две вериги. Отсъствието на ОН група в позиция 2" на дезоксирибозата прави ДНК молекулите по-стабилни по отношение на хидролитичното разцепване в слабо алкални разтвори, а именно реакцията на околната среда в първичните резервоари е слабо алкална (тази реакция на околната среда е запазена в цитоплазмата на съвременните клетки).
Къде се развива сложният процес на взаимодействие между протеини и нуклеинови киселини? Според теорията на A.I. Опарин, така наречените коацерватни капки станаха родното място на живота.
Ориз. 2.3 Хипотеза за появата на взаимодействие между протеини и нуклеинови киселини:
а) по време на процеса на самокопиране на РНК се натрупват грешки (1 - нуклеотиди, съответстващи на оригиналната РНК; 2 - нуклеотиди, които не съответстват на оригиналната РНК - грешки при копиране); б) аминокиселини (3 - РНК молекула; 4 - аминокиселини) се „залепват“ към част от РНК молекулата поради своите физикохимични свойства, които, взаимодействайки помежду си, се превръщат в къси протеинови молекули - пептиди.
В резултат на характеристиката на самосплайсинг на молекулите на РНК, участъците от молекулата на РНК, незащитени от пептиди, се унищожават, а останалите „растат заедно“ в една молекула, кодираща голям протеин.
В резултат на това се появява РНК молекула, покрита с протеинова обвивка (най-примитивните съвременни вируси, например вирусът на тютюневата мозайка, имат подобна структура)
Феноменът на коацервация е, че при определени условия (например в присъствието на електролити) от разтвора се отделят вещества с високо молекулно тегло, но не под формата на утайка, а под формата на по-концентриран разтвор - коацерват . При разклащане коацерватът се разпада на отделни малки капчици. Във вода такива капки са покрити с хидратна обвивка (обвивка от водни молекули), която ги стабилизира - Фиг. 2.4.1.4.
Капките Coacervate имат някакво подобие на метаболизъм: йод, под въздействието на чисто физични и химични сили, те могат избирателно да абсорбират определени вещества от разтвора и да отделят техните разпадни продукти в околната среда. Благодарение на селективната концентрация на вещества от околната среда, те могат да растат и когато достигнат определен размер, започват да се „умножават“, пъпкувайки малки капчици, които от своя страна могат да растат и да „пъпчат“.
Коацерватните капчици, които възникват в резултат на концентриране на протеинови разтвори по време на смесване под въздействието на вълни и вятър, могат да се покрият с обвивка от липиди: единична обвивка, напомняща на сапунени мицели (когато капка се повдигне от повърхността на водата, покрита с липиден слой веднъж) или двойна обвивка, напомняща клетъчна мембрана (когато капка, покрита с еднослойна липидна мембрана, многократно пада върху липиден филм, покриващ повърхността на резервоар - фиг. 2.4.1.4).
Процесите на възникване на коацерватни капчици, техният растеж и „пъпкуване“, както и „обличането“ им с мембрана от липиден бислой лесно се симулират в лабораторни условия.
За коацерватните капчици също има процес на "естествен подбор", при който най-стабилните капчици се задържат в разтвора.
Въпреки външната прилика на коацерватните капчици с живите клетки, коацерватните капчици нямат основния признак на живот - способността точно да се възпроизвеждат, да се самокопират. Очевидно предшествениците на живите клетки са били такива коацерватни капчици, които включват комплекси от репликаторни молекули (РНК или ДНК) и протеините, които те кодират. Възможно е комплексите РНК-протеин да са съществували дълго време извън коацерватните капчици под формата на така наречения „свободно живеещ ген“ или може би тяхното образуване е станало директно вътре в някои коацерватни капчици.
Фигура 2.4 Възможен път на преход от коацерватни капки към примитивни пламъци:
а) образуване на коагулант; 6) стабилизиране на капчици коацерват във воден разтвор; в) - образуване около капката на двоен липиден слой, подобен на клетъчна мембрана: 1 - коацерватна капка; 2 - мономолекулен липиден слой на повърхността на резервоара; 3 - образуване на единичен липиден слой около капката; 4 - образуване на двоен липиден слой около капката, подобен на клетъчна мембрана; г) - коацерватна капка, заобиколена от двоен липиден слой с включен в състава й протеиново-нуклеотиден комплекс - прототипът на първата жива клетка
Изключително сложният процес на възникване на живота на Земята, неразбран докрай от съвременната наука, протече от историческа гледна точка изключително бързо. Вече 3,5 милиарда години т.нар. химическата еволюция завърши с появата на първите живи клетки и започна биологична еволюция.
Както беше отбелязано по-горе, основната характеристика на съвременното ниво на анализ на химическата форма на материята е преходът от третата теоретична система - учението за химичните процеси - към четвъртата, наречена еволюционна химия. Самото възникване на еволюционната химия е резултат от предишния път на развитие, изминат от тази наука. Тя се подготвя от изучаването и създаването на все по-сложни субстанции и все по-дълбоко навлизане в законите на тяхната структура и механизми на промяна.
„Идеята за еволюция, развитие в химията не е възникнала и кристализирала веднага. Първоначално тя се размиваше и разтваряше в общи представи за промените и трансформациите на веществата. Досега химията често се разглежда като наука за състава, структурата и свойствата на химичните съединения. „Химията може да се определи като наука за веществата – за тяхната структура, свойства и реакции, в резултат на които едни вещества се трансформират в други“, казват Л. Полинг и П. Полинг. Според Ю.А. Жданов, в момента” може да се нарече наука за атомно-молекулярната история на естествените и изкуствените тела. Тази история включва космическата циркулация на веществата на Земята и в нейните черупки, на други планети, в междузвездната среда, където условията позволяват съществуването на молекулярни структури. Но в безкрайни цикли и циркулации ние фиксираме много определена посока, която се състои в прогресивното развитие на химическата форма на движение.
Идеята за прехода на химическото познание към еволюционната парадигма в най-абстрактния му аспект се свързва с общата философска концепция за развитието като безкрайно изкачване от най-ниското към най-високото, увеличаване на богатството на съдържанието на обектите и явления. Тази интерпретация на учението за развитието се основава на голям ансамбъл от факти от всички области на научното познание – физика, химия, биология, социални науки. Фактите показват например, че в известната ни част от Вселената има подчертана тенденция на усложняване на материалните обекти, доминираща над тенденциите на деградация и разпад. Според изчисленията на Г. Кастлер и Л. Блуменфелд, ако вероятността от процесите на опростяване и усложняване на материята е равна, вероятността за възникване на живот от аминокиселини, пиримидини, пурини, полифосфати, захари и др. в 2 по 10 на 9-та степен на години от развитието на Земята, това би било равно на 10 на минус 255-та степен или дори 10 на минус 800-та степен, което прави това събитие по същество невъзможно. От гледна точка на нивото на квантово-механичните процеси, вероятността за възникване на живот се оказва практически равна на нула. По този начин посоката на процеса на развитие на материята като цяло от по-ниско към висше, от просто към сложно трябва да се признае за обективен модел, чието изследване се превръща в една от основните задачи на научното познание на достатъчно висок етап от неговото развитие. Това е точно етапът, до който е достигнала химическата наука.
