Екатерина Захарова - Биология. Общая биология. Профильный уровень. 10 класс

Часто при работе с такими искусственными самоизолирующимися из раствора системами особое внимание обращается на их внешнее морфологическое сходство с живыми объектами. Но не в этом лежит решение вопроса, а в том, чтобы система могла взаимодействовать с внешней средой, используя ее вещества и энергию по типу открытых систем, и на этой основе расти и множиться, что характерно для всех живых существ.

Наиболее перспективными в этом отношении моделями могут служить коацерватные капли.

Каждая молекула имеет определенную структурную организацию, т. е. атомы, входящие в ее состав, закономерно расположены в пространстве. Вследствие этого в молекуле образуются полюсы с различными зарядами. Например, молекула воды Н 2О образует диполь, в котором одна часть молекулы несет положительный заряд (+), а другая – отрицательный (-). Кроме этого, некоторые молекулы (например, соли) в водной среде диссоциируют на ионы. В силу таких особенностей химической организации молекул вокруг них в воде образуются водные «рубашки» из определенным образом ориентированных молекул воды. На примере молекулы NaCl можно заметить, что диполи воды, окружающие ион Na +, обращены к нему отрицательными полюсами (рис. 2.6), а к иону Сl −– положительными.

Рис. 2.6. Гидратированный катион натрия

Рис. 2.7. Сборка коацерватов

Органические молекулы имеют большую молекулярную массу и сложную пространственную конфигурацию, поэтому они тоже окружены водной оболочкой, толщина которой зависит от величины заряда молекулы, концентрации солей в растворе, температуры и др.

При определенных условиях водная оболочка приобретает четкие границы и отделяет молекулу от окружающего раствора. Молекулы, окруженные водной оболочкой, могут объединяться, образуя многомолекулярные комплексы – коацерваты(рис. 2.7).

Коацерватные капли возникают также при простом смешивании разнообразных полимеров как естественных, так и искусственно полученных. При этом происходит самосборка полимерных молекул в многомолекулярные фазово-обособленные образования – видимые под оптическим микроскопом капли (рис. 2.8). В них сосредоточивается большинство полимерных молекул, тогда как окружающая среда оказывается почти полностью их лишена.

Капли отделены от окружающей среды резкой границей раздела, но они способны поглощать извне вещества по типу открытых систем.

Рис. 2.8. Коацерватные капли, полученные в эксперименте

Путем включения в коацерватные капли различных катализаторов (в том числе и ферментов) можно вызывать ряд реакций, в частности полимеризацию поступающих из внешней среды мономеров. За счет этого капли могут увеличиваться в объеме и весе, а затем дробиться на дочерние образования.

Например, процессы, протекающие в коацерватной капле, изображены в квадратных скобках, а вне их помещены вещества, находящиеся во внешней среде:

глюкозо-1-фосфат → [глюкозо-1-фосфат → крахмал → мальтоза] → мальтоза

Коацерватную каплю, образованную из белка и гуммиарабика, погружают в раствор глюкозо-1-фосфата. Глюкозо-1-фосфат начинает входить в каплю и полимеризуется в ней в крахмал при действии катализатора – фосфорилазы. За счет образовавшегося крахмала капля растет, что легко может быть установлено как химическим анализом, так и непосредственными микроскопическими измерениями. Если в каплю включить другой катализатор – b-амилазу, крахмал распадается до мальтозы, которая выделяется во внешнюю среду.

Таким образом, возникает простейший метаболизм.Вещество входит в каплю, полимеризуется, обусловливая ростсистемы, а при его распаде продукты этого распада выходят во внешнюю среду, где их ранее не было.

Другая схема иллюстрирует опыт, где полимером является полинуклеотид. Капля, состоящая из белка-гистона и гуммиарабика, окружена раствором АДФ.

Поступая в каплю, АДФ полимеризуется под влиянием полимеразы в полиадениловую кислоту, за счет которой капля растет, а неорганический фосфор поступает во внешнюю среду.

АДФ → [АДФ → Поли-А + Ф] → Ф

При этом капля в течение короткого срока увеличивается в объеме более чем в два раза.

Как в случае синтеза крахмала, так и при образовании полиадениловой кислоты в качестве исходных веществ в окружающий раствор вносили богатые энергией (макроэргические) соединения. За счет энергии этих соединений, поступающих из внешней среды, и происходил синтез полимеров и рост коацерватных капель. В другой серии опытов академика А. И. Опарина и сотрудников было продемонстрировано, что и в самих коацерватных каплях могут протекать реакции, связанные с рассеиванием энергии.

Важно то, что в зависимости от совершенства внутренней организации капель одни из них могут расти быстро, тогда как другие, находясь в той же внешней среде, замедленны в своем росте или подвергаются распаду. Таким образом, на модели коацерватных капель А. И. Опарину и его сотрудникам удалось экспериментально продемонстрировать зачатки естественного отбора, той закономерности, которая в дальнейшем легла в основу всей последующей эволюции такого рода открытых, фазово-обособленных систем на пути к возникновению жизни.

Summary

Due to the appearance of numerous organic molecules and to the presence of condenced water on the Earth, further evolution of substance towards formation of prebiological, and later biological systems became possible. Increased concentration of organic molecules in the waters of «primary ocean» should be considered as the most important stage, which enabled the appearance of protobionts. Theoretical and empirical models of these processes were suggested by many scientists. Thus, owing to the studies of S. Fox, an English biologist, of Russian academician A. I. Oparin, and many other specialists, it turned possible to get an idea about the processes that enabled concentration of substances in the waters of the ancient Earth.

Опорные точки

1. Органические вещества по отношению к воде подразделяются на две крупные группы: гидрофобные и гидрофильные.

2. В водных растворах гидрофильные молекулы диссоциируют, образуя заряженные частицы.

3. Крупные органические молекулы, обладающие зарядом, либо связываются с субстратом, либо взаимодействуют друг с другом, в результате чего формируются коацерваты.

Вопросы для повторения и задания

1. Что такое коацервация, коацерват?

2. На каких модельных системах можно продемонстрировать образование коацерватных капель в растворе?