Биопоэз

Хронология эволюции

Биопоэ́з — процесс возникновения и развития живых систем из неживой материи при наличии благоприятных условий.

Описан в рамках гипотезы происхождения жизни на Земле.

Его рассматривают как совокупность планетарной (геологической), химической (абиотической) и биологической эволюций. Теория биопоэза является современной идеалистической концепцией, предложенной британским учёным Джоном Берналом в 1947 году. В середине ХХ века внимание к проблеме самозарождения жизни проявлял советский биохимик Александр Опарин.

Роль биопоэза в эволюции жизни на Земле крайне велика, так как теория биопоэза позволяет объяснить, как первые живые организмы смогли адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды, эволюционировав в более сложные формы жизни.

Понятие и основные принципы биопоэза

Биопоэз — процесс одноэтапного самопроизвольного зарождения живой системы из неживого вещества.

Биопоэз представляет собой последовательность химических реакций и процессов, которые приводят к образованию первых живых организмов. Теория биопоэза основана на нескольких ключевых принципах:

1. утверждает, что жизнь зародилась из простых химических веществ, таких как вода, углерод, азот и кислород
2. подчёркивает важность самоорганизации химических систем, которые могут привести к образованию сложных структур и процессов
3. подчёркивает роль окружающей среды и её влияние на процесс возникновения жизни

Суть теории биопоэза

Согласно данной теории, на Земле существовал мировой океан, в котором были растворены различные неорганические вещества, которые, вступая в реакции друг с другом, изменялись за счёт чего образовывали новые органические вещества. Данные живые ткани концентрировались либо вокруг одного органического вещества, либо вокруг одного неорганического вещества, то есть кристаллизировались, образовывая коацерваты (пробионты). В тот период пробионты выступали основой жизни. Процесс биопоэза происходил под действием различных физических факторов, таких как действие электрического тока, действие ультрафиолетового излучения и других.

Этапы биопоэза

Современная теория возникновения жизни на Земле была сформулирована в 1947 году английским учёным Джоном Берналом. Он выделил три этапа биопоэза:

1) Выделают две стадии: 1. Планетарная эволюция; 2. Химическая эволюция

Абиогенный синтез органических соединений из неорганических, возникновение биологических мономеров.

2) Предбиологическая эволюция. Образование из органических мономеров биологических полимеров.

3) Биологическая эволюция. Формирование из биологических полимеров мембран и первых одноклеточных организмов — пробионтов.

По своей сути теория биопоэза объединила теории абиогенеза, биогенеза и основные идеи гипотезы биохимической эволюции Опарина-Холдейна.

Планетарная эволюция

Изображение кометы, переносящей бактериальную форму жизни из космоса на Землю

Земля образовалась из газопылевого облака около 5 миллиардов лет назад, в состав которого входили атомы водорода и гелия. В ходе термоядерных реакций сформировалась первичная атмосфера, в состав которой входили:

• Метан
• Аммиак
• Угарный газ
• Водород
• Пары воды

Химическая эволюция

 → Химическая эволюция

Год	ФИО учёного	Открытие
1912	Жак Лёб	Впервые получил аминокислоту глицин из смеси нагретых газов и электрических разрядов
1924	Александ Иванович Опарин	Выдвинул коацерватную гипотезу
1929	Джон Холдейн	Сформулировал гипотезу «первичного бульона». Первые органические вещества синтезировались из неорганических за счёт солнечной радиации.
1953	Стенли Миллер и Гарольд Юри	Получили экспериментальные доказательства выдвинутых ранее гипотез. Сконструировали установку, в которой воспроизвели условия на древней Земле.
1957	Т. Е. Павловская и А. Г. Пасынский	Повторили опыт Миллера, заменив в газовой смеси водород на оксид углерода и использовали вместо электрических разрядов УФ излучение. В результате получили в смеси аминокислоты.

Теория Опарина—Холдейна

 → Теория Опарина — Холдейна

Интерес к вопросу о зарождении жизни был возрождён благодаря трудам советского биохимика Александра Опарина и британского исследователя Джона Холдейна. Их идея состояла в том, что жизнь зародилась в результате сочетания разнообразных органических веществ («первичный бульон»), которые возникли в бескислородной среде на древней Земле. В то время, около 4 миллиардов лет назад, земная атмосфера состояла из аммиака, водяного пара и углекислого газа. Благодаря атмосферному электричеству, возникли органические молекулы, ставшие основой для нуклеиновых кислот и белков, генов и клеток.

Главным достижением теории Опарина-Холдейна стала работа американского аспиранта Стэнли Миллера, проведённая в 1953 году.