Съществуват редица подходи за разкриване на механизмите на развитие на химичното вещество. И така, Н.А. Будрейко изразява съображения, според които последователността от качествени и количествени промени в хомоложната серия от органични съединения (наситени въглеводороди, алкохоли, киселини и др.) Вече изразява процеса на развитие на веществата от тези класове. Въпреки това, по-подробно изследване на естеството на тези процеси показва, че явленията на хомоложност не могат да се приемат като точен и представителен модел на химическата еволюция. Количественото добавяне на атоми в органичните молекули не е, строго погледнато, реално развитие, тъй като прогресивната еволюция на веществото не протича, например, от мравчена киселина към мелисинова киселина. „Отделните вещества от този клас хомолози (например мравчена, оцетна, пропионова и др. киселини) несъмнено представляват вътрешно единство, но между тях няма генетична връзка или произход. Разбира се, възможно е, да речем, да се получи друга от една киселина, но тези преходи са многобройни, произволни и не съдържат никаква вътрешна линия на развитие. Периодичният закон на D.I. има значително еволюционно съдържание. Менделеев. Но това еволюционно съдържание присъства в него в скрита, имплицитна форма, тъй като периодичността в повторението на свойствата на елементите сама по себе си все още не е пряка проява на прогресивно развитие (което изобщо не е насочено по примитивен начин от водород към трансуранови елементи). В съвременната химия започват да се формулират и други закони, които по-директно и пряко описват процеса на развитие - например законът за нарастваща абсолютна каталитична активност в теорията за саморазвитието на отворени каталитични системи от A.P. Руденко, за което ще стане дума по-долу.
Обещаващ начин за изследване на процесите на химическата еволюция се основава на анализа на реактивността на химичните вещества като най-важното проявление на природата на химическия обект.
Реактивността на химичните елементи (т.е. тяхната способност да реагират с други вещества) включва два аспекта: количествен и качествен. Количествената страна на реактивността е лекотата и скоростта на образуване на връзка, както и броят на атомите, които даден елемент може да интегрира. Качествената страна се изразява в разнообразието от различни химични елементи, с които даден елемент може да реагира, и разнообразието от съединения, които те образуват. Реактивността на един и същи елемент може да се оцени по различен начин в зависимост от това от каква гледна точка - качествена или количествена - подхождаме към него. По този начин, от количествена гледна точка, флуорът има най-голяма реактивност: лесно и бързо реагира с много вещества, например, той е единственият елемент, който окислява кислорода. Други халогени имат почти същата активност, всички те са количествено много по-активни от органогенните елементи. Въпреки това, съединенията, които образуват халогени, са предимно с ниско молекулно тегло и имат слаба реактивност, което ограничава възможността за по-нататъшни трансформации. Органогенните елементи, напротив, образуват огромен брой високомолекулни и много активни съединения. Това се обяснява главно с природата на въглеродните атоми, тяхната уникална способност да образуват сложни разклонени вериги и да имат различни степени на окисление в една и съща молекула. Благодарение на това те могат да създават изключително сложни органични вещества. Следователно, от качествена гледна точка, въглеродът е по-добър по реактивност от всички други химични елементи.
Качествената страна на реактивността се изразява не само в директно получените продукти, но и в цялата съвкупност от отдалечени, крайни резултати от реакцията. Следователно при оценката на реактивността на химичните вещества е необходимо да се вземе предвид целият набор от възможности за по-нататъшни трансформации, които те имат. Реактивността, разглеждана в този аспект, действа като индикатор за възможностите за по-нататъшно развитие, свързани с определен химичен елемент (съединение), като неговия еволюционен потенциал или потенциал за развитие. По отношение на техния еволюционен потенциал, реактивоспособността на органогенните елементи далеч надхвърля реактивоспособността на всички останали елементи. Само въглеродни съединения с най-голям еволюционен потенциал са способни да изведат химичната форма на материята отвъд нейните собствени граници и да станат основа за появата на живот. Основният „съперник“ на въглерода, силицият, на който понякога се приписва хипотетичната способност да създава химическата структура за „силициев живот“ във Вселената, не може да образува стабилен аналог дори на най-простата оцетна киселина. Възможността за появата на вещества на базата на силиций, сравними по сложност с протеини и нуклеинови киселини, изглежда по-скоро фантастична, отколкото реална в съвременната химия.
Концепцията за еволюционен потенциал служи като конкретизация и по-нататъшно задълбочаване на концепцията за реактивност от гледна точка на теорията на развитието. Еволюционният потенциал на даден химичен елемент или съединение е вътрешната, дълбока страна на неговата реактивност, характеризираща фонда от възможности за по-нататъшна промяна и развитие. Тази концепция е аналогична на концепциите за еволюционен потенциал във физическите, биологичните и социалните науки. В процесите на промяна във всяка форма на материята намаляването на еволюционния потенциал показва, че тази посока на развитие не е основната, основната, а задънена улица. Така в химията отслабването на еволюционния потенциал се наблюдава в хомоложни групи, чиито висши членове (стеарин, восък, парафин) стават изключително сходни помежду си по химическа инертност. Хомоложната серия със своята строга периодичност води, както Ю.А. Жданов, в „химическа задънена улица“. Най-еволюционно обещаващи не са гигантски монотонни вериги, а реакции от различен вид, които се случват в колоидни разтвори и каталитични системи, към които ще се върнем по-долу.
В химията ясно се проявява една от общите закономерности на материалния свят - неравномерното разпределение на интензивността на процеса на развитие в пространството и времето. Преобладаването на прогресивната посока на развитие в живата природа не означава, че всички биологични видове през всички епохи се развиват с еднаква интензивност. Идеята за социален прогрес също не предполага, че всички човешки индивиди и всички социални структури са постоянно в състояние на прогресивно развитие. По подобен начин съвременната химия разкрива два съществено различни типа реакции в природата. Първият от тях не включва директно процесите на еволюция на веществата, вторият, напротив, поставя основата на еволюционните промени.
