"Биология (углублённый уровень)", Бородин П.М., Саблина О.В. и др./Под ред. Шумного В.К., Дымшица Г.М.
Живые системы построены из органических молекул: небольшие мономеры соединяются в крупные полимеры — белки и нуклеиновые кислоты. До появления клеток такие вещества должны были возникнуть без участия организмов, а затем объединиться в более сложные структуры. Возможность абиогенного синтеза проверяли в лабораторных опытах, в том числе в опыте Миллера и Юри. Он показал, что некоторые органические соединения могут образовываться в модельных условиях, но сам по себе не объясняет появление жизни.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Биологический мономер — небольшая органическая молекула, из которой могут образовываться более крупные молекулы. Его удобно представлять как строительный блок: отдельное звено может соединяться с другими звеньями. Например, аминокислоты служат мономерами белков. Свойства будущей крупной молекулы зависят от того, какие мономеры и в каком порядке соединены.
Биологический полимер — крупная молекула, состоящая из повторяющихся или связанных между собой мономеров. Полимер может быть длинной цепью, а его звенья могут располагаться в определённой последовательности. Белки образуются из аминокислот, а нуклеиновые кислоты — из нуклеотидов. Это различие важно: полимер не просто скопление одинаковых частиц, а связанная структура с определённым составом.
Абиогенный синтез — образование органических веществ из более простых веществ без участия живых организмов. Так, органические молекулы могли возникать в окружающей среде под действием энергии, а не внутри клетки. В клетке синтезом управляют ферменты и другие клеточные структуры. Поэтому абиогенный синтез объясняет возможное происхождение исходных веществ, но не равен клеточному обмену веществ.
Конденсация — соединение молекул с образованием химической связи и выделением небольшой молекулы, часто воды. Такая реакция позволяет связывать мономеры в более крупные структуры. При этом речь идёт не о простом смешивании веществ: между ними возникает прочная химическая связь. Конденсация — один из способов образования биологических полимеров.
Чтобы возникли первые живые системы, должны были появиться органические молекулы, из которых можно строить более сложные структуры. Одних неорганических веществ для этого недостаточно: живым системам нужны, например, аминокислоты и нуклеотиды как исходные звенья биологических полимеров. На ранней Земле органические вещества могли формироваться без организмов, если простые соединения получали достаточно энергии для химических реакций. Возможными источниками энергии считают электрические разряды, ультрафиолетовое излучение и тепло, связанное с геологической активностью.
В опыте Миллера и Юри проверяли, могут ли органические вещества образовываться абиогенно в условиях, моделирующих некоторые представления о ранней Земле. В установке находилась смесь простых веществ, включая водяной пар и газы, а электрические разряды имитировали молнии. После проведения опыта исследователи обнаружили органические соединения, в том числе аминокислоты. Это показало возможность образования некоторых органических веществ из простых исходных соединений, но не доказало ни точного состава атмосферы древней Земли, ни возникновения жизни в такой установке.
Появление мономеров ещё не создаёт полимер: отдельные молекулы должны сблизиться и вступить в реакцию. При образовании новой связи между ними может происходить конденсация — выделяется небольшая молекула, часто вода, а мономеры становятся частями одной цепи. Минеральные поверхности могли помогать этому процессу: на них молекулы способны концентрироваться и располагаться ближе друг к другу. Это могло облегчать реакции, хотя само по себе присутствие минералов не гарантирует появления полимеров.
Белки и нуклеиновые кислоты строятся из разных мономеров и выполняют разные функции. Аминокислоты соединяются в белковые цепи, а нуклеотиды — в цепи нуклеиновых кислот; порядок звеньев влияет на свойства получившейся молекулы. Для возникновения живой системы недостаточно просто получить отдельные мономеры или даже полимеры. Необходимы их согласованная организация и взаимодействие, позволяющие поддерживать процессы, характерные для жизни.
Предбиологическую эволюцию следует представлять как последовательность разных химических этапов. Сначала могли возникнуть органические мономеры из более простых веществ, затем часть мономеров могла объединиться в полимеры. Эти события связаны, потому что полимеры строятся из мономеров, но одно не следует автоматически из другого. Обнаружение органического вещества подтверждает возможность конкретной реакции, а не завершение всего пути к жизни.
Таблица помогает сравнить этапы: проследите, какие вещества участвуют, что получается и за счёт чего возможна реакция. Особенно важно не смешивать появление мономеров с их дальнейшим объединением. Условия и механизмы в таблице описывают возможные процессы, а не доказывают единственный путь происхождения жизни.
