ПРОТОБИОНТЫ: ПРОИСХОЖДЕНИЕ И СВОЙСТВА - БИОЛОГИЯ - 2025

В протобионтов биологические комплексы по для некоторых гипотез о происхождении жизни, предшествовали клетки. По словам Опарина, это молекулярные агрегаты, окруженные полупроницаемой липидной мембраной или подобной ей структурой.

Эти биотические молекулярные агрегаты были способны обеспечить простое воспроизводство и метаболизм, позволяющий поддерживать химический состав внутренней части мембраны, отличной от ее внешней среды.

Источник: pixabay.com

Некоторые эксперименты, проведенные в лаборатории разными исследователями, показали, что протобионты могут образовываться спонтанно, используя в качестве строительных блоков органические соединения, созданные из абиотических молекул.

Примеры этих экспериментов - образование липосом, которые представляют собой скопления маленьких капель, окруженных мембранами. Они могут образовываться при добавлении липидов в воду. Это также происходит, когда добавляются другие типы органических молекул.

Может случиться так, что липосомоподобные капли образовывались в прудах пребиотических времен, и они случайным образом включали некоторые полимеры аминокислот.

В случае, если полимеры сделали определенные органические молекулы проницаемыми для мембраны, можно было бы избирательно включать указанные молекулы.

Свойства и характеристики

Предполагаемые протобионты могли быть сформированы из гидрофобных молекул, которые были организованы в виде бислоя (двух слоев) на поверхности капли, напоминающего липидные мембраны, присутствующие в современных клетках.

Мариана Руис Вильярреал, LadyofHats, Wikimedia Commons

Полупроницаемые мембраны

Поскольку структура избирательно проницаема, липосомы могут набухать или сдуваться в зависимости от концентрации растворенных веществ в среде.

То есть, если липосома подвергается воздействию гипотонической среды (концентрация внутри клетки выше), вода проникает в структуру, раздувая липосому. Напротив, если среда гипертоническая (концентрация клеток ниже), вода движется во внешнюю среду.

Это свойство присуще не только липосомам, оно также может применяться к реальным клеткам организма. Например, если красные кровяные тельца подвергаются воздействию гипотонической среды, они могут взорваться.

Возбудимость

Липосомы могут накапливать энергию в виде мембранного потенциала, который представляет собой напряжение на поверхности. Эта структура может разряжать напряжение способом, напоминающим процесс, происходящий в нейронных клетках нервной системы.

Липосомы обладают несколькими характеристиками живых организмов. Однако это не то же самое, что утверждать, что липосомы живы.

происхождения

Существует множество гипотез, которые пытаются объяснить происхождение и эволюцию жизни в пребиотической среде. Наиболее выдающиеся постулаты, обсуждающие происхождение протобионтов, будут описаны ниже:

Гипотеза Опарина и Холдейна

Гипотеза биохимической эволюции была предложена Александром Опариным в 1924 году и Джоном Д.С. Холдейном в 1928 году.

Этот постулат предполагает, что пребиотической атмосфере не хватало кислорода, но она сильно восстанавливалась с большим количеством водорода, что привело к образованию органических соединений благодаря наличию источников энергии.

Согласно этой гипотезе, когда Земля остывала, пар от извержений вулканов конденсировался, выпадая в виде сильных и постоянных дождей. Когда вода падала, она содержала минеральные соли и другие соединения, давая начало знаменитому первобытному супу или питательному бульону.

В этой гипотетической среде могут образовываться большие молекулярные комплексы, называемые пребиотическими соединениями, что приводит к возникновению все более сложных клеточных систем. Опарин назвал эти структуры протобионтами.

По мере того, как протобионты усложнялись, они приобретали новые способности передавать генетическую информацию, и Опарин дал этим более продвинутым формам название эубионты.

Миллер и Юри эксперимент

В 1953 году, после постулатов Опарина, исследователи Стэнли Л. Миллер и Гарольд К. Юри провели серию экспериментов, чтобы проверить образование органических соединений, исходя из простых неорганических материалов.

Миллеру и Юри удалось создать экспериментальный план, который моделировал пребиотическую среду с условиями, предложенными Опарином, в небольшом масштабе, сумев получить ряд соединений, таких как аминокислоты, жирные кислоты, муравьиная кислота, мочевина и другие.

Генетический материал протобионтов

Мир РНК

Согласно гипотезам современных молекулярных биологов, протобионты несли молекулы РНК, а не молекулы ДНК, что позволяло им воспроизводить и хранить информацию.

Помимо того, что РНК играет фундаментальную роль в синтезе белка, она также может действовать как фермент и выполнять реакции катализа. Благодаря этой характеристике РНК является указанным кандидатом на роль первого генетического материала у протобионтов.

Молекулы РНК, способные к катализу, называются рибозимами, и они могут копировать с комплементарными последовательностями короткие отрезки РНК и опосредовать процесс сплайсинга, устраняя отрезки последовательности.

Протобионт, внутри которого была молекула каталитической РНК, отличался от своих гомологов, в которых эта молекула отсутствовала.

Если бы протобионт мог расти, делиться и передавать РНК своему потомству, к этой системе можно применить процессы дарвиновского естественного отбора, и протобионты с молекулами РНК увеличили бы свою частоту в популяции.

Хотя появление этого протобионта может быть очень маловероятным, необходимо помнить, что миллионы протобионтов могли существовать в водоемах ранней Земли.

Внешний вид ДНК

ДНК - гораздо более стабильная двухцепочечная молекула по сравнению с молекулой РНК, которая хрупка и неточно реплицируется. Это свойство точности с точки зрения репликации стало еще более необходимым, поскольку геномы протобионтов увеличились в размерах.

Исследователь из Принстонского университета Фриман Дайсон предполагает, что молекулы ДНК могли быть короткими структурами, репликации которых способствовали полимеры случайных аминокислот с каталитическими свойствами.

Эта ранняя репликация могла происходить внутри протобионтов, которые хранили большие количества органических мономеров.

После появления молекулы ДНК РНК могла начать играть свою нынешнюю роль в качестве посредников для трансляции, создавая таким образом «мир ДНК».

Ссылки

1. Альтштейн, AD (2015). Гипотеза прогена: мир нуклеопротеидов и как зародилась жизнь. Биология Директ, 10, 67.
2. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Биология: жизнь на Земле. Образование Пирсона.
3. Кэмпбелл, А. Н., и Рис, Дж. Б. (2005). Биология. От редакции Médica Panamericana.
4. Гама, М. (2007). Биология 1: конструктивистский подход. Pearson Education.
5. Шрам, Дж. П., Чжу, Т. Ф., & Шостак, Дж. В. (2010). Истоки клеточной жизни. Биологические перспективы Колд-Спринг-Харбор, a002212.
6. Стано П. и Мавелли Ф. (2015). Модели протоклеток в происхождении жизни и синтетической биологии. Жизнь, 5 (4), 1700–1702.