Опыт Миллера и Юри

Схема эксперимента

Эксперимент был проведён для проверки возможности химической эволюции. Прибор Миллера представлял собой систему из двух колб, соединённых трубками, через которые пропускались газы и электрические разряды. Смесь газов состояла из метана, аммиака, водорода и угарного газа. В одной из колб находилась вода, которая испарялась при нагревании и превращалась в пар, который содержал органические вещества, конденсировался и возвращался обратно в колбу.

Условия эксперимента:

• Газы: метан, аммиак, водород, пары воды
• Температура 80 °С
• Электрический разряд 60 000 В

В результате эксперимента, проведённого Миллером и Юри в течение одной недели, было обнаружено, что около 10-15 % углерода перешло в форму органических соединений. Около 2 % из них составили аминокислоты, причём глицин оказался наиболее распространённой из них. Также были обнаружены сахара, липиды и компоненты нуклеиновых кислот. Эксперимент повторялся несколько раз в 1953—1954 годах.

Предбиологическая эволюция

Получение коацерватов в химической лаборатории Коллежа Драммондвилла, Квебек (Канада)

Происходит процесс образования полимеров из мономеров. По мнению Александра Опарина полимеризация происходила за счёт коацервации — самопроизвольного разделения водного раствора мономеров на фазы с различной концентрацией. При благоприятных условиях приводит к разделению системы на два жидких слоя с чёткой поверхностью раздела между ними: слой равновесной жидкости с малым содержанием высокомолекулярного соединения и слой повышенной концентрации, или коацерватный слой.

В коацерватные капли из внешней среды попадали ионы металлов, выступавшие в качестве первых катализаторов. Из огромного количества химических соединений, присутствовавших в «первичном бульоне», отбирались наиболее эффективные в каталитическом отношении комбинации молекул, что привело к появлению ферментов.

На границе между коацерватами и внешней средой выстраивались молекулы липидов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны.

«Чёрный курильщик»

Биологическая эволюция

Формирование мембран и возникновение пробионтов. Пробионты — это молекулы РНК, окружённые белково-липидными мембранами. Не способны к обмену веществ.

В 1977 году в океанических желобах были обнаружены разломы «чёрные курильщики»:

• Глубина несколько тысяч метров
• Давление несколько сотен атмосфер
• Температура 300 °С
• Выделяют газы

См. также

• Принцип ключевого ароморфоза
• Коацерватная гипотеза Опарина-Холдейна
• Теория Опарина — Холдейна

Литература

• Костецкий Э.Я. Как возникла жизнь. Теория возникновения протоклеток и их структурных компонентов. Часть 1 // Известия Дальневосточного федерального университета. Экономика и управление. — 2008. — № 4. — С. 79—98.
• Зарицкий Александр Романович, Грачев Владимир Иванович, Воронцов Юрий Петрович, Пронин Вячеслав Сергеевич Энергетические аспекты абиогенеза в атмосфере на нанокаплях углеводородного аэрозоля // Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. — 2013. — С. 105—123.
• Аксенов Н.Д., Анцупов Н.А. Современные теории происхождения жизни // Скиф. Вопросы студенческой науки. — 2021. — С. 288—291.
• Кишкан В.В., Рядчиков Д.В., Озереденко З.В., Снежко А.А., Эльберг М.С. От атомов к протожизни // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. — 2010. — С. 370—371.
• Зусмановский А.Г., Эрнст Л.К. Живая материя: эволюция «Со стороны» биофизики // Вестник новых медицинских технологий. — 2007.
• Глава 1. Происхождение жизни // Марков А. В. Рождение сложности. М.: CORPUS, «Астрель», 2010. — 248 с. — (Элементы). — ISBN 978-5-17-084031-1.
• Спирин А. С. Биосинтез белков, мир РНК и происхождение жизни // Вестник Российской академии наук. 2001. Т. 71. № 4. С. 320—328 (копия)
• Чернавский Д. С. Проблема происхождения жизни и мышления с точки зрения современной физики // Успехи физических наук. Т. 170. 2000. № 2. С. 157—183.
• Биологический энциклопедический словарь / Гл. ред. М. С. Гиляров; Редкол.: А. А. Баев, Г. Г. Винберг, Г. А. Заварзин и др. — М.: Сов. энциклопедия, 1986. — 831 с. — 100 000 экз.
• Флоровская В. Н., Пиковский Ю. И., Раменская М.Е./Предбиологичесчкая эволюция углеродистых веществ на ранней Земле: Геологический аспект. Изд. стереотип. URSS. 2018. 224 с. ISBN 978-5-397-05931

Ссылки

• Презентация для углубленного изучения темы «Биопоэз» в курсе биологии 11 класс. Подходит для подготовки к ЕГЭШаблон:Происхождение жизни

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Биопоэз», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/Биопоэз» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».