| Этап или процесс | Исходные вещества | Что образуется | Условия или механизм | Пример |
|---|---|---|---|---|
| Абиогенный синтез мономеров | Простые неорганические вещества и соединения | Органические молекулы-мономеры | Реакции без участия организмов; необходим источник энергии | Образование аминокислот в опыте Миллера и Юри |
| Объединение мономеров в полимеры | Мономеры одного или соответствующего типа | Цепи биологических полимеров | Сближение молекул и образование связей; возможна помощь поверхностей | Образование цепи аминокислот |
| Конденсация и образование химической связи | Молекулы, между которыми возникает связь | Соединённые молекулы и небольшая молекула-продукт | При конденсации часто выделяется вода | Соединение мономеров в цепь |
| Роль источников энергии и минеральных поверхностей | Простые вещества или мономеры на поверхности | Продукты химических реакций, иногда полимеры | Энергия запускает реакции; поверхность может концентрировать молекулы | Электрический разряд в модели ранней Земли |
Задача 1. Назовите, чем мономер отличается от полимера, и приведите по одному примеру каждого. Нужно определить, описана отдельная молекула или структура из связанных звеньев. Затем следует соотнести примеры с их ролью в биологических молекулах. Не стоит выбирать два вещества только потому, что оба являются органическими.
Ответ: мономер — отдельное звено, например аминокислота; полимер — цепь связанных звеньев, например белок.
Задача 2. В опыте моделируют условия ранней Земли и получают органические вещества из смеси простых соединений. Какой процесс проверяется и какой вывод допустим? Сначала определите, участвовали ли в образовании веществ живые организмы. Затем отделите результат химического опыта от утверждения о происхождении жизни в целом.
Ответ: проверяется абиогенный синтез. Допустимый вывод — некоторые органические вещества могут образоваться без участия организмов; опыт не доказывает, что возникла жизнь или что именно так она появилась на Земле.
Задача 3. Изобразите словами образование полимера из нескольких мономеров и укажите, что происходит при формировании каждой новой связи. Важно описать не только итоговую цепь, но и события при добавлении каждого звена. Так можно отличить химическое соединение от простого соседства молекул.
Ответ: мономеры последовательно соединяются связями в цепь; при каждой реакции конденсации выделяется небольшая молекула. Конкретный состав звеньев и последовательность зависят от типа полимера.
Считать, что абиогенное образование мономеров равнозначно появлению жизни, — ошибка: отдельные органические молекулы ещё не образуют живую систему. Её допускают, потому что слово «органический» связывают только с живыми организмами. Проверьте себя вопросом: есть ли здесь организованная система, а не только набор веществ? Если описаны лишь мономеры, о возникновении жизни говорить нельзя.
Называть опыт Миллера и Юри доказательством того, что жизнь возникла именно этим способом, тоже неверно. Опыт проверял возможность образования некоторых органических веществ в модельных условиях, а не воспроизводил весь путь к живому организму. Ошибка возникает, когда результат одного этапа принимают за объяснение всех последующих. Для самопроверки сформулируйте вывод узко: получены органические соединения, но происхождение жизни не доказано.
Путать полимеризацию с конденсацией — значит не замечать, что эти понятия описывают разные стороны процесса. Объединение мономеров в полимер указывает на результат, а конденсация — на реакцию, при которой вместе со связью выделяется небольшая молекула, часто вода. Их смешивают, потому что оба термина связаны с соединением звеньев. Проверяя описание реакции, ищите указание на выделяемый продукт.
Предполагать, что все биологические полимеры состоят из одинаковых мономеров, нельзя: состав зависит от типа молекулы. Белки строятся из аминокислот, а нуклеиновые кислоты — из нуклеотидов; важна также последовательность звеньев. Ошибка появляется, когда свойства одного класса молекул переносят на все остальные. Проверьте себя: сначала назовите полимер, а затем его мономеры.
Для понимания темы нужно знать, чем органические соединения отличаются от неорганических и какие элементы входят в состав биомолекул. Также пригодятся знания о строении белков и нуклеиновых кислот: последовательность мономеров влияет на свойства полимера. Эти представления помогают перейти от химического описания отдельных молекул к гипотезам происхождения жизни. Дальнейшее изучение предбиологической эволюции показывает, какие процессы могли следовать за образованием мономеров и полимеров.
Чем мономер отличается от полимера?
Мономер — отдельная небольшая молекула, способная служить звеном более крупной структуры. Полимер состоит из множества связанных мономеров, например белок — из аминокислот.
Что означает абиогенное образование органических веществ?
Это образование органических веществ из более простых, в том числе неорганических, соединений без участия живых организмов. Реакции при этом могут идти под действием источников энергии и на поверхностях минералов.
Что именно показал опыт Миллера и Юри?
В установке, моделировавшей некоторые условия ранней Земли, из смеси простых веществ под действием электрических разрядов образовались органические соединения, включая аминокислоты. Опыт подтвердил возможность абиогенного синтеза некоторых веществ, но не показал, что таким образом возникла жизнь.
Почему при соединении мономеров может выделяться вода?
При конденсации части атомов или групп атомов от соединяющихся молекул образуют воду. Одновременно между мономерами возникает химическая связь, которая удерживает их в составе более крупной молекулы.
Можно ли считать образование полимеров доказательством появления жизни?
Нет. Полимеры — важные компоненты живых систем, но сами по себе они не обеспечивают все свойства жизни. Нужны также упорядоченная организация, обмен веществ, способность поддерживать себя и передавать наследственную информацию.
§ 23. Образование биологических мономеров и полимеров
