Способность к эволюции - способность к обмену веществ и самовоспроизведению.

           К настоящему моменту мы уже представляем, что начальный процесс возникновения жизни (а точнее, живой клетки!) необходимо разбить на два этапа «химической эволюции»:

• 1 этап - синтез исходных органических соединений;
• 2 этап - формирование биополимеров, липидов, углеводородов.

            Дальнейшее развитие должно идти по пути самосборки предшественников клетки (например, из липидов организуются оболочки (мембранного типа) и перегородки клеток).

Существует пока еще не решенная проблема: каким образом происходила самоорганизация неравновесной химической системы.

Образовавшиеся путем самосборки агрегаты имеют общие черты с клетками, их все же нельзя считать “живыми”, -

нет генетической информации

            Вторая проблема - как из хаоса получить порядок?

Решение даст ответ на вопрос о переходе с этапа химической эволюции к биохимическому этапу.

В нашем распоряжении есть только результат – живая клетка. перед учеными стоит очень непростая задача – по результату восстановить ход эволюции.

Напомним самые общие сведения о клетках.

• Самые простые - прокариотические клетки – безъядерные клетки.

Микоплазменная клетка имеет размеры 0.1-0.25 мкм.

В цитоплазме находятся молекулы ДНК, рибосомы и различные включения в виде гранул липидов и других веществ.

Однако прокариотические клетки – это уже одноклеточные организмы, например, бактерии и сине-зеленые водоросли.

• Более сложные – эукариотические (ядерные) клетки

1 - Мембрана - регулирует обмен различными веществами между клеткой и внешней средой.

2 - Цитоплазматический матрикс – водная фаза с белковыми макромолекулами: - ядро, митохондрии, рибосомы и др.

3 - Ядерная мембрана – отделяет ядро от цитоплазмы.

4 - Ядро - содержит одно или два ядрышка, состоящих из РНК.

5 - Ядрышко

6 - Хромосомы - в ядре (палочки, нити, петли). Количество хромосом в клетках постоянно. В хромосоме - молекула ДНК

7 - Рибосомы - состоят из белка и РНК. На рибосомах происходит синтез белка.

8 - Митохондрии - структуры в виде палочек, нитей или гранул. В них питательные вещества окисляются, а высвобождаемая при этом энергия запасается в АТФ (аденозин-трифосфат)

9 - Лизосомы

В растительных клетках - органеллы - хлоропласты, в которых содержится хлорофилл.

Недавно ученым удалось получить трехмерную фотографию клетки.

Здесь показана полная электронная томограмма дрожжевой клетки: плазменная мембрана, микротрубочки и светлые вакуоли (зелёный цвет), ядро, тёмные вакуоли и тёмные везикулы (золотой), митохондрия и крупные темные везикулы (голубой), а также светлые везикулы (розовый) (иллюстрация Johanna Höög).

Возникает естественный вопрос: как можно построить такую сложную конструкцию- клетку? Могла ли природа случайным образом «слепить» клетку?

Естественно, надо начинать с постройки минимальной конструкции.

Минимальный размер клетки (из известных на сегодня) составляет~1000Å. Ученые считают, что теоретически возможный минимальный размер должен превышать 500Å. Но даже в такой клетке содержится 1.5 млн. атомов. Случайным образом осуществление такой постройки маловероятно (вероятность примерно такая же, как в случае, если ураган пронесется над огромной свалкой мусора, а затем из набранных деталей соберет новенький самолет “Боинг-747”).

Но вспомним, что Природа в процессе химической эволюции синтезировала сложные химические соединения, т.е. нет необходимости строить здание из кирпичиков, можно собирать постройку из готовых блоков.

            Вспомним, из чего состоит клетка?

В ней более 70 химических элементов, но лишь 10 из них (кислород, углерод, водород, азот, кальций, фосфор, кремний, сера, натрий, хлор) встречаются в большом количестве.

• Вода - 70% массы протоплазмы. Вода уже была на Земле, поэтому создавать ее из атомов специально для клетки нет необходимости.
• Основные органические соединения клетки - углеводы, липиды, белки, нуклеиновые кислоты и стероиды.

Углеводы (углеводороды) - соединения углерода, водорода и кислорода с общей формулой Cn(H2O)n. К углеводам относятся, например, моносахариды и полисахариды (С6Н10О5)n). Моносахариды - группа содержит рибозу и дезоксирибозу - сахара, входящие в состав мономеров нуклеиновых кислот РНК и ДНК. Сюда же относятся глюкоза (виноградный сахар) и фруктоза. Главными углеводами протоплазмы являются глюкоза (у животных), и крахмал (у растений).

К полисахаридам относятся целлюлоза и клетчатка, которые содержат около 50% всего углерода биосферы.

