Химики в лабораторных условиях получили из небиологических веществ структуры, способные самостоятельно питаться и размножаться. А физики доказали: первые клетки, возникшие таким образом, скорее всего, появились в периодически пересыхающих водоемах. Таким образом, теория Чарльза Дарвина о самозарождении жизни в маленьком прудике подтвердилась.

Элементарные ячейки жизни

Этапы возникновения первых клеточных структур из небиологических веществ в условиях ранней Земли: 1 - периодическая смена сухих и влажных условий в мелководном водоеме создала среду для полимеризации химических веществ; 2 - на каждом этапе пересыхания в субстрате формировались сгустки полимеров - компартменты; 3 - последующие самопроизвольное деление и самосборка компартментов привели к возникновению протоклетокВсе организмы на Земле состоят из клеток — элементарных ячеек жизни. Главные функции, отличающие живое от неживого — метаболизм, рост, реакции на раздражители, адаптация, воспроизводство и передача генетической информации, — реализуются благодаря протекающим в клетках физическим и химическим процессам.

В 2011 году биологи из Токийского университета создали в лаборатории из набора органических веществ синтетические аналоги протоклеток. В результате полимеразной цепной реакции (ПЦР) удалось добиться их полноценного самопроизвольного деления — аналогичного тому, что происходит в естественных условиях.

Возникавшие при делении новообразованные клеточные структуры были полностью идентичны первичным: вместе с оболочкой они наследовали от материнских "клеток" весь набор генов, определяющий их функции. Такие "организмы" еще нельзя назвать живыми, ведь у них нет эволюционной составляющей. Но они очень похожи на простейшие формы, появившиеся миллиарды лет назад.

Для приготовления первичного субстрата протоклеточных структур, или, по-научному, коацервата, авторы взяли десятки органических компонентов, соотношение которых предварительно рассчитали на компьютере. Соединившись, эти вещества сформировали в субстрате коацерватные пузырьки с катионной оболочкой и элементами ДНК внутри.

Несмотря на прорывной характер исследования, его результаты не доказывают возможность абиогенеза — происхождения живого из неживого. Дело в том, что ферменты, пептиды и нуклеиновые кислоты, которые ученые использовали в качестве компонентов, были биологического происхождения — то есть образованы живыми организмами.

ДНК не способна к самовоспроизведению без участия определенных ферментов — специфических белков, которые катализируют все этапы ее репликации. Японским ученым удалось создать ее в лаборатории, но, опять же, с использованием биологических компонентов.

Материал для первых клеток

В новом исследовании ученые из Института наук о Земле и жизни при Токийском технологическом институте в сотрудничестве с коллегами из Малайзии, Чешской Республики, США и Индии решили найти потенциальные механизмы образования первых клеток "с нуля" — только в ходе химических процессов, без участия биологии.

Компартменты — самоорганизующиеся макромолекулярные агрегаты в высушенном полимере глицина и гликолевой кислотыОни изучили широкий спектр соединений, которые могли сформироваться в результате пребиотических реакций в условиях ранней Земли.

И обнаружили, что многие из этих веществ — эфиры, амины, азиды, имиды и другие — при определенных условиях полимеризуются легче, чем биологические соединения. А некоторые даже спонтанно создают клеточно-подобные структуры — компартменты. По мнению авторов, цепочки полимеров внутри таких компартментов, закручиваясь, могли образовать уникальные трехмерные формы — прообразы белков или РНК.

Как известно, белки, представляющие собой гибкие цепочки полимеризованных аминокислот, играют роль катализаторов химических реакций в клетках. В живых организмах они синтезируются с помощью заложенного в РНК универсального кода. Как и когда он появился, ученые пока не знают. Но результаты исследования указывают — многие полимеризованные молекулы могут образовывать похожие цепочки и аналогичные каталитические формы.

Для получения полимерных цепочек в лаборатории авторы использовали периодическую смену сухих и влажных условий. При испарении разбавленного раствора, как правило, начинался процесс полимеризации, но не все образовавшиеся полимеры выдерживали сушку. Некоторые распадались. А другие при добавлении воды продолжали самовоспроизводящийся цикл синтеза. В этом авторы видят самое раннее, еще на уровне молекул, проявление эволюционного отбора, который впоследствии стал неотъемлемым признаком всех живых организмов.