Първата група реакции се характеризира с радикална промяна в природата на реагиращата молекула, превръщането й в напълно ново състояние. Хегел нарича такива процеси движение от „едно“ към „друго“ - старото качество просто се губи тук, а не се натрупва, не се „отстранява“. Такива реакции са характерни за неорганичните вещества (киселината и основата се превръщат в сол, кислородът и водородът образуват вода), но се срещат и в органичната химия. В същото време сред органичните съединения стават все по-често срещани процеси, при които молекулата не изчезва напълно, а само се модифицира, запазвайки някои характеристики на оригиналния тип. Това се случва по време на реакции на заместване на един атом в молекула с друг, по време на тавтомерни пренареждания, по време на рацемизация на оптично активни съединения (рацемизацията е появата на смес от изомери на оптично активно вещество, което губи оптична активност). Всъщност в тези случаи започва да се формира черта, която ще се развие напълно по-късно, в биологичната форма на материята - възниква стабилна индивидуалност, способна да се съхрани при химични трансформации. Особено важно е, че органичните молекули под външно въздействие може изобщо да не се променят химически, а само да преминат в друго състояние в резултат на преразпределение на енергията, възбуждане, въртене на отделни групи, обратима миграция на някои атоми, образуване на временни междуатомни връзки, и т.н.
Така химическият индивид придобива способността да променя природата си, запазвайки себе си. На този етап от развитието на материята диалектическият процес на отрицание на отрицанието става ясно видим. В макромолекулите и техните комплекси се натрупват слаби и ефимерни физически сили, които се проявяват по време на взаимодействието на частиците и само леко модифицират молекулата, като същевременно запазват нейната химическа структура. Тези сили формират специфичната структура на живите същества, включително ензимно-субстратни агрегати, междумолекулни образувания на нуклеопротеини, гликолепиди, комплементарни съответствия в двойната спирала на ДНК, взаимодействия на ДНК, РНК и протеини. Всички тези слаби физически взаимодействия се определят от водородни връзки, полярни, дипол-диполни и ван дер ваалсови сили, които предшестват химичния процес, подготвят го, но все още не го изчерпват.
химия естествена наука еволюционна материя
Незначителното нищожество е началото на всички начала.
(Теодор Рьотке, "Похот")
Теорията за химическата еволюция - съвременната теория за произхода на живота - също разчита на идеята за спонтанното зараждане. Тя обаче не се основава на внезапната (de novo) поява на живи същества на Земята, а на образуването на химични съединения и системи, изграждащи живата материя. Той разглежда химията на древната Земя, предимно химическите реакции, протичащи в примитивната атмосфера и в повърхностния слой на водата, където по всяка вероятност са били концентрирани леки елементи, които формират основата на живата материя, и огромни количества слънчева енергия. енергията беше усвоена. Тази теория се опитва да отговори на въпроса: как в онази далечна епоха органичните съединения са могли спонтанно да възникнат и да се оформят в жива система?
Теория на Опарин - Юрий
Общият подход към химическата еволюция е формулиран за първи път от съветския биохимик А. И. Опарин (1894-1980). През 1924 г. неговата малка книга, посветена на този въпрос, е публикувана в СССР: през 1936 г. излиза нейното ново, разширено издание (през 1938 г. е преведено на английски). Опарин обърна внимание на факта, че съвременните условия на земната повърхност предотвратяват синтеза на голям брой органични съединения, тъй като свободният кислород, наличен в излишък в атмосферата, окислява въглеродните съединения до въглероден диоксид (въглероден диоксид, CO 2). Освен това той отбеляза, че в наше време всяка органична материя, „изоставена“ на земята, се използва от живи организми (подобна идея е изразена от Чарлз Дарвин). Обаче, твърди Опарин, на първичната Земя са преобладавали други условия. Може да се предположи, че по това време в земната атмосфера не е имало кислород, но е имало изобилие от водород и газове, съдържащи водород, като метан (CH 4) и амоняк (NH 3). (Такава атмосфера, богата на водород и бедна на кислород, се нарича редуцираща, за разлика от съвременната, окислителна атмосфера, богата на кислород и бедна на водород.) Според Опарин такива условия създават отлични възможности за спонтанен синтез на органични съединения.
Обосновавайки идеята си за възстановителния характер на примитивната атмосфера на Земята, Опарин излага следните аргументи.
1. Водородът присъства в изобилие в звездите (фиг. 6 и снимка 1).
Ориз. 6. Водородни линии в спектъра на ярката звезда Сириус. Този спектър на звездата (бели линии на тъмен фон) се сравнява с два спектъра, получени в лабораторията (тъмни линии на светъл фон). Всички най-ярки и широки линии в спектъра са водородни линии. (Снимките са направени в обсерваторията Маунт Паломар.)
2. Въглеродът се намира в спектрите на комети и хладни звезди като част от CH и CN радикали, а окисленият въглерод се появява рядко.
3. В метеоритите се намират въглеводороди, т.е. съединения на въглерод и водород.
4. Атмосферите на Юпитер и Сатурн са изключително богати на метан и амоняк.
Както отбеляза Опарин, тези четири точки показват, че Вселената като цяло е в състояние на възстановяване. Следователно на примитивната Земя въглеродът и азотът трябва да са били в едно и също състояние.
5. Вулканичните газове съдържат амоняк. Това, според Опарин, предполага, че азотът присъства в първичната атмосфера под формата на амоняк.
6. Кислородът, съдържащ се в съвременната атмосфера, се произвежда от зелени растения по време на процеса на фотосинтеза и следователно е биологичен продукт по произход.
Въз основа на тези съображения Опарин стига до извода, че въглеродът на първобитната Земя се е появил за първи път под формата на въглеводороди, а азотът - под формата на амоняк. Освен това той предположи, че в хода на вече известните химични реакции на повърхността на безжизнената Земя са се появили сложни органични съединения, които след доста дълъг период от време очевидно са довели до появата на първите живи същества. Първите организми вероятно са били много прости системи, способни само на репликация (деление) поради органичната среда, от която са се образували. На съвременен език те били „хетеротрофи“, тоест зависели от околната среда, която ги снабдявала с органични храни. В противоположния край на тази скала са "автотрофите" - например организми като зелени растения, които сами синтезират всички необходими органични вещества от въглероден диоксид, неорганичен азот и вода. Според теорията на Опарин автотрофите се появяват едва след като хетеротрофите изчерпват запасите от органични съединения в примитивния океан.
