Первичные доклеточные формы жизни возникли на основе РНК

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 6Следующая ⇒

Результаты новой работы позволяют предположить, что способность к самовоспроизводству первоначально могла проявиться в форме реактора РНК, который, как продемонстрировали исследователи, может передавать информацию.

Никто пока не знает точного ответа на вопрос «Как зародилась жизнь? », однако большая часть ученых согласны с тем, что появление живых клеток не произошло внезапно в одну стадию из неживых систем. Скорее всего, существовала серия доклеточных форм жизни, образовавшихся из неживой материи, а уже эти доклеточные формы жизни в конечном итоге эволюционировали в живые клетки, способные к обмену веществ и воспроизводству.

Одной из наиболее распространенных гипотез, касающихся доклеточной жизни, является гипотеза «мира РНК», в рамках которой считается, что современным живым системам, в которых обмен веществ управляется белками, а перенос и хранение генетической информации реализуется за счет РНК и ДНК, предшествовали системы, в которых все без исключения биологические функции выполняли молекулы РНК. Тем не менее, для уточнения гипотезы «мира РНК» необходимо ответить на вопрос: «А что могло являться предшественником РНК? »

Наиболее значимым аргументом в пользу того, что первичные доклеточные формы жизни могли формироваться на основе молекул РНК является то, что РНК может выполнять функцию как генов (хранение информации), так и ферментов (катализировать химические реакции). Молекулы РНК представляют собой полинуклеотиды (как и ДНК), однако ученые не знают, каким образом молекула РНК, способная к самовоспроизведению, могла образоваться в первичном бульоне, содержавшем случайный набор нуклеотидов.

С помощью компьютерного моделирования исследователи проанализировали сценарий появления гидротермического РНК-реактора, имеющего способность осуществлять межмолекулярную передачу информации. Этот процесс начинается внутри пористых скальных пород на дне моря, где значительные температурные градиенты обеспечивают процесс термической конвекции, и конвекционные потоки переносят молекулы в узкие поры породы. Благодаря влиянию температурного градиента нуклеотиды в порах аккумулируются в узком пространстве и случайно образуют связи друг с другом. Благодаря изменению конформации и гибридизации образующиеся полинуклеотиды могут образовывать более длинные последовательности, в итоге давая нити РНК.

Одним из ключевых факторов, обуславливающих образование нитей РНК, является предпочтительное расщепление связей у нуклеотидов с неспаренными основаниями. Этот эффект приводит к тому, что спаривание азотистых оснований становится более благоприятным, что приводит к увеличению сложности и времени жизни структур РНК. Исследователи полагают, что некоторые из таких сложных молекул РНК могли сформироваться как примитивный рибозим (каталитически активная молекула РНК), который уже мог катализировать химические реакции в качестве полноценного компонента РНК-репликатора.

26Самоорганизация в живой и неживой природе

Самоорганизация — это процесс эволюции от беспорядка к порядку. Естественно энтропия системы, в которой происходит самоорганизация, должна убывать. Однако это ни в коей мере не противоречит закону возрастания энтропии в замкнутой системе, то есть второму началу термодинамики. Из приведенных выше примеров видно, что все подобные системы являются открытыми системами, то есть обменивающимися с окружающими их системами либо веществом, либо энергией или и тем, и другим. Понятно, что можно выделить замкнутую систему, в которой происходит самоорганизация. Например, можно представить себе изолированный от излучения звезд космический корабль, в котором произрастают растения. Очевидно, однако, что в любой такой замкнутой системе можно выделить подсистему, в которой именно и происходит самоорганизация, и энтропия которой убывает, в то время как энтропия замкнутой системы в целом возрастает в полном соответствии со вторым началом термодинамики.

Таким образом, можно сформулировать общее правило: процессы самоорганизации происходят в открытых системах. Если самоорганизация происходит в замкнутой системе, то всегда можно выделить открытую подсистему, в которой происходит самоорганизация, в то же время в замкнутой системе в целом беспорядок возрастает.

Следующей особенностью является то, что самоорганизация происходит в системах, состояние которых в данный момент существенно отлично от состояния статистического равновесия. Иногда упрощенно говорят, что к самоорганизации способны системы, находящиеся вдали от равновесия. Нарушение статистического равновесия вызывается внешним воздействием. В приведенном выше примере с ячейками Бенара внешнее воздействие — это нагревание сосуда, которое приводит к различию температур в отдельных макроскопических областях жидкости. В электрических генераторах внешнее воздействие — это напряжение, создаваемое источником, которое приводит к отличному от равновесного распределению электронов. То же происходит в оптических квантовых генераторах под воздействием внешней оптической накачки или электрического разряда, происходящего от внешнего источника. Состояние системы, далекой от равновесия, является неустойчивым, в отличие от состояния вблизи равновесия. Именно в силу этой неустойчивости и возникают процессы, приводящие к возникновению структур.

