§ 48. Походження і розвиток життя на планеті. Сучасні погляди на первинні етапи еволюції життя. РНК-світ. Еволюція прокаріотів

• До змісту відповідей

ПОМІРКУЙТЕ Й ОБГОВОРІТЬ СИТУАЦІЮ

Людей завжди цікавило питання походження життя на нашій планеті. Існує багато різних поглядів, пояснень, гіпотез і теорій, у яких людство намагається зрозуміти й пояснити цю таємницю. Чому це питання залишається актуальним протягом тисячоліть, якщо начебто воно не має безпосереднього практичного значення в нашому щоденному житті?

Це питання формує науковий світогляд і визначає наше розуміння місця людини в біосфері. Крім того, вивчення первинних біохімічних процесів допомагає сучасній молекулярній біології та медицині створювати штучні молекули, розробляти нові ліки й цілеспрямовано шукати життя на інших планетах.

РОБОТА В ПАРІ

Грецьке слово «αρχαία» перекладається, як «старі». Архейська ера, або Архей, є найбільш старою, тобто давньою, ерою, у якій починалося життя на Землі. Давньогрецьке слово «πρότερος» перекладається, як «перший», тобто Протерозой є першою ерою первинного життя. Поясніть, що означають назви таких наступних ер геохронологічної шкали: Палеозой, Мезозой і Кайнозой.

⚠️

Назви ер утворені поєднанням давньогрецьких коренів зі словом «зое» (життя):

1. Палеозой — від «палеос» (давній), що означає еру давнього життя.
2. Мезозой — від «мезос» (середній), що означає еру середнього життя.
3. Кайнозой — від «кайнос» (новий), що означає еру нового, сучасного життя.

ВІДКРИТИЙ МІКРОФОН

Поясніть, чому більшість учених схиляється до гіпотези абіогенезу як найбільш правдоподібної, хоча процес перетворення простих органічних молекул на перші живі організми залишається складним і досі відкритим питанням науки.

Ця гіпотеза спирається на закони хімії й фізики та перевіряється реальними лабораторними експериментами. Досліди довели можливість синтезу амінокислот, нуклеотидів і ліпідів з неорганічних речовин в умовах первинної Землі, що вказує на закономірний природний шлях появи життя без залучення надприродних сил.

ІНДИВІДУАЛЬНА РОБОТА

Чи підтверджує хімічний склад рибосоми гіпотезу РНК-світу?

Так, підтверджує, тому що каталітичний центр рибосоми складається саме з молекул рибосомної РНК, а не білків. Молекули рРНК працюють як рибозими й самостійно зшивають амінокислоти в ланцюг, доводячи давню здатність РНК виконувати ферментативні функції.

Користуючись цим малюнком і додатковою інформацією, поясніть, чим відрізняються рибосоми прокаріотів та евкаріотів і що в них є спільного.

Чому 60s + 40s = 80s, а 50s + 30s = 70s?

Одиниці седиментації не підсумовуються арифметично, тому що швидкість осідання залежить не лише від маси частинки, а й від її форми та площі поверхні. При об’єднанні двох субодиниць утворюється єдина компактна структура, площа контакту якої з рідиною зменшується, що змінює гідродинамічний опір під час центрифугування.

Дізнайтеся, що таке одиниця седиментації Сведберга — s.

⚠️

Одиниця Сведберга (S) — це позасистемна одиниця швидкості осідання (седиментації) макромолекул або клітинних частинок у потужному центробіжному полі ультрацентрифуги, що дорівнює $10^{-13}$ секунди. Вона кількісно показує, наскільки швидко структура переміщується в розчині під дією прискорення залежно від своєї маси, форми та густини.

РОБОТА В ГРУПІ

Знайдіть додаткову інформацію й проведіть обговорення гіпотез про походження життя на планеті. З’ясуйте, які аргументи наводять автори / авторки цих гіпотез задля доведення власної думки. Оцініть ці аргументи.