J.B.S. Халдейн (1892–1964) излага идея, подобна в някои отношения на тази на Опарин, която е очертана в популярно есе, публикувано през 1929 г. Той предполага, че органичната материя, синтезирана чрез естествени химични процеси, протичащи на предбиологичната Земя, се натрупва в океана, което в крайна сметка достигна консистенцията на "горещ, разреден бульон". Халдейн вярва, че примитивната атмосфера на Земята е анаеробна (свободна от кислород), но не твърди, че са необходими редуциращи условия за синтеза на органични съединения. По този начин той допуска, че въглеродът може да присъства в атмосферата в напълно окислена форма, тоест под формата на диоксид, а не като част от метан или други въглеводороди. В същото време Халдейн се позовава на резултатите от експерименти (не негови), които доказват възможността за образуване на сложни органични съединения от смес от въглероден диоксид, амоняк и вода под въздействието на ултравиолетова радиация. Последвалите опити за повторение на тези експерименти обаче бяха неуспешни.
През 1952 г. Харолд Юри (1893–1981), работейки не върху произхода на самия живот, а върху еволюцията на Слънчевата система, независимо един от друг стига до извода, че атмосферата на младата Земя има възстановен характер. Подходът на Опарин беше качествен. Проблемът, който Юри изследваше, беше физикохимичен по природа: използвайки като отправна точка данни за състава на първичния космически облак от прах и граничните условия, определени от известните физични и химични свойства на Луната и планетите, той имаше за цел да разработи термодинамично приемлива история на цялата слънчева система като цяло. Юри, по-специално, показа, че в края на процеса на формиране Земята е имала силно редуцирана атмосфера, тъй като нейните основни компоненти са водород и напълно редуцирани форми на въглерод, азот и кислород: метан, амоняк и водни пари. Гравитационното поле на Земята не можеше да задържи лекия водород - и той постепенно избяга в открития космос. Вторична последица от загубата на свободен водород е постепенното окисляване на метана до въглероден диоксид и амоняка до азотен газ, което след известно време превръща атмосферата от редуцираща в окислителна. Юри предположи, че по време на периода на изпаряване на водорода, когато атмосферата е в средно редокс състояние, на Земята може да се образува сложна органична материя в големи количества. Според неговите оценки океанът, очевидно, тогава е бил еднопроцентов разтвор на органични съединения. Резултатът беше живот в най-примитивната му форма.
Теорията на Юри има едно важно следствие: тя дава началото на успешни експериментални изследвания. Въпреки това, преди да говорим за експерименти, базирани на хипотезата за първична атмосфера, богата на водород, е необходимо да разберем как тази хипотеза съответства на геоложките данни. Този въпрос се обсъжда активно през последните години. тъй като сега много геолози се съмняват, че Земята някога е имала силно редуцираща атмосфера. Всички тези аргументи, само леко модифицирани, се отнасят за Марс; Затова е препоръчително да ги прегледате накратко тук.
Примитивна Земя
Смята се, че Слънчевата система се е образувала от протосоларната мъглявина - огромен облак от газ и прах. Възрастта на Земята, установена въз основа на редица независими оценки, е близо 4,5 милиарда години. За да разберете състава на първичната мъглявина, най-разумно е да изследвате относителното изобилие от различни химични елементи в съвременната слънчева система. В табл 3 представя данни за деветте най-разпространени елемента (представляващи 99,9% от общата маса на Слънчевата система), получени чрез спектроскопски изследвания на Слънцето; относителното изобилие на някои други елементи е определено чрез химически анализ на метеоритния материал. Както се вижда от таблицата, основните елементи - водород и хелий - заедно съставляват над 98% от масата на Слънцето (99,9% от неговия атомен състав) и всъщност Слънчевата система като цяло. Тъй като Слънцето е обикновена звезда и много звезди в други галактики са от този тип, съставът му като цяло характеризира изобилието от елементи в космическото пространство. Съвременните представи за еволюцията на звездите предполагат, че водородът и хелият са преобладавали в „младото“ Слънце, което е било преди 4,5 милиарда години.
В табл Таблица 3 също показва данни за елементарния състав на Земята. Въпреки че четирите основни елемента на Земята са сред деветте най-разпространени в Слънцето, съставът на нашата планета се различава значително от космическото пространство като цяло. (Същото може да се каже за Меркурий, Венера и Марс; но Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун не влизат в този списък.) Земята е съставена основно от желязо, кислород, силиций и магнезий. Налице е очевиден дефицит на всички биологично важни леки елементи (с изключение на кислорода) и поразителен „недостиг“ на така наречените редки или благородни газове. подобно на хелий и неон. Като цяло нашата планета изглежда много необещаваща за появата на какъвто и да е живот.
Елементен състав (процент от маса) на Слънчевата система и Земята
| В низходящ ред на съдържанието | слънчева система | Земята | ||
|---|---|---|---|---|
| елемент | % | елемент | % | |
| 1 | Водород | 77 | Желязо | 34.6 |
| 2 | Хелий | 21 | Кислород | 29,5 |
| 3 | Кислород | 0,83 | Силиций | 15,2 |
| 4 | въглерод | 0,34 | Магнезий | 12,7 |
| 5 | Неон | 0,17 | никел | 2,4 |
| 6 | Азот | 0,12 | Сяра | 1,9 |
| 7 | Желязо | 0,11 | калций | 1,1 |
| 8 | Силиций | 0,07 | Алуминий | 1,1 |
| 9 | Магнезий | 0,06 | Натрий | 0,57 |
| Обща сума | 99,70 | Водород + въглерод + азот | 0,05 | |
| Неон | 1-10^-3 | |||
| Обща сума | 99,12 |
Основната точка на теорията на Опарин-Юри е, че атмосферата на младата Земя, която по своя химичен състав съответства на протослънчевата мъглявина, е имала подчертан редукционен характер. Но независимо от всичко, атмосферата на Земята сега се окислява. Съдържа 77% азот, 21% кислород, средно 1% водна пара, около 1% аргон и незначителни количества (следи) други газове. Как може да възникне възстановителна атмосфера? Вероятно основната роля тук са изиграли газовете на протосоларната мъглявина: от момента на възникването си Земята е била снабдена с водород и други леки елементи, които според теорията на Опарин-Урей са необходими за началото на химическа еволюция. Предвид недостига на леки елементи и особено на благородни газове, разумно е да се предположи, че Земята първоначално се е образувала без атмосфера. С изключение на хелия, всички благородни газове - неон, аргон, криптон и ксенон - имат достатъчно специфично тегло, за да бъдат задържани от гравитацията на Земята. Криптонът и ксенонът например са по-тежки от желязото. Тъй като тези елементи образуват много малко съединения, те най-вероятно са съществували в примитивната атмосфера на Земята под формата на газове и не са могли да избягат, когато планетата най-накрая достигне сегашния си размер. Но тъй като Земята съдържа милиони пъти по-малко от тях, отколкото Слънцето, естествено е да се предположи, че нашата планета никога не е имала атмосфера, подобна по състав на Слънцето. Земята е образувана от твърди материали, които съдържат само малко количество абсорбиран или адсорбиран газ, така че в началото не е имало атмосфера. Елементите, които изграждат съвременната атмосфера, очевидно са се появили на първобитната Земя под формата на твърди химични съединения; Впоследствие, под въздействието на топлината, произтичаща от радиоактивния разпад или освобождаването на гравитационна енергия, придружаваща акрецията на Земята, тези съединения се разлагат, за да образуват газове. По време на процеса на вулканична дейност тези газове избягаха от недрата на земята, образувайки примитивна атмосфера.
