Особенности биологической формы материи

12  особенности  биологической  формы  материи.

12.1  Эволюция микромира до простейших молекул.

В 1948 г. Гамов и Бете выдвинули теорию образования химических элементов из нейтронов космического «яйца» – илема. Речь идет о реакции распада нейтрона и превращении его в протон и электрон: . Далее протон захватывает электрон, образуя атом водорода. Из множества комбинаций (каналов реакций) реализуется ядерная реакция с выходом энергии ₁n +₁p→ ₂D с образованием дейтерия. Далее точно также идет реакция образования трития (один протон и два нейтрона в ядре).

Затем образуется гелий и прочие элементы таблицы Менделеева. Из образовавшихся комбинаций ядер лишь некоторые устойчивы (стабильны). При этом «промежуточные» нестабильные ядра могут давать далее стабильные. Понятно, что чем стабильнее ядра (чем больше их период полураспада или время жизни), тем больше их во Вселенной. Распространенность элементов во Вселенной непрерывно меняется.

В теории Георгия Гамова есть и слабое место – не вполне укладывается в нее факт образования ядер углерода  (6 протонов и 6 нейтронов). По другой звездной теории водород – единственный исходный материал во Вселенной. Остальные элементы образуются в недрах звезд и вылетают из них при взрывах. Так образуется и из трех ядер гелия. Далее из атомов образуются молекулы, начиная с температуры ниже некоторой критической. Этот путь длинен, особенно для высокомолекулярных соединений. У последних возникают качественно новые свойства, которых не было у атомов.

Набор нейтральных атомов обладает уже определенным набором физических и химических свойств. На Земле, например, золото составляет всего лишь 5·10^–7% (распространенность) от всего числа атомов, тем не менее, в некоторых рудах его очень много. Это объясняется сегрегацией, поскольку кристаллизуются с «выгодой» энергии лучше всего однородные атомы. Когда атомы теряют или приобретают лишние электроны, они могут образовывать молекулу. Так могут образоваться все молекулы: кислоты, щелочи, соли и так далее.

В биосистемах есть все атомы из таблицы Менделеева. Более сложны по структуре органические соединения. Под органическими соединениями (1-я версия) понимают такие, в которых есть углерод, а под неорганическими – все остальные. Однако CO₂ – неорганическое соединение. По другому определению органическими называют соединения, которые есть в живых организмах. Но это тоже неточно, ибо на Солнце есть, например, углерод в соединении с самим собой, с водородом и азотом – C₂, CH, СN и так далее (смотрите рис.13).

Из неорганических веществ удалось получить мочевину – органическое вещество: CO₂+ NH₃→ мочевина. Ее синтезировал Ф. Вёлер в 1828 г., при этом ему пришлось поддерживать температуру до 150°С и давление в 150 атмосфер.

12.2  От неживого к живому. Редупликация.

В 1953 г. Миллер и его группа смоделировали процессы, происходившие на Земле миллиарды лет назад. В установке использовалось электрическое поле, ультрафиолетовое излучение, вода и другие компоненты. Они сразу же обнаружили 5 аминокислот. Итак, синтез органических соединений возможен сам собой в природе. А ведь из аминокислот образуются белки и нуклеиновые кислоты. Во всех реакциях синтеза реакционная смесь должна носить восстановительный характер (а не окислительный). Все это происходит и в атмосфере Земли, которая сейчас имеет окислительный характер, так как в ней есть O₂, N₂, H₂O, CO₂. Опыт показывает, что в окислительной среде органического синтеза не наблюдается. Поэтому раньше атмосфера Земли (восстановительная) должна была содержать много углерода. Так ли было? Например, атмосфера Юпитера богата соединениями углерода.

В первичном земном океане было много восстановительных реакций, все более усложняющихся, видимо потому, что примерно за 2 млрд. лет в океане Земли природа «подобрала» из множества сочетаний веществ такие, из которых возникли биологические системы. Действительно, оперируя сочетаниями из 29 молекул, можно «описать» сложную структуру основных органических соединений, входящих в клетку - 20 аминокислот (для построения белка и ферментов). Сюда же входит 5 азотистых соединений (аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), урацил (У), тимин (Т), а также рибоза (или ее производная – дизоксирибоза, фосфорная кислота). Из них уже образовываются все нуклеиновые кислоты, рибонуклеиновые (РНК) и дезоксирибонуклеиновые (ДНК) (смотрите рис.14). Входят сюда и глюкоза, жиры, фосфаты. Глюкоза – основной продукт фотосинтеза – главный источник энергообмена. Жиры запасают энергию, фосфатиды могут формировать структуру.