Просмотрев такие "эволюционно сильные" полимеры под микроскопом, исследователи с удивлением обнаружили: в некоторых образовались компартменты размером с клетку, содержащие от десяти до двадцати атомов. По мнению ученых, со временем эти клеточно-подобные агрегаты после долгих химических преобразований могли стать полноценными клетками — самоорганизующимися структурами, состоящими уже из миллионов атомов.

Нестабильность — условие для жизни

То, что циклическое чередование влажных и сухих периодов способствует появлению в химической системе сложных пребиотических соединений, подтверждают и физики.

Пример самовоспроизводящегося цикла полимеризации небиологических химических веществАмериканские ученые из Университета штата Пенсильвания вместе с коллегами из Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета изучили на синхротроне APS Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, какие фазовые изменения претерпевают полимерные компартменты в циклах гидратации-дегидратации.

Авторы исследовали коацерваты полиэлектролитов в жидкой среде, имеющей такой же состав, как и вода в пруду. Они смоделировали условия, когда "пруд" то пересыхает, то снова наполняется дождевой водой. И выяснили: в первом случае концентрация нуклеиновых кислот и солей увеличивается, во втором — уменьшается. Внутри же полимерных компартментов она не меняется.

Это указывает на то, что в первичных клеточно-подобных структурах среда была постоянной, что способствовало поддержанию циклов химических реакций. По мнению исследователей, это стало ключевым фактором постепенного формирования внутри протоклеток сложных самовоспроизводящихся полимерных соединений, таких как РНК.

Сегодня химикам известно: в природе повторяющиеся циклы гидратации-дегидратации облегчают сборку молекулярных строительных блоков — аминокислот и нуклеотидов — в пептиды и белки за счет снижения термодинамического барьера, который в обычных условиях препятствует полимеризации. Примеры таких природных систем — неглубокие водоемы в регионах, где дожди периодически сменяются засухами, или эпизодически действующие термальные источники типа гейзеров.

Но удивительно, что первым идею о зарождении жизни в "мелком, прогретом солнцем пруду" высказал Чарльз Дарвин еще в середине XIX века.

Источник: РИА НОВОСТИ

Все организмы дискретны в пространстве и имеют наружную оболочку. Трудно представить себе живое существо в виде туманного облачка или раствора. Однако по началу преджизнь существовала именно в виде растворов. Чтобы не раствориться окончательно, не рассеяться в водах древних водоемов, ”живые растворы” должны были ютиться в крошечных полостях, которые часто встречаются в минералах. Это тем более удобно, что некоторые минералы (например, пирит) являются неплохими катализаторами для многих биохимических реакций.  Кроме того, поверхность минералов могла служить своеобразной матрицей, основой, к которой прикреплялись молекулы РНК. Упорядоченная структура кристаллов помогла упорядочить и структуру этих молекул, придать им нужную пространственную конфигурацию.

Но рано или поздно преджизнь должна была обзавестись собственными оболочками – перейти от доорганизменного уровня к организму. Идеальным материалом для таких оболочек являются липтиды (жиры), молекулы которых способны образовывать на поверхности воды тончайшие пленки. Если взболтать такую воду, в ее толще образуется множество мелких пузырьков – водяных капелек, покрытых двухслойной липтидной оболочкой (мембраной). Эти капельки проявляют интересные свойства, которые делают их похожими на живые клетки. Например, они способны осуществлять обмен веществ. Липтидные мембраны обладают избирательной проницаемостью: одни молекулы сквозь них проходят, другие – нет. Благодаря этому одни вещества втягиваются в капли, другие выводятся, третьи – накапливаются внутри. Правда, для того чтобы это происходило постоянно, одних мембран недостаточно. Нужно еще, чтобы внутри капли одни вещества превращались в другие, а для этого там должны находиться катализаторы – белки или РНК.

Изучением свойств водно-липтидных капель (каоцерватов) занимался академик А.И.Опарин. Он считал, что коацерваты были одним из этапов на пути возникновения жизни. Опарин обнаружил, что при определенных условиях коацерваты могут расти и даже ”размножаться” делением.

