«химическая революция»

Содержание

• 
  1Методология исследования химической эволюции (теория)
  
• 
  2Абиогенез
  
  • 
    2.1Обзор темы
    
• 
  3Предварительные рассуждения
  
  • 
    3.1Биомолекулы
    
  • 
    3.2Развитие древней атмосферы
    
  • 
    3.3Значение воды для возникновения и сохранения жизни
    
• 
  4Эксперименты
  
  • 
    4.1Эксперимент Миллера — Юри
    
  • 
    4.2Дальнейшие реакции
    
  • 
    4.3Участие минералов и горных пород
    
  • 
    4.4Теория Вехтерхойзера
    
  • 
    4.5Цинковый мир
    
  • 
    4.6Образование макромолекул
    
  • 
    4.7Образование пребиотических структур (предшественников клеток)
    
    • 
      4.7.1Коацерваты
      
    • 
      4.7.2Микросферы
      
  • 
    4.8Мир РНК
    
  • 
    4.9Биомолекулы из космоса
    
  • 
    4.10«Черные курильщики»
    
• 
  5См. также
  
• 
  6Примечания
  
• 
  7Ссылки
  

Методология исследования химической эволюции (теория)[править | править код]

Исследование химической эволюции осложняется тем, что в настоящее время знания о геохимических условиях древней Земли не являются достаточно полными.
Поэтому, кроме геологических, привлекаются также астрономические данные. Так, условия на Венере и Марсе рассматривают как близкие к тем, что были на Земле на различных этапах её эволюции.
Основные данные о химической эволюции получены в результате модельных экспериментов, в ходе которых удалось получить сложные органические молекулы при имитации различных химических составов атмосферы, гидросферы и литосферы и климатических условий.
На основе имеющихся данных был выдвинут ряд гипотез о конкретных механизмах и непосредственных движущих силах химической эволюции.

Абиогенез[править | править код]

Абиогенез — образование органических соединений, распространённых в живой природе, вне организма без участия ферментов.
В широком смысле абиогенез — возникновение живого из неживого, то есть исходная гипотеза современной теории происхождения жизни. В 1920-х годах академик А. И. Опарин предположил, что в растворах высокомолекулярных соединений могут самопроизвольно образовываться зоны повышенной концентрации, которые относительно отделены от внешней среды и могут поддерживать обмен с ней. Он назвал их Коацерватные капли, или просто коацерваты.
В 1953 году Стэнли Миллером экспериментально осуществлён абиогенный синтез аминокислот и других органических веществ в условиях, воспроизводящих условия первобытной Земли.
Существует также теория гиперциклов, согласно которой первые проявления жизни были связаны с так называемыми гиперциклами — комплексами сложных каталитических реакций, в которых продукт каждой предыдущей реакции является катализатором для последующей.
В 2008 году американские биологи сделали важный шаг к пониманию начальных этапов зарождения жизни. Им удалось создать «протоклетку» с оболочкой из простых липидов и жирных кислот, способную втягивать из окружающей среды нуклеотид-монофосфаты, активированные имидазолом — «кирпичики», необходимые для синтеза ДНК^[5]. В 2011 году японские учёные сообщили, что им удалось создать везикулы с катионной оболочкой и элементами ДНК внутри, способную к делению в результате полимеразной цепной реакции, реплицирующей ДНК^[6].

Обзор темы[править | править код]

Гипотезы химической эволюции должны объяснять следующие аспекты:

1. 
   Появление в Космосе или на Земле условий для автокаталитического синтеза больших объёмов и значительного разнообразия углеродсодержащих молекул, то есть — возникновение в абиогенных процессах веществ, необходимых и достаточных для начала химической эволюции.
   
2. 
   Появление из таких молекул относительно устойчивых замкнутых агрегатов, позволяющих так изолировать себя от окружающей среды, что с ней становится возможным избирательный обмен веществом и энергией, то есть — возникновение неких протоклеточных структур.
   
3. 
   Появление в таких агрегатах способных к самоизменению и к саморепликации химических информационных систем, то есть — возникновение элементарных единиц наследственного кода.
   
4. 
   Появление взаимной зависимости между свойствами белков и функциями ферментов с носителями информации (РНК, ДНК), то есть — возникновение собственно кода наследственности, как необходимого условия уже для биологической эволюции.
   