Високото съдържание на аргон в съвременната атмосфера (около 1%) не противоречи на предположението, че благородните газове първоначално са отсъствали в атмосферата. Изотопът на аргона, често срещан в космоса, има атомна маса 36, докато атомната маса на аргона, образуван в земната кора по време на радиоактивния разпад на калия, е 40. Ненормално високото съдържание на кислород на Земята (в сравнение с други леки елементи) се обяснява с факта, че този елемент е способен да се комбинира с много други елементи, за да образува много стабилни твърди съединения като силикати и карбонати, които са част от скалите.
Предположенията на Юри за редуциращия характер на примитивната атмосфера се основават на високото съдържание на желязо на Земята (35% от общата маса). Той вярваше, че желязото, което сега съставлява ядрото на Земята, първоначално е било разпределено повече или по-малко равномерно в целия й обем. Докато Земята се нагряваше, желязото се разтопи и се събра в центъра. Въпреки това, преди това да се случи, желязото, съдържащо се в това, което сега се нарича горна мантия на Земята, взаимодейства с вода (която присъства на примитивната Земя под формата на хидратирани минерали, подобни на тези, намерени в някои метеорити); В резултат на това огромни количества водород бяха изпуснати в първичната атмосфера.
Изследванията, проведени от началото на 50-те години на миналия век, поставиха под въпрос редица разпоредби на описания сценарий. Някои планетарни учени изразиха съмнение, че желязото, което сега е концентрирано в земната кора, може някога да бъде равномерно разпределено в целия обем на планетата. Те са склонни да вярват, че акрецията е станала неравномерно и желязото е кондензирало от мъглявината преди други елементи, които сега образуват мантията и кората на Земята. При неравномерно натрупване съдържанието на свободен водород в примитивната атмосфера трябва да е по-ниско, отколкото в случай на равномерен процес. Други учени предпочитат акреция, но протичаща по начин, който не трябва да води до образуването на редуцираща атмосфера. Накратко, през последните години бяха анализирани различни модели на формирането на Земята, някои от които са повече, други по-малко, в съответствие с идеите за регенеративния характер на ранната атмосфера.
Опитите за реконструкция на събитията, случили се в зората на формирането на Слънчевата система, неизбежно са свързани с много неясноти. Интервалът от време между възникването на Земята и образуването на най-древните скали, които могат да бъдат геологично датирани, през които са протекли химичните реакции, довели до възникването на живота, е 700 милиона години. Лабораторните експерименти показват, че синтезът на компоненти на генетичната система изисква възстановителна среда; Следователно можем да кажем, че тъй като животът е възникнал на Земята, това може да означава следното: или примитивната атмосфера е била с редукционен характер, или органичните съединения, необходими за възникването на живота, са били донесени на Земята отнякъде. Тъй като и днес метеоритите носят различни органични вещества на Земята, последната възможност не изглежда абсолютно фантастична. Въпреки това, метеоритите, очевидно, не съдържат всички вещества, необходими за изграждането на генетична система. Въпреки че материалите от метеоритен произход вероятно са имали значителен принос към общия запас от органични съединения на първобитната Земя, сега изглежда най-правдоподобно условията на самата Земя да са били от редуциращ характер до такава степен, че образуването на органична материя, водещо до появата на живот стана възможна.
Експерименти в областта на предбиологичната химия: синтез на мономери
Опарин, очевидно, не се е опитал да тества теорията си експериментално. Може да е осъзнал, че съществуващите аналитични методи не са подходящи за характеризиране на сложните смеси от органични вещества, които могат да се образуват от различните реакции между въглеводороди, амоняк и вода. Или може би се задоволяваше с логичното развитие на общите принципи, без да смята за необходимо да се задълбочава в много подробности. Както и да е, теорията на Опарин никога не е била тествана, докато Юрий не се доближи до нея. А през 1957 г. неговият аспирант Стенли Милър провежда известния си експеримент, благодарение на който проблемът за произхода на живота се превръща от чисто спекулативен в научен, в независим клон на експерименталната химия.
Симулирайки условията на примитивната Земя, Милър наля малко вода в дъното на колбата и я напълни със смес от газове, които според Юри трябваше да съставят примитивната атмосфера: водород, метан, амоняк. След това през газовата смес беше прекаран електрически разряд. До края на седмицата, провеждайки химичен анализ на продукти, разтворени във вода, ученият откри сред тях значително количество биологично важни съединения, включително глицин, аланин, аспарагинова и глутаминова киселини - четири аминокиселини, които са част от протеините. Впоследствие експериментът беше повторен с помощта на по-модерни аналитични методи и газова смес, която беше по-съвместима с приетите в момента модели на примитивната атмосфера. В този случай амонякът (който вероятно е бил разтворен в първичния океан) е до голяма степен заменен от азот, а водородът е напълно елиминиран, тъй като сега се приема, че в най-добрия случай съдържанието му в примитивната атмосфера е било незначително. В този експеримент бяха образувани 12 аминокиселини, които са част от протеините, както и редица други непротеинови съединения, които представляваха не по-малък интерес по причини, които ще обсъдим по-късно.
Изследването на тези необичайни реакции на синтез показа, че електрическият разряд причинява образуването на определени първични продукти, които от своя страна участват в последващи реакции, докато се разтворят напълно във вода, образувайки крайните продукти. Най-важните първични продукти, възникващи по време на процеса на синтез, включват циановодород (HCN), формалдехид (HCHO), други алдехиди и цианоацетилен (HCCCN). Аминокиселините се образуват от циановодород най-малко по два начина: чрез реакция на цианид, алдехид и амоняк в разтвор и чрез превръщане на самия HCN в аминокиселини - чрез сложна последователност от реакции, протичащи във воден разтвор.