Самоорганизация возможна лишь в системах с большим числом частиц, составляющих систему. В ряде случаев это достаточно очевидно, поскольку, например, макроскопические пространственные структуры содержат большое число атомов и молекул. Однако если обратиться к примеру с автоколебаниями популяций, то можно утверждать, что при малом числе особей в популяции такие автоколебания невозможны. Дело в том, что только в системах с большим числом частиц возможно возникновение флуктуации — макроскопических неоднородностей.

Роль флуктуации в процессах самоорганизации, как мы далее покажем, оказывается весьма важной, поэтому рассмотрим это понятие подробнее. Если мы возьмем макроскопический сосуд, в котором находится порядка десяти молекул, то понятия плотности или давления в такой системе теряют смысл. Эти понятия применимы лишь к сосуду, содержащему большое число частиц, именно в этом случае мы можем измерить давление нашими приборами. При статистическом равновесии, как следует из определения, в различных областях пространства сосуда прибор должен показывать одинаковое давление. Однако оказывается, что в достаточно малых (но макроскопических) областях в какие-то моменты времени это давление, а, следовательно, и плотность, отличается от среднего давления и средней плотности в сосуде. Самопроизвольное (спонтанное) отклонение от состояния статистического равновесия и называется флуктуацией. В случае с газом или жидкостью в сосуде флуктуации давления невозможно наблюдать обычными манометрами. Тем не менее именно такими флуктуациями объясняется броуновское движение. Его можно наблюдать, если в сосуд с жидкостью поместить легкую, но в то же время видимую в микроскоп частицу (напомним, что молекулы жидкости наблюдать в микроскоп невозможно). Опыт показывает, что частица совершает сложные хаотические, но вполне регистрируемые движения. Такое движение было названо броуновским.

Объяснение этого опыта было дано А. Эйнштейном и М. Смолуховским, которые показали, что оно является результатом возникновения по разные стороны частицы областей с разным числом молекул жидкости. Наличие флуктуации характерно для любой системы, содержащей большое число частиц.

Эволюция систем, способных к самоорганизации, описывается нелинейными уравнениями. В задачу данного курса не входит исследование уравнений, поэтому мы не будем давать строгого определения нелинейности, а лишь проиллюстрируем некоторые важные свойства, следующие из нелинейности уравнений.

Синергетика

Синергетика — междисциплинарное направление научных исследований, задачей которого является изучение природных явлений и процессов на основе принципов самоорганизации систем. «…Наука, занимающаяся изучением процессов самоорганизации и возникновения, поддержания, устойчивости и распада структур самой различной природы…».

Основное понятие синергетики — определение структуры как состояния, возникающего в результате многовариантного и неоднозначного поведения таких многоэлементных структур или многофакторных сред, которые не деградируют к стандартному для замкнутых систем усреднению термодинамического типа, а развиваются вследствие открытости, притока энергии извне, нелинейности внутренних процессов, появления особых режимов с обострением и наличия более одного устойчивого состояния. В обозначенных системах возможно образование новых структур и систем, в том числе и более сложных, чем исходные.

Этот феномен трактуется синергетикой как всеобщий механизм повсеместно наблюдаемого в природе направления эволюции: от элементарного и примитивного — к сложносоставному и более совершенному.

«Самоорганизация – это процесс упорядочения (пространственного, временного или пространственно-временного) в открытой системе за счет согласованного взаимодействия множества элементов, составляющих эту систему».

Характеристики системы:

- открытая (наличие обмена энергией и/или веществом с окружающей средой);

- содержит неограниченно большое число элементов (подсистем);

- имеется стационарный устойчивый режим системы, в котором элементы взаимодействуют хаотически (некогерентно).

Характеристики процесса:

- интенсивный обмен энергией и/или веществом с окружающей средой, причём совершенно хаотически (не вызывая упорядочение в системе);

- макроскопическое поведение системы описывается несколькими величинами — параметром порядка и управляющими параметрами;

- имеется некоторое критическое значение управляющего параметра (связанного с поступлением энергии и/или вещества), при котором система спонтанно переходит в новое упорядоченное состояние (переход к сильному неравновесию);

- новое состояние обусловлено согласованным (когерентным) поведением элементов системы, эффект упорядочения обнаруживается только на макроскопическом уровне;

- новое состояние существует только при безостановочном потоке энергии и/или вещества в систему. При увеличении интенсивности обмена система проходит через ряд следующих критических переходов; в результате структура усложняется вплоть до возникновения турбулентного хаоса.

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 Следующая ⇒