Все 29 аминокислот (наиболее важные из них аланин, лейцин, цистеин, глутаминовая и аспаргиновая кислоты) имеют единый принцип построения. На одном конце молекулы располагается группа COOH. На втором атоме углерода – группа NH₂. Далее цепляется остаток R из одного атома водорода и более сложной циклической структуры из атомов углерода. На рисунке 13 приведена структурная формула аминокислоты. Они могут соединяться в длинные цепи от 100 до 30000 звеньев. Это макромолекулы белков. Их свойства определяются числом аминокислот и чередованием последних в макромолекуле, что обусловливает громадное число белков. Если построить белки длиной в 100 аминокислотных остатков, то за счет перестановок можно получить 10¹³⁰ различных вариантов белка. Это в 10¹² раз превышает число атомов в нашей Вселенной (10¹¹⁸).

Рекомендуемые материалы

Органические основания обладают слабовыраженными основными свойствами. Два типа оснований используются в макромолекулах РНК и ДНК: пиримидины – цитозин (Ц), тимин (Т), урацил (У) и пурины – аденин (А) и гуанин (Г). Основу строения оснований составляют замкнутые кольца, содержащие азот и углерод (смотрите рис.14).

Нуклеиновые кислоты построены из нуклеотидов, содержащих одну молекулу фосфорной кислоты, одну молекулу сахара и одну молекулу органического основания (смотрите рис. 15). Нуклеотиды соединяются между собой в полинуклеотидные соединения на основе рибозы или дезоксирибозы. То есть так различают РНК и ДНК. Цепи нуклеиновых кислот содержат от 77 до 10⁷ нуклеотидов. РНК – носитель информации о структуре белка. Это получается за счет того, что в нем имеет место определенный порядок чередования аминокислот. Однако первичным носителем информации о строении белка является ДНК.

Синтез макромолекул энергозатратен. Эта энергия берется из аденозинтрифосфата (АТФ), в которой связь между второй и третьей фосфатной группой может высвобождать химическую энергию. АТФ – разменная энергетическая единица в мире белковых макромолекул (смотрите рис. 16).

На уровне макромолекул возникает новое качество – редупликация. Благодаря ей материя получила возможность воспроизводить сложные молекулы при благоприятных условиях.

Это обусловлено тем, что органические основания ДНК и РНК (по 4 в каждой из нуклеиновых  кислот) могут связываться между собой только одним способом. При этом каждый раз пурин связывается с пиримидином. Для ДНК и РНК существует свой дополнительный (комплиментарный) набор оснований. Заметим, что для редупликации (рис.17) нужны свободные нуклеотиды, особые ферменты и энергия соединений АТФ.

12.3 Генетика и эволюция, наследственность, информация, размножение.

Естественно новой ступенью в сравнении с редупликацией является размножение живых организмов. Что касается человека и животных, то их организм развивается всего из одной клетки, хотя в его состав входят миллиарды их. В настоящее время уже научились выращивать (клонировать) из единственной клетки весь организм. Так, в Англии совсем недавно клонировали овцу. У медиков и генетиков в связи с этим возникли нравственно-этические проблемы.

Рассмотрим подробнее процесс размножения клеток, в котором из одной клетки (зиготы), образованной слиянием яйцеклетки и сперматозоида, образуются миллиарды их. Яйцеклетка состоит из цитоплазмы, вырабатывающей все необходимое для роста организма, и ядра, обеспечивающего программирование активности и определяющего ее общее направление развития. Ядро состоит из 23 пар хромосом. Каждая из них содержит тысячи генов, ответственных за различные аспекты строения организма: размеры тела, цвет волос, глаз и так далее, в том числе и за продолжительность жизни.

Носителем наследственности с ее генетическим кодом является ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота. Она передает закодированные в себе инструкции в цитоплазму через другую, синтезируемую с ее помощью кислоту РНК – рибонуклеиновую. РНК, выходя из ядра, налаживает работу цитоплазмы и заставляет ее вырабатывать белки в соответствии с планом ДНК. С момента образования зиготы рост организма осуществляется за счет последовательных клеточных делений.

Ядро клетки (зиготы) делится при этом надвое, что приводит к разделению генетического материала между двумя образующимися ядрами, и происходит восстановление в каждом из них 23 пар хромосом. Каждая из дочерних клеток получает только по 23 хромосомы (по одной из каждой пары) и поэтому содержит в себе половину генетической информации, которой располагают мать и отец. Эти клетки половые – гаметы.

