Подробное решение параграф § 21 по биологии для учащихся 11 класса, авторов А.В. Теремов, Р.А. Петросова Углубленный уровень 2017
Вопрос. Вспомните, какие химические элементы входят в состав нуклеиновых кислот и белков. Какими свойствами обладают мембраны клеток?
Ответ. В состав нуклеиновых кислот и белков входят такие химические элементы как:
Углерод – входит в состав всех органических веществ; скелет из атомов углерода составляет их основу.
Кислород – входит в состав практически всех органических веществ.
Водород – входит в состав всех органических веществ клетки.
Азот – входит в состав белков, нуклеиновых кислот и их мономеров – аминокислот и нуклеотидов. Из организма животных выводится в составе аммиака, мочевины, гуанина
Сера – входит в состав серосодержащих аминокислот, поэтому содержится в большинстве белков.
Фосфор – входит в состав нуклеотидов и нуклеиновых кислот, фосфопротеидов.
Свойства мембраны:
1. Текучесть. В процессе жизнедеятельности мембраны клетки подвергаются значительным изменениям. Этот процесс возможен благодаря подвижности и динамичности молекул, составляющих мембрану.
2. Асимметрия. Все мембраны клетки имеют асимметричную организацию, для поддержания которой существуют специальные механизмы.
3. Полярность. Внутренняя поверхность мембраны (обращенная к цитоплазме) в нормальных условиях жизнедеятельности всегда заряжена отрицательно по отношению к внешней среде.
4. Избирательная проницаемость. Это свойство обеспечивает обмен веществ между клеткой и внешней средой. Процесс прохождения веществ через клеточную мембрану называют трансмембранным транспортом.
Вопрос 1. Перечислите основные этапы химической эволюции на нашей планете. Какие химические соединения в ней участвовали?
Ответ. Химическая эволюция – процесс необратимых изменений, приводящий к появлению новых химических соединений – продуктов, более сложных и высокоорганизованных по сравнению с исходными веществами. Эволюцию, которую прошли химические соединения на нашей планете, можно разделить на три стадии: 1) Абиогенный синтез органических веществ; 2) Образование полимеров из мономеров; 3) Формирование мембран и возникновение пробионтов.
Абиогенный синтез органических веществ. связан с химическими превращениями без образования цепей из атомов углерода, который, как известно, обладает наибольшим эволюционным потенциалом. На этой стадии образовывались наиболее простые вещества и происходили относительно несложные процессы.
Вторая стадия – образование полимеров из мономеров – по сути есть химия соединений углерода. Здесь происходит резкое усложнение химизма и формируются все необходимые предпосылки для возникновения жизни.
Следующая стадия – формирование мембран и возникновение пробионтов. С возникновением жизни высшей и наиболее сложной формой материи становится биологическая.
На границе трёх сред (воздуха, воды и суши) плёнка, состоящая из молекул белков и липидов, могла прогибаться под воздействием ветра, что привело к её волнению и образованию за счёт электростатического притяжения одномембранных пузырьков.
Пузырьки поднимались ветром и, падая на поверхность плёнки, покрывались за счёт гидрофобного взаимодействия между неполярными хвостами молекул липидов второй мембраной. Возникшие таким путём мембраны в течение миллионов лет совершенствовались, приобретая избирательную проницаемость, устойчивость, что и привело к возникновению первых организмов – пробионтов. Они представляли собой, по всей видимости, молекулы РНК, окружённые белково-липидными мембранами. Пробионтов можно считать предшественниками первых настоящих клеток, однако в них не происходили сложные процессы обмена веществ и точное генетическое копирование. Переход от пробионтов к первым клеткам, обладающим этими важнейшими признаками живого, означал появление настоящей жизни и знаменовал собой начало органической (биологической) эволюции.
Вопрос 2. Какие условия и химические соединения, по мнению учёных, были необходимы для абиогенного синтеза органических соединений из неорганических? Почему невозможно повторное возникновение жизни на Земле?
Ответ. Первую научную теорию относительно происхождения живых организмов на Земле создал советский биохимик А. И. Опарин (1894–1980). В 1924 г. он опубликовал работы, в которых изложил представления о том, как могла возникнуть жизнь на Земле. Согласно этой теории, жизнь возникла в специфических условиях древней Земли и рассматривается Опариным как закономерный результат химической эволюции соединений углерода во Вселенной.