По всяка вероятност основният източник на енергия на първобитната Земя, както и сега, е била радиацията от Слънцето, а не електрическите разряди. Поради това различни изследователи са се опитвали да използват ултравиолетовото (UV) лъчение като източник на енергия, необходима за синтеза на аминокиселини. Експериментът даде положителни резултати. Максималният добив на аминокиселини беше получен, когато газовата смес, предложена от Urey, включваше сероводород (H 2 S), който абсорбира ултравиолетово лъчение с по-дълга дължина на вълната, което преобладава на повърхността на Земята. Аминокиселините също се образуват, когато източникът на енергия са ударни вълни, генериращи кратки „изблици“ на висока температура и налягане. Източници на енергия от този тип вероятно са възникнали в първичния океан под действието на вълните, а в атмосферата са били създадени от гръмотевици, електрически разряди и падащи метеорити.
Важно допълнение към експериментите на Милър са експериментите на Хуан Оро, Лесли Оргел и техните сътрудници. Те показаха, че четири РНК бази (три от които се намират и в ДНК) се образуват в последващи реакции, включващи първичните продукти на реакции, причинени от искров разряд. Характерно е, че в поредица от реакции, протичащи във воден разтвор, циановодородът се самокондензира, за да образува пуриновата основа аденин; друг тип реакция от този тип произвежда друг пурин-гуанин. Пиримидиновите бази цитозин и урацил се произвеждат в значителни количества от цианоацетилен в реакции, които може да са възникнали и на примитивната Земя. Досега обаче не е имало съобщения за производството на тимин, който е включен в молекулата на ДНК вместо урацил, в такъв „пребиологичен синтез“.
Отдавна е известно, че при определени условия формалдехидът кондензира в разтвора, образувайки различни захари. Един от продуктите на тази реакция е рибозата, въглехидратен компонент на РНК. Така, както виждаме, повечето от молекулярните компоненти, които формират генетичната система, могат да възникнат в резултат на редица реакции, които са доста вероятни в условията на примитивната Земя.
Метеорити и облаци междузвезден прах
Скорошни открития относно химичния състав на метеоритите и междузвездните газови и прахови облаци показват, че биологично важни молекули се синтезират в голям мащаб в нашата Галактика, както преди, така и сега. Метеоритите, които ще бъдат обсъдени, принадлежат към класа на въглеродните хондрити и съставляват около 5% от общия брой метеорити, които падат на повърхността на Земята всяка година. Тези интересни обекти представляват „отломки“ от протослънчевата мъглявина, които не са претърпели значителни промени. Те се считат за първични, тъй като са се образували едновременно със Слънчевата система, т.е. преди 4,5 милиарда години. Метеоритите са твърде малки, за да имат собствена атмосфера, но по отношение на относителното съдържание на нелетливи елементи, въглеродните хондрити са много подобни на Слънцето. Техният минерален състав показва, че са образувани при ниски температури и никога не са били излагани на високи температури. Те съдържат до 20% вода (свързана под формата на минерални хидрати) и до 10% органични вещества. От миналия век въглеродните хондрити привличат вниманието поради възможното им биологично значение. Шведският химик Якоб Берцелиус, след като откри органични вещества в метеорита Алай (паднал във Франция през 1806 г.), повдигна въпроса: дали тяхното присъствие в метеорита показва съществуването на извънземен живот? Самият той смяташе, че не. Говори се, че Пастьор е разполагал със специално проектирана сонда за получаване на незамърсени проби от вътрешността на метеорита Orgueil, друг известен хондрит, който също е паднал във Франция през 1864 г. След като анализира пробите за съдържание на микроорганизми, Пастьор получава отрицателни резултати.
Доскоро на идентифицирането на органични съединения във въглеродните хондрити не се отдаваше голямо значение, тъй като е доста трудно да се направи разлика между съединенията, които изграждат самия метеорит, и замърсителите, получени при навлизане в земната атмосфера, въздействие върху нейната повърхност или впоследствие въведени от хора при събиране на проби. Днес, благодарение на развитието на свръхчувствителни аналитични методи и внимателни предпазни мерки по време на вземане на проби, отношението към този въпрос се промени радикално. Два наскоро проучени хондрита - метеорити, паднали през 1969 г. в района на Мърчисън (Австралия) и през 1950 г. в Мъри (САЩ) - съдържат редица ендогенни аминокиселини.
Има сериозни доказателства, че повечето от откритите аминокиселини не са замърсители. По този начин много от тях принадлежат към необичайни видове аминокиселини, които не се срещат в земните организми. Други доказателства: Някои често срещани аминокиселини, които обикновено се причиняват от замърсяване, не се намират в метеоритите. И накрая, аминокиселините във въглеродните хондрити се срещат под формата на два оптични изомера, тоест в различни пространствени форми, които са огледални изображения една на друга - това е типично само за аминокиселините, синтезирани небиологично, но не и за тези, открити в живите организми (вижте Глава 1). Наборът от аминокиселини, открити в метеоритите, напомня на аминокиселините, получени при експерименти с искрови разряди. Тези набори не са идентични, но сходството е толкова забележимо, че предполага, че механизмите на синтез са еднакви и в двата случая. Друг възможен механизъм за синтез на аминокиселини в метеоритите е реакцията на Фишер-Тропш, кръстена на двама немски химици, които са разработили каталитичен процес за производство на бензин и други въглеводороди от въглероден окис (CO) и водород. И двата газа са широко разпространени във Вселената, както и катализаторите, необходими за реакцията, като желязо или силикати. Опитвайки се да обяснят относителното съдържание на органични вещества в космическото пространство въз основа на тази реакция, Едуард Андерс и колегите му от Чикагския университет установиха, че когато в реакционната смес се въведе амоняк, се образуват аминокиселини, пурини и пиримидини. В тази реакция се появяват същите междинни продукти - водород, цианид, алдехиди, цианоацетилен - които се получават при реакции, протичащи под въздействието на електрически разряди. Очевидно наличието на въглеводороди, както и на пурини и пиримидини в метеоритите е по-лесно да се обясни с реакцията на синтез на Фишер-Тропш, отколкото с реакцията под въздействието на електрически разряд. Досега обаче нито един лабораторен експеримент не е успял точно да възпроизведе набора от вещества, открити в метеоритите.