Большой вклад в прояснение этих вопросов, среди прочих, сделали следующие учёные:

• 
  Александр Опарин: Коацерваты.
  
• 
  Гарольд Юри и Стэнли Миллер в 1953: Возникновение простых биомолекул в симулируемой древней атмосфере.
  
• 
  Сидней Фокс: Микросферы из протеноидов.
  
• 
  Томас Чек (университет Колорадо) и Сидней Алтман (университет Yale New Haven Connecticut) в 1981: Автокаталитическое РНК-деление: «Рибозимы» объединяют катализ и информацию в молекуле. Они в состоянии вырезать себя из более длинной цепи РНК и соединять остающиеся концы снова.
  
• 
  Уолтер Гилберт (Гарвард университет, Кембридж) разрабатывает в 1986 идею мира РНК.
  
• 
  Гюнтер фон Кидровски (Рур-университет Бохум) представляет в 1986 году первую самореплицирующуюся систему на основе ДНК, важный вклад в понимание функций роста самореплицирующихся систем
  
• 
  Манфред Эйген (институт Макса Планка факультет биофизической химии, Геттинген): Эволюция ансамблей молекул РНК. Гиперцикл.
  
• 
  Юлий Ребек (Кембридж) создаёт искусственную молекулу (Aminoadenosintriazidester), которая самореплицируется в растворе хлороформа. Копии все же идентичны образцу, так что эволюция для этих молекул невозможна.
  
• 
  Джон Корлис (Goddard центр космических полётов — НАСА): Термальные источники морей поставляют энергию и химикалии, которые делают возможными независимую от космической среды химическую эволюцию. Ещё сегодня они являются средой жизни для первоначальных по многим признакам археобактерий (Archaea).
  
• 
  Гюнтер Вэхтерсхойзер (англ. Günter_Wächtershäuser) (Мюнхен) — гипотеза мира сульфидов железа: первые само-реплицирующиеся структуры с обменом веществ возникли на поверхности пирита. Пирит (сульфид железа) поставил для этого необходимую энергию. На растущих и снова распадающихся кристаллах пирита эти системы могли расти и размножаться, и различные популяции конфронтировали с разным условиям среды (условия отбора).
  
• 
  А. Г. Cairns-Smith (университет Глазго) и Дэвид К. Мауерцалл (Rockefeller-Universität New York, Нью-Йорк) видят в глиняных минералах систему, которая сначала сама подчинена химической эволюции, из-за чего возникает много различных, самореплицирующихся кристаллов. Эти кристаллы притягивают своим электрическим зарядом органические молекулы и катализируют синтез комплексных биомолекул, причём объём информации кристаллических структур служит сначала матрицей. Эти органические соединения становятся всё более сложными до тех пор, пока они не смогут размножаться без помощи глиняных минералов.
  
• 
  Вольфганг Вайганд, Марк Дерр и др. (Институт Макса Планка факультет биогеохимии, Йена) показали в 2003, что сульфид железа может катализировать синтез аммиака из молекулярного азота.
  

Унифицированная модель химической эволюции ещё не разработана, возможно, потому, что основные принципы ещё не открыты.

Предварительные рассуждения[править | править код]

Биомолекулы[править | править код]

Основная статья: Биомолекулы

Биомолекулы — возникновение и функция
Пребиотический синтез сложных соединений молекул может делиться на три последовательных этапа:

1. 
   Возникновение простых органических соединений (спиртов, кислот, гетероциклических соединений: пуринов, пиримидинов и пирролов) из абиогенных материалов.
   
2. 
   Синтез более сложных органических соединений — «биомолекул» — представителей наиболее распространённых классов метаболитов, в том числе и мономеров — структурных единиц биополимеров (моносахаридов, аминокислот, жирных кислот, нуклеотидов) из простых органических соединений.
   
3. 
   Возникновение сложных биополимеров (полисахариды, белки, нуклеиновые кислоты) из основных структурных единиц — мономеров.
   

Одним из вопросов является химический состав среды, в которой осуществлялся пребиологический синтез, в том числе то, какие неорганические компоненты являлись источниками различных элементов, входящих в состав различных органических соединений.