Липиды - соединения, получающиеся из высших жирных кислот и глицерина. Например, стеарин получается в результате реакции между глицерином и стеариновой кислотой:

C3H5(OH)3 + 3C17H35COOH ® (C17H35COO)3C3H5 + 3H2O

Белки - наиболее сложные химические соединения в клетках. Они построены из аминокислот (молекула белка, по сути, неопределенно длинная цепь аминокислот). Белки - это строительный материал живых клеток. Очень важно также напомнить, что белки выступают и в качестве биологических катализаторов - ферментов.

Нуклеиновые кислоты - помимо углеводов, содержат кислород, водород, азот и фосфор. В клетках находятся дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая кислоты (ДНК и РНК). ДНК и РНК являются носителями генетической информации.

Теперь снова вернемся к вопросу: можно ли в эксперименте получить соединения, из которых состоит клетка, чтобы потом решить, были ли на Земле подходящие условия для синтеза таких соединений?

v  Начнем с основного материала, с белков. Они состоят из 20 аминокислот, и все эти аминокислоты могут быть синтезированы небиологическим путем.

В чем же разница между “искусственным” полимером - полипептидом и “клеточным” полимером - белком? Оказалось, что разница наблюдается всего лишь в различном “расположении” аминокислот. Образно говоря, белки – это красивое архитектурное сооружение, а “искусственный” полимер – это сарай. Соблюдение определенной последовательности в пространственном расположении аминокислот при построении молекулы белка создают трудности для современной науки.

Есть еще одна особенность, которую необходимо учитывать. В создании белка участвуют 20 аминокислот, в белковой молекуле - около 100 аминокислотных остатков, т.е. при построении белка возможно 20100 вариантов различных комбинаций мономеров. Однако живая природа использует всего 202 различных сочетаний. Почему? Пока этот факт является для ученых загадкой.

Вывод - до сих пор опытным путем не удалось правильно уложить аминокислотные остатки и синтезировать белок.

v  Синтез углеводов: вспомним, что крахмал и сахар легко поддаются небиологическому синтезу, т.е. эти соединения могли быть получены в процессе химической эволюции.

v  Липиды (или жиры) - также могут быть синтезированы небиологическим путем.

v  Нуклеиновые кислоты - ДНК и РНК.

Ученым удалось синтезировать полимеры,... но не удается получить нужное “архитектурное” сооружение. Возникающие трудности очень схожи с теми, что мы имеем в случае белков.

Вывод: получить до-биологическим путем сразу простейшую клетку очень сложно. Поэтому естественно возникает предположение о существовании доклеточной стадии.

            В настоящее время мы понимаем, что синтез белков происходит в соответствии с информацией, заложенной в ДНК. Но ДНК не может функционировать без ферментов, т.е. без белков. Получаем замкнутый круг - для синтеза белков нам необходимы...белки. Спрашивается, что появилось раньше? Иными словами, проблема происхождения жизни упирается в классический вопрос: что первично - курица или яйцо?

Проблема происхождения жизни получила бы завершённость и могла бы перейти в разряд экспериментально проверяемых научных теорий, если бы удалось небиологическим путём синтезировать вещество, способное к самокопированию. В результате эволюционного изменения такого вещества могла появиться молекула ДНК

Учеными была выдвинута гипотеза - в начале начал лежит не ДНК, не белок, а РНК.

            Такая гипотеза базируется на обнаруженной способности некоторых РНК действовать как катализаторы (ферменты), т.е. заменить в этом смысле белки. Кроме того, для молекулы РНК вполне вероятно ее самовоспроизведение. Таким образом, РНК могла бы быть одновременно и геном, и катализатором его репликации.

Поэтому ученые предложили рассматривать  “Мир РНК”. Основные стадии эволюции этого мира:

1 - первичные организмы состояли из простых самовоспроизводящихся молекул РНК;

2 – РНК приобрели способность к синтезу белков, что позволило им увеличить скорость репликации;

3 – произошел синтез липидов, которые сформировали мембрану;

4 - возникновение клетки;

5 - передача функции носителя генетической информации двухцепочечным молекулам ДНК, как более надежным.

            Но остается нерешенным вопрос: каким образом возникли первые РНК? Искусственно синтезировать РНК и составляющие их нуклеотиды довольно трудно даже в оптимальных условиях добиологического синтеза.

            Сегодня выдвигаются гипотезы, в которых признается, что изначально существовало какое-то более простое сравнительно с РНК и, может быть, вовсе на нее не похожее химическое соединение, “подготовившее почву” для мира РНК.

Говоря о сложных и нерешенных вопросах, связанных возникновением первых клеток, необходимо еще остановиться на проблеме, обусловленной асимметрией живых организмов.