Съдържанието на пуринови и пиримидинови основи в метеоритите е изследвано в по-малка степен, отколкото наличието на аминокиселини. Въпреки това, аденин, гуанин и урацил са идентифицирани в метеорита Murchison. Аденин и гуанин се намират в концентрации от приблизително 1-10 ppm, което е близо до относителното изобилие на аминокиселини. Концентрацията на урацил е много по-ниска.
Радиоастрономите наскоро откриха органични молекули в междузвездното пространство, което със сигурност допълва познанията ни за органичната химия на Вселената. Органични молекули са открити в гигантски облаци от газ и прах, които се намират в области от космоса, където се смята, че се формират нови звезди и планетарни системи. Към момента на писане, в допълнение към присъстващите там водородни молекули, както се очакваше, бяха открити около 60 съединения. Най-често срещаният е въглеродният окис. Много по-рядко срещани са също толкова интересни съединения като амоняк, циановодород, формалдехид, ацеталдехид (CH3CHO), цианоацетилен и вода, т.е. молекули, които в лабораторни експерименти върху химическата еволюция се считат за прекурсори на аминокиселини, пурини, пиримидини и въглехидрати.
Тези открития показват, че синтезът на органична материя се извършва в голям мащаб в цялата Вселена и че сред крайните продукти има много биологично важни съединения, включително основните мономери на генетичната система и техните прекурсори. Дори е възможно (както някога се предполагаше), че органичните съединения - или, във всеки случай, част от тях - които формират основата на първите живи организми, са с извънземен произход. Тези открития позволиха да се осъзнае важният факт, че синтезът на биологични съединения не е някакъв специфичен химичен процес, възможен само при особено благоприятни условия, характерни за нашата планета, а е явление от космически мащаб. Това веднага подсказва, че във всеки регион на Вселената животът трябва да се основава на въглеродна химия, подобна, макар и не непременно идентична с тази, наблюдавана на Земята.
Синтез на полимери при предбиологични условия
Образуването на основните мономери на протеини и нуклеинови киселини от газовете на протосоларната мъглявина е само първата стъпка в създаването на генетична система. За да образуват необходимите полимери, мономерите трябва след това да се съединят заедно във вериги. Това е труден проблем и въпреки че е получил значително внимание, все още не е предложен надежден метод за образуването на полимери, носещи генетична информация от мономери, които вероятно са съществували на първобитната Земя.
Синтезът на полимери, както в живи системи, така и в лаборатория, включва стъпката на добавяне на следващия мономер към края на нарастващата верига. На всеки такъв етап се изразходва енергия и се освобождава водна молекула. Когато протеините се синтезират от аминокиселини, връзката, образувана между мономерните единици на полимера, се нарича пептидна връзка. Фигурата показва диаграма на образуването на пептидна връзка между две молекули на аминокиселини.
Буквата R представлява всяка от 20-те различни аминокиселинни странични вериги на протеини. Когато към края на дипептида се прикрепи трета молекула аминокиселина, се образува трипептид и така нататък, докато се образува полипептид. Такива реакции са обратими: например дипептидът, показан по-горе, може чрез добавяне на водна молекула да се превърне обратно в аминокиселини: този процес е придружен от освобождаване на енергия. Белтъчната молекула е полипептидна верига със специфична последователност от аминокиселини, която й придава специални свойства и е продукт на дълга еволюция. Всяка верига се състои от стотици аминокиселини, свързани в една последователност, а някои протеинови молекули включват две или повече подобни вериги. В резултат на взаимодействието между съставните им аминокиселини, полипептидите образуват триизмерна структура, която е активната форма на протеиновата молекула.
Полимеризацията на нуклеотидите, повтарящите се мономерни единици на нуклеиновите киселини, води до образуването на полинуклеотиди или нуклеинови киселини. Образуването на динуклеотид от два нуклеотида е както следва:
Тук буквата B представлява всяка от четирите бази на ДНК или РНК; вериги от въглеродни атоми (C) съответстват на пет-въглеродна захар с -OH група, свързана към третия въглероден атом. (Истинската циклична структура на въглехидратите е показана по-рано на фиг. 1.) Фосфорната киселина е прикрепена първо към петия въглероден атом и след това към въглеродни атоми 5 и 3.
За да синтезират полимери - както протеини, така и нуклеинови киселини - живите клетки произвеждат богати на енергия молекули, които с помощта на специфични ензимни протеини осигуряват енергия за всяка стъпка на добавяне на мономер. В допълнение към катализирането на подходящата реакция, ензимите създават необходимите условия за нейното нормално протичане, като елиминират всички други пречещи молекули. Това е от съществено значение в случаите, когато молекулите, необходими за реакцията, представляват само малка част от всички присъстващи в реакционната среда. Например водните молекули се отстраняват, което неизменно пречи на реакцията на дехидратация.
Биологичните полимери могат да се синтезират в лабораторни условия и без участието на ензими. Синтезът на полипептиди и полинуклеотиди вече е обичаен. Протеини, идентични на тези, синтезирани от клетката, могат и се произвеждат в лабораторията. В този случай се използват безводни разтворители, пречистени мономери с висока концентрация, прибягват се до различни трикове за защита на реакционните групи и се използват реагенти за осигуряване на реакциите с енергия, което по същество съответства на функциите, обикновено изпълнявани от ензимите.
Нека се опитаме да сравним тези два изключително напреднали метода за синтезиране на биополимери - приложени в клетката и в лабораторията - с условията, които очевидно са съществували на първобитната Земя. Единственият разтворител тогава беше водата, мономерите, необходими за синтеза, представляваха само малка част от общото количество разтворени органични и неорганични вещества, реагентите, налични в достатъчни количества, вероятно бяха доста прости и, разбира се, изобщо нямаше ензими. Все още не е ясно как дори къси полимери могат да се образуват при такива неблагоприятни условия. Очевидно първичният бульон се е състоял от голямо разнообразие от органични съединения. За да се осъществи синтеза на полипептид или полинуклеотид, в бульона трябваше да възникне специална група съединения, които да се концентрират и да се комбинират помежду си. Този първи етап вероятно е особено труден за представяне. Простата концентрация на първичния бульон тук очевидно не е достатъчна. Най-вероятно този бульон е бил сложна смес от много съединения, които е трябвало да пречат на образуването на полимери, като се прикрепят например към края на нарастваща верига и по този начин спират нейния растеж.
Снимка 1. Мъглявина в съзвездието Орион. Гигантските маси от газ и прах, които заобикалят централната звезда в групата, която образува "меча" на Орион, са друга илюстрация за преобладаването на водорода във Вселената. Радиацията от няколко „горещи“ звезди в тази мъглявина кара газовете около тях да светят с определени честоти, характерни за тях. Червеният цвят на снимката съответства на блясъка на водород, синият - кислород и азот, белият - смес от газове. (© Калифорнийски технологичен институт 1959)
Снимка 3. Голямото червено петно е дълготрайна формация в атмосферата на Юпитер, заобиколена от турбулентни облаци. (Снимката е предоставена от космическата станция Вояджър; НАСА и Лабораторията за реактивни двигатели.)