Атмосфера, первоначально состоявшая из лёгких газов (водород, гелий), не могла эффективно удерживаться недостаточно плотной Землёй, и эти газы заменялись более тяжёлыми: водяным паром, углекислым газом, аммиаком и метаном. Когда температура Земли опустилась ниже 100ºС, водяной пар начал конденсироваться, образуя мировой океан. В это время, в соответствии с представлениями А. И. Опарина, состоялся абиогенный синтез, то есть в первичных земных океанах, насыщенных разными простыми химическими соединениями, «в первичном бульоне» под влиянием вулканического тепла, разрядов молний, интенсивной ультрафиолетовой радиации и других факторов среды начался синтез более сложных органических соединений, а затем и биополимеров. Образованию органических веществ способствовало отсутствие живых организмов – потребителей органики – и главного окислителя – кислорода. Сложные молекулы аминокислот случайно объединялись в пептиды, которые, в свою очередь, создали первоначальные белки. Из этих белков синтезировались первичные живые существа микроскопических размеров
По Опарину, процесс, приведший к возникновению жизни на Земле, может быть разделен на три этапа:
• возникновение органических веществ;
• образование из более простых органических веществ биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липидов и др.);
• возникновение примитивных самовоспроизводящихся организмов.
Если сейчас на Земле где-нибудь в районах интенсивной вулканической деятельности и могут возникнуть достаточно сложные органические соединения, то вероятность сколько-нибудь продолжительного существования этих соединений ничтожна. Они немедленно будут окислены или использованы гетеротрофными организмами.
Вопрос 3. Каким требованиям должны были удовлетворять молекулы органических веществ, чтобы химическая эволюция могла перейти в органическую (биологическую)?
Ответ. Пробионтов можно считать предшественниками первых клеток, так как в них еще не происходил обмен веществ, превращение энергии и отсутствовало точное копирование генетической информации. Переход от пробионтов к первым клеткам, обладавшим этими важнейшими признаками живого, означал появление жизни и начало органической (биологической) эволюции.
Вопрос 4. На основе каких молекул и как возник механизм генетического копирования и ферментации? Ответ проиллюстрируйте примерами.
Ответ. В живых организмах практически все процессы происходят в основном благодаря ферментам белковой природы. Белки, однако, не могут самореплицироваться и синтезируются в клетке de novo на основании информации, заложенной в ДНК. Но и удвоение ДНК происходит только благодаря участию белков и РНК. Образуется замкнутый круг, из-за которого в рамках теории самозарождения жизни приходилось признать необходимость не только абиогенного синтеза обоих классов молекул, но и спонтанного возникновения сложной системы их взаимосвязи.
В начале 1980-х годов в лаборатории Т. Чека и С. Олтмана в США была открыта каталитическая способность РНК. По аналогии с ферментами (англ. enzyme) РНК-катализаторы были названы рибозимами, за их открытие Томасу Чеку в 1989 году была присуждена Нобелевская премия по химии. Более того, оказалось, что активный центр рибосом содержит большое количество рРНК. Также РНК способны создавать двойную цепочку и самореплицироваться.
Таким образом, РНК могли существовать полностью автономно, катализируя «метаболические» реакции, например, синтеза новых рибонуклеотидов и самовоспроизводясь, сохраняя из «поколения» в «поколение» каталитические свойства. Накопление случайных мутаций привело к появлению РНК, катализирующих синтез определённых белков, являющихся более эффективным катализатором, в связи с чем эти мутации закреплялись в ходе естественного отбора. С другой стороны возникли специализированные хранилища генетической информации – ДНК. РНК сохранилась между ними как посредник.
Согласно известной теории «РНК-мира», изначально молекулы РНК в первых живых организмах играли роль белков и ДНК. В дальнейшем постепенно белки начали осуществлять управление клеточными процессами.
Генетическая информация стала храниться в ДНК. В настоящее время ученые осуществляют попытку повторить процесс зарождения жизни в лабораторных условиях.
Ученые стремятся узнать, как именно сформировались первые РНК-молекулы, каков был механизм их первого копирования, а также каким образом их в заместило ДНК с белками.
Первые эксперименты были проведены еще в 50-х годах прошлого столетия. Тогда было показано, что одиночные звенья соединяются в двойной спирали генетического кода только одним-единственным способом.