Первые коацерваты могли образоваться самопроизвольно из липтидов, синтезированных абиогенным путем. Впоследствии они могли вступить в симбиоз с ”живыми растворами” – колониями самовоспроизводящихся молекул РНК, среди которых были и рибозимы, катализирующие синтез липтидов. Подобное сообщество уже можно назвать организмом. У всех живых существ до сих пор в синтезе липтидов важнейшую роль играет кофермент А, представляющий собой не что иное, как модифицированный рибонуклеотид. Это еще одно напоминание об РНК-мире.

Камнем преткновения для теории РНК-мира в течении некоторого времени была неспособность молекул РНК эффективно взаимодействовать с липтидными мембранами. Недавно, однако, было показано, что комплексы из нескольких разных РНК и ионов кальция способны не только прикрепляться к мембране, но и регулировать их проницаемость.

Источник: А.Марков. Рождение сложности. Эволюционная биология сегодня: неожиданные открытия и новые вопросы. 527, с. 69-71/ Астрель 2010 г. 

Империя: Живые организмы

Что такое жизнь? Определение жизни

Вопросы о происхождении жизни, закономерностях исторического развития в различные геологические эпохи всегда интересовали человечество. Понятие жизнь охватывает совокупность всех живых организмов на Земле и условия их существования. Сущность жизни заключается в том, что живые организмы оставляют после себя потомство. Наследственная информация передается из поколения в поколение, организмы саморегулируются и восстанавливаются при воспроизводстве потомства. Жизнь — это особая качественная, наивысшая форма материи, способная, оставляя потомство, к самовоспроизведению.

Понятию жизнь в разных исторических периодах давались различные определения. Первое научно правильное определение дал Ф. Энгельс: "Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел". При прекращении процесса обмена веществ между живыми организмами и окружающей средой белки распадаются, и жизнь исчезает. Опираясь на современные достижения биологической науки, русский ученый М. В. Волькенштейн дал новое определение понятию жизнь: "Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров — белков и нуклеиновых кислот". Это определение не отрицает наличие жизни и на других планетах космического пространства. Жизнь называется открытой системой, на что указывает непрерывный процесс обмена веществ и энергии с окружающей средой. На основании последних научных достижений современной биологической науки дано следующее определение жизни: "Жизнь — это открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы совокупностей живых организмов, построенные из сложных биологических полимеров — белков и нуклеиновых кислот". Основой всего живого считаются нуклеиновые кислоты и белки, так как они функционируют в клетке, образовывают сложные соединения, которые входят в структуру всех живых организмов.

Живые организмы отличаются от неживой природы присущими им свойствами. К характерным свойствам живых организмов относятся: единство химического состава, обмен веществ и энергии, сходство уровней организации. Для живых организмов характерны также размножение, наследственность, изменчивость, рост и развитие, раздражимость, дискретность, саморегуляция, ритмичность и др. 

 Появление живых существ на Земле и их эволюция

Рис. 1. Колония цианобактерий в фумароле вулкана Дзендзур. Камчатка. (Фото Антоненко А.С., Мир дикой природы)Более 4 млрд лет назад на Земле возникла первая жизнь. За это время жизнь прошла большой путь развития, начавшийся спростейших молекулярных  живых растворов появившихся задолго до простейших организмов – каоцерватных капель и заканчивая современными млекопитающими. Параллельно с эволюцией живых существ шла эволюция составляющих их молекул, так первые белки входившие в живые существа обладали более низкой скоростью сворачивания [1].

Первые живые организмы появившиеся на нашей планете не имели ни ДНК, ни даже РНК и обитали в виде живых растворов находившиеся в крошечных полостях, которые часто встречаются в минералах. Роль РНК у первых самовоспровоизводящихся живых обитателей одновременно являвшейся и носителем наследственной информации, и средством её дальнейшего воспроизводства выполняла пептидная нуклеиновая кислота, остовом которой служила цепочка, образованная мономерами N-(2-аминоэтил) глицина (АЭГ) [2, 3]. В дальнейшем произошло её усложнение которое привело к образованию РНК [4]. Через какое-то время эта преджизнь должна была обзавестись собственными оболочками – перейти от доорганизменного уровня к организму. В качестве оболочек этот "живой раствор" использовал каоцерваты состоящие из липтидов [5].

Недавно в самых древних на Земле осадочных породах времен архея, найденных в юго-западной части Гренландии, были обнаружены следы сложных клеточных структур, возраст которых составляет по крайней мере 3,86 млрд лет. 