Число возможных сочетаний генетического материала в оплодотворенных яйцеклетках огромно. Этим и определяется уникальность каждого появляющегося на свет человека. Хромосомы первых 22 пар одинаковы у обоих полов. У мужчин 23-я пара имеет хромосомы "X "и "Y", а у женщин – "Х" и "Х".

 Бывают аномалии в наследственном аппарате, когда попадается лишняя хромосома из 21-ой пары (трисомия) – монголизм – задержка умственного развития. Иногда бывают аномалии в делении половых хромосом: в зиготе есть только Х-хромосома (а не хватает второй "Х" хромосомы). Это синдром Тернера – наличие женских половых органов при отсутствии яичников.

Иногда 23-я пара зиготы несет только "Y" хромосому и тогда она вообще не жизнеспособна. Бывает, что 23-я пара содержит в себе вместо двух хромосом три (синдром Kleinfeld(a)) – "Х Х Y" –это дает мужские половые органы в сочетании с типично женскими вторичными половыми признаками. В одном случае из тысячи, лишней является "Y" хромосома (XXY) – сверхмужские признаки и умственное недоразвитие.

Передача признаков генами происходит так. Восстановление полного набора хромосом в ядре зиготы приводит к тому, что каждый ген будет здесь представлен двумя экземплярами по одному от отца и от матери. Если ген данного признака доминируем, то этот признак появится «автоматически». Если ген рецессивный, то в присутствии доминантного гена он обречен на безмолвие и способен проявиться, если второй ген той же пары будет рецессивным. Поэтому некоторые наследственные признаки одного из родителей у ребенка могут навсегда остаться в скрытом состоянии и могут проявиться лишь в следующем поколении (голубой цвет глаз).

Рождаются и близнецы. В 16 случаях из 1000 у матерей рождается двойня. Иногда они идентичные. Такие близнецы развиваются из одной яйцеклетки, оплодотворенной одним сперматозоидом. Это однояйцовые близнецы, то есть два существа возникают из одной зиготы, так как после первого клеточного деления каждая из дочерних клеток начинает расти независимо друг от друга. Неидентичные (двухяйцевые) близнецы развиваются из двух разных клеток, освободившихся из яичников одновременно и оплодотворенных двумя различными сперматозоидами. Тогда в стенку матки внедряются и растут рядом два эмбриона с разными генотипами (тогда будут два брата, или две сестры, или брат и сестра).

Итак, ядро клетки содержит 23 хромосомы с тысячами генов. Гаметы (яйцеклетки и сперматозоиды) содержат только 23 (непарных) хромосомы, а полный их набор восстанавливается лишь при оплодотворении яйца (образовании зиготы). Пол зародыша определяется хромосомами 23-ей пары. У женщин они одинаковы, а у мужчин разные. Эти хромосомы имеют одинаковый шанс (50%) попасть в ядро сперматозоидов. То есть вероятность появления мальчика или девочки одинакова. Рецессивный ген в присутствии доминантного (определяющего) бездействует. Хромосомные аномалии ведут к ситуациям, затрагивающим половую дифференцировку (различие).

12.4 Усложнение организации на уровне макромолекул.

Вернемся к рассмотрению того, как развивалась организация множества макромолекул, постепенно эволюционировавшая в клетки. Составляющие белка – органические молекулы (ДНК, РНК, АМФ, АДФ, АТФ) возникли в первичном океане Земли в восстановительной атмосфере. Возникли сами собой (точнее могли возникнуть). Оказалось, что в кометном веществе есть соединения и элементы H, N, C, O, HCN, NH₂, H₂O, CO, CO₂, C₂H₂, CH₄, C₂N₂, примеси Fe, Ni, Ca, Mg и другие.

Условия жизни весьма разнообразны и даже неожиданны. Возможна и кремниевая основа жизни. Например, некоторые африканские растения образуют кислоты с фтором, они ядовиты, но растения к ним приспосабливаются. Есть и организмы, которые могут развиваться в аммиачной атмосфере. Например, живут в хлорной извести при температурах от минус трех до минус 48 градусов по Цельсию в Антарктиде бактерии и водоросли.

Значит, при создании макромолекул исключительную роль могут играть соединения, содержащие C, H, CH₄, Si и так далее. При этом путь от атомов к макромолекулам реализуется непременным усложнением организации материи. При этом, как уже говорилось, появляется редупликация – воспроизведение структур себе подобных. Они образуются спонтанно, они стабильны. Схожие молекулы небиологическим путем образуют скопления – сегрегации. Некоторые молекулы копируются и это было уже около 4 млрд. лет назад. Приобретается свойство мутации, появляется естественный отбор.