1. Прихильники гіпотези абіогенезу наводять експеримент Стенлі Міллера та Гарольда Юрі, у якому з метану, амоніаку й води отримали амінокислоти. Ці аргументи є найнадійнішими, адже вони багаторазово підтверджені на практиці хімічними синтезами.
2. Автори гіпотези панспермії вказують на знахідки простих органічних молекул у метеоритах і здатність спор бактерій витримувати жорстке випромінювання та космічний вакуум. Аргументи доводять можливість перенесення біомолекул через космос, але сама гіпотеза не пояснює первинного механізму виникнення життя.
3. Гіпотеза стаціонарного стану стверджує, що життя існувало у Всесвіті вічно. Цей погляд повністю спростовується астрономічними доказами скінченного віку Всесвіту та палеонтологічним літописом поступової появи живих організмів на Землі.

Оберіть гіпотези, які, на вашу думку, є досить аргументованими та для вас привабливими.

Найбільш переконливими є гіпотеза абіогенезу та концепція РНК-світу. Вони спираються на реальні біохімічні процеси, підтверджені каталітичні властивості рибозимів та закони самоорганізації неживої матерії в живі структури.

Поясніть, чим гіпотеза відрізняється від теорії.

Гіпотеза — це наукове припущення або здогадка, яка висувається для пояснення фактів і потребує експериментальної перевірки. Теорія — це вищий рівень наукового знання, тобто цілісна, багаторазово підтверджена практикою і фактами система, яка надійно описує та доводить закони природи.

ПОДІЛІТЬСЯ СВОЇМИ ДУМКАМИ

У рибосомі є каталітичний центр, який забезпечує формування пептидного зв’язку між амінокислотами, рРНК в ньому має каталітичну активність. Яке значення цієї наукової інформації для розвитку гіпотези РНК-світу?

Це прямий доказ того, що молекули РНК можуть діяти як повноцінні ферменти (рибозими) і каталізувати створення білкових ланцюгів без участі білків-каталізаторів. Відкриття підтверджує ключову ідею гіпотези: на перших етапах зародження життя саме РНК поєднувала в собі функції збереження спадкової інформації та здійснення хімічних реакцій.

ВІДКРИТИЙ МІКРОФОН

Які наслідки мала так звана «киснева катастрофа»? Чи були вони лише негативними? Аргументуйте.

Накопичення вільного кисню ціанобактеріями спричинило масове вимирання давніх анаеробних прокаріотів, для яких ця речовина була сильною отрутою, тому вцілілі форми мусили сховатися в мулі та ґрунті. Проте ці зміни не були лише негативними, адже поява кисню дозволила виникнути енергетично набагато вигіднішому аеробному диханню, сформувала захисний озоновий шар в атмосфері та відкрила шлях до появи складних евкаріотів.

ЗАПИТАННЯ І ЗАВДАННЯ

1. Які можливості дає вченим геохронологічна шкала? Чому нею користуються представники багатьох різних наук?

Геохронологічна шкала дозволяє датувати вік гірських порід і відтворювати чітку послідовність етапів геологічної історії та еволюції життя. Нею користуються вчені різних галузей (геологи, палеонтологи, еволюційні біологи, геохіміки), тому що розвиток земної кори, зміни клімату та поява нових форм організмів завжди відбувалися в тісному взаємозв’язку.

2. Назвіть особливості основних етапів еволюції прокаріотів. Чому вона зайняла так багато часу?

Перші прокаріоти були анаеробними хемотрофами, далі виникли гетеротрофи з процесом гліколізу, після чого бактерії освоїли аноксигенний, а згодом і оксигенний фотосинтез (ціанобактерії). Цей процес розтягнувся на мільярди років, оскільки фундаментальні біохімічні механізми клітини та ферментні комплекси створювалися з нуля шляхом тривалого добору в умовах постійних геологічних і хімічних перебудов планети.

3. Чому РНК-світ сьогодні існує лише теоретично?

Цей період завершився мільярди років тому і не залишив твердих скам’янілостей, а вільні ланцюги РНК дуже нестабільні та швидко руйнуються в нинішньому середовищі. До того ж у процесі подальшої еволюції білки виявилися значно ефективнішими ферментами, а подвійна спіраль ДНК стала надійнішим носієм генетичного коду, тому РНК перейшла на роль посередника між ними.