Рис. 2. Эволюционное дерево отображающее горизонтальный перенос геновПо одной из теорий около 4,1 - 3,6 млрд лет назад во времена эоархейского периода из существовавшего в то время разнообразия одноклеточных живых существ (прокариот) (рис. 1) проживавший тогда первый наш общий предок разделился на несколько ветвей, которые в последствии в свою очередь разделились на ныне существующие царства (животных, растений, грибов, протистов, хромистов, бактерий, архей и вирусов). Со временем остальные жители того периода не выдержали с ними конкуренции и исчезли с лица Земли. [6]

По другой теории - как такового общего предка не существовало, а первые обитавшие в то времы простейшие с помощью горизонтального переноса генов между собой, постояно эволюционировали. Предполагается, что на самых ранних этапах эволюции существовало некое общее генное "коммунальное хозяйство". Картина эволюционных связей в мире предковых прокариот представляла собой не столько дерево, сколько своего рода мицелий с переплетенной сетью горизонтальных переносов в самых разнообразных и неожиданных направлениях. По мере усложнения организмов и развития механизмов полового размножения и репродуктивной изоляции горизонтальный перенос становился более редким явлением (рис. 2) [7].

Примерно в этоже время появляются первые вирусы (рис. 3) [8].

Рис. 3. БактериофагиСледующим этапом эволюции стало появление в палеопротерозойской эре (более 2 млрд. лет назад) первых эукариотов [9] обладающих ядром и явившихся предками современных животных, растений, протистов и хромистов.

Последующие почти 1,5 млрд лет на нашей планете безукоризненно царствовали одноклеточные организмы, пока в эдикарском периоде около 630 млн. лет назад не появились первые многоклеточные существа.   Таких необычных форм в природе не появится уже никогда. В основном это мягкотелые организмы, состоящие из отдельных фракталов. Размеры их тела варьировались от одного сантиметра до одного метра. Выглядели они настолько необычно, что долгое время ученые спорили, к какому царству – растений или животных их можно отнести [10].

Рис. 4. Силурийское мелководьеОколо 480-460 млн лет назад в силурийском периоде на суше появидись первые растения [11] (по некоторым данным в верхнем кембрии 499-488 млн лет назад [12]), а еще спустя 50 млн лет в девонском периоде вслед за растениями на сушу вышли и первые животные [13] (хотя существуют некоторые данные, показывающие, что первые сухопутные животные жили в силурийском (рис. 4) или даже вендском периодах [14]). После этого начало бурное развитие всевозможных живых существ потомками которых ясляемся и мы.

Разнообразие видов живых существ

Сейчас, по наиболее точным оценкам, насчитывается около 1,6 миллиона живущих видов. Из них 860 000 составляют насекомые, 350 000 — растения, 8600 — птицы и только 3200 — млекопитающие. Большая часть остальных видов, около 300 000, относится к морским беспозвоночным. Общее количество — 1,5 миллиона — включает только те виды, описания которых были опубликованы учеными. Считается, что в несколько раз большее количество видов еще не описано. По прикидкам некоторых ученых, в настоящее время существуют около 8,7 миллиона видов эукариотических организмов (плюм-минус 1,3 млн). В это число не входят вымершие виды, известные только в виде ископаемых остатков. Основываясь на количестве уже описанных ископаемых видов, общее количество вымерших – обитавших когда-либо на протяжении более трех миллиардов лет существования жизни на Земле, оценивают в пределах от 50 миллионов до 4 миллиардов.

По расчётам ученых, в Мировом океане обитает 2,2 млн видов, на суше — 6,5 млн. Животных на планете всего около 7,77 млн видов, грибов — 611 тыс., растений — 300 тыс. При этом растениям повезло больше всего: из них описано 72% видов, тогда как животных — 12%, грибов — только 7%. [15]

 Табл.1. Количество видов обитающих на нашей планете

Несмотря на то, что сейчас живет такое многообразие живых существ, за последнее время деятельность человека привела к существенному их уменьшению. Так, например, за последние сто лет на Земле вымерло в результате деятельности человека около пятой части видов живых существ (только 2005-2010 гг. с лица Земли исчезло около 1000 видов), а площадь лесов сократилась вдвое, уменьшаясь каждую минуту примерно на 20 гектаров. 

Разделение классификации:

Антоненко А.С.