Основной закон открытых систем (биосистем) – уменьшение энтропии, то есть рост организации молекул. До академика Опарина считалось, что жизнь либо самозародилась, либо существует вечно. Он же в своей книге «Происхождение жизни», приводя цепочку рассуждений о её эволюции, показал как она могла зародиться. Его центральная идея – обособление частей от целого для дальнейшего совершенствования (как и в галактиках, из которых точно так же образовались звезды).

В «бульоне» океана молекулы редуплицировали, воспроизводя свою структуру. Для воспроизведения нужны аминокислотные остатки и органические основания. Обособление шло либо объединением больших макромолекул одного вида с созданием пленок (при этом пленка-мембрана может случайно свернуться, замкнув группы молекул в себе). Из этого замкнутого пространства одни молекулы уходили через мембрану (пленку), другие оставались как материал для редупликации.

По Опарину возможна и другая реализация обособления группы макромолекул от среды с образованием коацерватов. Это состояние характерно для молекул водопоглащающих и при этом вокруг них образуется слой молекул H₂O, но уже не свободных, а связанных. Так образуются комплексы с водной оболочкой. Эти коацерваты – праотцы клеток (шарики из белковых пленок).

Началась их специализация («разделение труда») части клеток - это органеллы. В клетке рибосомы производят белок, митохондрии – дают энергообеспечение, хромосомы отвечают за наследственные признаки и структуру белка, вакуоли поддерживают тонус клетки и выводят из нее отходы, хлоропласты за счет фотосинтеза дают энергию, эндоплазмическая сеть – структурирование в клетке и транспортную сеть, диктиосомы синтезируют материал клеточной мембраны.

Укажем наиболее важные свойства этих клеток.

Рибосомы (диаметр примерно 150^.10^–10 м) могут образовывать цепи (полирибосомы), РНК содержатся в рибосоме, молярный вес РНК с рибосомным белком равен 6^.10 ⁶ кг/киломоль.

Митохондрии – нитевидные зернышки (пункты клеточного дыхания).

Хромосомы – носители сведений о структуре белка в клетке, они состоят из ДНК (участвуют в делении клеток). Вакуоли содержат воду и выбрасывают ее из клеток (лишнюю).

В хлоропластах находится хлорофилл, поглощающий энергию Солнца. Они из CO₂ и воды, и света образуют глюкозу.

По прямым каналам эндоплазменной цепи проходят молекулы, «стройматериал» клетки.

Диктиосомы синтезируют различные вещества.

На основе организации у клетки возникает функция, дающая способ ее воспроизведения путем деления. Заметим, что причины клеточного деления до конца не выяснены. Что, например, дает сигнал к делению? Процесс деления зато известен более детально. Обычно клетки делятся за 1,5 – 2 часа. Все неясности здесь относятся к редупликации молекул.

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - 17 Культура поведения дошкольников.

Существует и другой способ – бесполовое размножение делением – митоз (у низших организмов). Сейчас считают, что редупликация предшествует возникновению клеток, а клетки поставили себе это свойство на пользу.

12.5 Усложнение организации материи от клетки до организма.

Итак, мировой океан наполнился клетками и простейшими организмами. Их полупроницаемые мембраны в клетки пропускают аминокислоты и основания. Все это перерабатывается в белки, число клеток растет. Наконец исходного материала стало не хватать. Тогда они «ждут», когда появится питательное вещество. Простейшим организмам приходится усваивать более простые вещества из среды, стала возрастать роль фотосинтеза. Появились колонии клеток, они объединяются. Начала возникать специализация клеток. Это длительный процесс.

Постепенно они прошли путь от свободных подвижных соединений к организму, где колонии клеток становятся органами, способными существовать самостоятельно. Система их объединилась в единое целое. Таких систем по типу было множество. Все они по-разному функционировали и питались.

Настала пора создавать организмам себе подобных (размножением). По-видимому, информация обо всем организме «дремлет» в каждой клетке до поры до времени (голографическая идея). Действительно, из клетки эпителия кишечника лягушки удалось вырастить целую лягушку. При этом информация ядра клетки разворачивается.

Сейчас научились клонировать организмы животных всего лишь из одной клетки. Поэтому есть надежда воспроизвести мамонта, найденного недавно на Таймыре в слое вечной мерзлоты. Клетки штампуют идентичных близнецов. При размножении появляются наследственные признаки. Различные сочетания наследственных качеств у потомков приводят к разнообразию возможностей приспособОшибка! Элементы указателя не найдены.ления организма в среде. Существует всего пять хромосом, создающих наследственные признаки – это материал ДНК.