Снимка 4. Направена е снимка на северното полукълбо на Сатурн
Снимка 8. Езерото Дон Жуан в Антарктика. (Снимка от Рой Камерън.)
Възможно решение на този проблем включва адсорбцията на необходимите молекули върху повърхността на глинестите минерали. На този механизъм е придадено особено значение от покойния Дж. Д. Бернал (1901–1971), известен английски кристалограф. В сравнение с органичните съединения, глинените минерали имат висок адсорбционен капацитет. Освен това те взаимодействат по различен начин с различните видове съединения, които адсорбират. Самият Бернал не беше сигурен в правилността на предположението си; това се обяснява с факта, че силицият, основният съставен елемент на глините, не играе почти никаква роля в съвременната биохимия. Независимо от това, адсорбцията се счита за най-вероятния механизъм (въпреки че това не е доказано) за пребиологичните процеси на разделяне и концентрация.
Въпреки съмненията на Бернал, други учени не се поколебаха да припишат на глинените минерали основна роля в произхода на живота. Наистина, А. Г. Кернс-Смит, химик от университета в Глазгоу, предположи, че животът е започнал с кристали, образуващи минерали. Притежавайки способността да възпроизвеждат собствения си вид, неорганичните кристали изглежда демонстрират рудиментарни генетични свойства. Те също така показват ограничена способност да мутират, което се проявява във факта, че могат да възникнат дефекти в правилното подреждане на атомите в кристала. Минералите със слоеста структура, като глините, са склонни да копират дефектите на един слой в структурата на следващия, което може да се разглежда като вид генетична памет. Беше отбелязано, че дефектите в структурата на кристалните повърхности често се оказват места на химическа активност, включително катализа. Кернс-Смит предполага, че просто органично съединение като формалдехид, чийто синтез може да бъде катализиран от минерал, носещ подобен дефект, има способността да ускорява процеса на възпроизвеждане на дефектен кристал и да повишава точността на копиране, като в резултат на което броят на тези кристали нараства бързо в сравнение с други видове. Това започва еволюцията на генетичната система протеин-нуклеинова киселина, която по-късно се отделя от своя минерален предшественик. Това обаче е много спекулативно предположение, което няма почти никакви експериментални доказателства.
Въпреки всички значителни трудности, свързани с разбирането на условията за появата на първите биологично важни полимери, трябва да се имат предвид някои „смекчаващи обстоятелства“. Напълно възможно е изграждането на първата генетична система първоначално да не е изисквала големите, сложни молекули, които намираме в съвременните организми, а само къси полимери. Първият организъм не е трябвало да бъде високоефективен. Тъй като животът му е прекаран в „райските будки“ в отсъствието на врагове и проблеми, свързани с получаването на храна, за него е достатъчно просто да може да се възпроизвежда доста бързо, за да изпревари собствената си химическа деградация. В допълнение, химическите процеси, предшестващи появата на живота, се случват широко както в пространството, така и във времето. В продължение на стотици милиони години примитивната Земя е била грандиозна лаборатория, където поради гигантския мащаб на случващото се могат да се реализират дори процеси, които ни се струват малко вероятни.
Подобни съображения, разбира се, не ни дават право да твърдим, че разбираме как са се образували първите биополимери. Те обаче предполагат, че проблемът може да не е толкова труден, колкото се смята. Последните резултати, получени в лабораторията на Orgel, показаха възможността за производство на полинуклеотиди върху оригиналната полинуклеотидна верига по начин, подобен на естественото генно дублиране, но без участието на ензим. Този забележителен резултат е постигнат благодарение на факта, че е открит метод за въвеждане на енергия в реакцията: въпреки липсата на ензими, този метод е подобен на естествения механизъм, чрез който клетката осигурява енергия за синтеза на полинуклеотиди. Тези данни правят по-правдоподобно, че подобен процес може да е изиграл важна роля в ранните етапи на еволюцията на генетичната система. Освен това наскоро беше показано, че някои видове РНК имат каталитични свойства, които обикновено се приписват само на протеините. Всички тези резултати предполагат, че примитивната генетична система може да бъде изградена без протеини - само от РНК. Ако това наистина е било така, тогава мистериите около произхода на живота са значително опростени.
Проблемите, свързани с появата на първата молекула нуклеинова киселина, генетичния код и целия механизъм на трансфер на информация от нуклеинови киселини към протеини все още остават нерешени, но тук се забелязва известен напредък, доколкото позволява сегашното ниво на познания. Ето защо, завършвайки нашия кратък преглед на съвременните представи за природата и произхода на живота на нашата планета, ние се освобождаваме от претенциозните дискусии за появата на „първичната протоплазмена първична атомна глобула“. Няма съмнение, че напредъкът към решаването на проблема за произхода на живота ще продължи. Междувременно принципите, които очертахме, са толкова общи, че са напълно приложими към проблемите на възникването на живот във всяка област на Вселената. Сега се обръщаме към обсъждане на въпроси за живота на други планети от Слънчевата система - тази тема формира съдържанието на останалите глави от нашата книга.
Бележки:
Значението на специалните понятия, използвани в книгата, е обяснено в Речника на термините.
Според Камерън (1970).
Според Мейсън (1966).
Тези аминокиселини са глицин, аланин, валин, левцин, изолевцин, пролин, аспарагинова киселина, глутаминова киселина, серин, треонин, аспарагин и глутамин.
Около 50 от тях са идентифицирани в метеорита Murchison, а осем от тях са част от протеини: глицин, аланин, валин, левцин, изолевцин. пролин, аспарагинова киселина, глутаминова киселина. Открити са също серин и треонин, но е възможно наличието им да се дължи на замърсяване.
Може също да се интересувате от:
Грешка е да се смята, че пилешките гърди са сухо постно месо за отслабващи и спортисти....
Дайконът е японска ряпа, сочен и хрупкав на вкус зеленчук, бял на цвят, продълговати...
Хурмата, подобно на мандарините, се появява на рафтовете до средата на декември. Някои от нейните страстни...
Сънувах, че виждам майка си в ковчег, но тя лежеше в него жива, но тежко болна и...
според съновника на Цветков, вие самият сте нов приятел; да видите кърпене е клюка. Мечтаех за шивач...
