За тысячелетия до того, как начались первые «разборки» за патент на изобретения, люди занимались своеобразным плагиатом. В наше время изобретения и открытия делят на 89 классов, охватывающих все области техники и производства. А в «патентной библиотеке» природы есть «изобретения», относящиеся ко всем из них.

Учиться у природы

Человек научился всему что имеет, позаимствовав у природы множество оригинальных и необычных идей. Она создала свои творения с максимальной эффективностью. Их отличают безупречная точность и экономия ресурсов. По принципу работы крыльев насекомых созданы ветряные мельницы. Наблюдая, как паук плетет паутину, человек научился делать сети. А жители островов Тробриан до сих пор используют паутину гигантских лесных пауков как рыболовную снасть.

Люди переняли у животных такой прием охоты, как засада. Самый знаменитый хищник земной флоры – венерина мухоловка подсказала идею капкана. Греческие амфоры изготавливались в форме яйца, а первые тараны точно воспроизводили бараньи лбы. Рыба-прилипала дала идею изобретения клея. Первая бумага изготовлена китайцами из туевого дерева в ходе наблюдения за стенными осами. Они разжевывали дерево, перерабатывая его в материал для строительства своих гнезд.

Многие животные наделены природой удивительными способностями и возможностями. Изучение их уникальных свойств позволило научно-техническому прогрессу в ХХ веке сделать резкий рывок вперед. Организмы этих животных послужили образцами для высокоточных приборов, аппаратов и технологий. Заимствование и использование человеком в своих целях изобретений природы, ее идей получило название бионики.

Продолжение давних традиций

Бионика – это сознательное имитирование мудрых законов природы. За основу вентиляции высотных домов взят принцип работы этих систем в термитниках. Они послужили моделью для торгового центра «Истгейт» в Зимбабве. В нем прохладно даже в сорокаградусную жару. Слюнная железа клопа стала основой конструкции двигателей внутреннего сгорания. Только ее детали из хитина увеличили во много раз и заменили на металлические.

Репейник и застежка-«липучка» действуют по одному принципу

На создание акваланга Жак-Ива Кусто подтолкнуло наблюдение за жучком, тянувшим за собой в воду пузырек воздуха. На основе действия колючек репейника созданы липучки на куртках, обуви и многих других изделиях. Наблюдения за шимпанзе позволили выявить ряд лекарственных растений и применить их для лечения людей. Наши двухфокусные очки копируют принцип действия глаз четырехглазой рыбы. Ведь дальнозоркую верхнюю часть глаза эта рыба использует для наблюдения в воздухе, а нижнюю, близорукую – в воде.

Устройство уха тюленя подсказало идею изобретения гидрофона. Изучение быстроходных рыб послужило толчком к борьбе с турбулентностью воды при движении морских и речных судов и повысило их скорость. Не остался без внимания и способ реактивного передвижения кальмаров − на кораблях появились копирующие это явление механические водометы. Часто спасающий моряков автоматический предсказатель непогоды сделан на основе «инфрауха» медуз. Оказалось, что эхолокаторы летучих мышей имеют голографическую картинку, объемное изображение!

Благодаря исследованиям листьев лотоса создали самоочищающиеся покрытия. На основе принципа устройства оболочек голотурий (морских огурцов) созданы биомедицинские препараты. Медицинские шприцы копируют укус пчелы или осы. Жук-бомбардир подал идею бинарного оружия: два безвредных в отдельности химических соединения при реакции дают боевое отравляющее вещество. Изучение зубов животных привело к созданию самозатачивающихся инструментов. По подсказке природы сделаны парашюты и дельтапланы. Стрекозы дали идею вертолета.

Исследовались присоски гекконов и древесных лягушек, позволяющие им бегать по вертикальным поверхностям. Разлагающийся со временем изоляционный и упаковочный материал создан на основе принципа природной переработки отходов при помощи грибов вешенок. В фильтрах очистки воды собираются использовать белок аквапарин, содержащийся в мембранах клеток. Даже американский марсоход копирует механизм действия речных раков, способных пятиться назад.

Подарки гремучей змеи и лягушки

Змея наделена удивительным органом, при помощи которого видит тепловые (инфракрасные) лучи. Две ямки на голове дают ей потрясающую зоркость ночью. Змея способна увидеть на расстоянии 200 метров выползающую из норки полевую мышь и поймать ее. Разглядывая своеобразный портрет теплокровного животного, она улавливает разницу в тысячную долю градуса! Эта способность змеи была использована людьми при создании медицинских аппаратов и приборов ночного видения. Повысив точность «змеиного метода» до одной десятитысячной доли градуса, ученые создали потрясающую тепловизорную диагностику. На обработанных компьютером снимках сверхчувствительной аппаратуры видно все, что находится в недрах земли на несколько километров. Можно диагностировать здания и сооружения. Под домами, мостами, дорогами, трубопроводами четко видны разломы земной коры, карстовые пустоты и потоки грунтовых вод. Зная о них раньше, строители обошли бы стороной эти гиблые для сооружений места, и не было бы «загадочных» обрушений зданий.

Обыкновенная лягушка виртуозно ловит языком комаров и мошек. Исследования показали, что она имеет особую «систему оповещения», которая позволяет ей получать раздельную информацию о форме насекомого, расстоянии до него и четкости изображения. Лягушка быстро и точно определяет положение летящей мошки в пространстве. Молниеносно вылетает язык − и добыча оказывается в желудке. Лягушачий принцип раздельного видения изображения в 1970-х годах применили в электронных машинах для чтения рукописных текстов. Один узел «мозга» машины следил за формой знаков, второй – за их контрастностью. Этот же принцип лежит в основе работы современных сканеров.

Лягушка озёрная ( L.) ловит добычу

Муха впереди

Так нелюбимая нами муха дала плагиаторам от науки две идеи для подражания. На основе принципа работы ее органов – жужжальцев, назначение которых исследователи не могли понять несколько десятилетий, инженеры изготовили важнейший прибор – вибрационный гироскоп. Он высокочувствительно и мгновенно фиксирует любые изменения положения сверхзвуковых самолетов в пространстве и стал незаменимым в авиации.

Другую идею подсказали фасеточные глаза мухи, состоящие из особого сетчатого экрана. Их строение позволяет насекомому видеть не одно, а множество изображений какого-либо предмета. При движении наблюдаемый объект переходит из одного изображения в другое, что позволяет с большой точностью определить скорость его передвижения. Биологи изучили принцип устройства глаза мухи, а инженеры создали новый прибор. Его так и назвали − «Глаз мухи». С его помощью в навигационных службах и аэропортах определяют скорость полета современных авиалайнеров.

Самка слепня Tabanus lineola

Неудачи изобретателей

Сделанные человеком самые совершенные механизмы часто не могут сравниться с биологическими чудо-приборами живых существ. Многие их достижения все еще остаются для человека далекой мечтой. Ученые только пытаются «копировать» природные наноструктуры и использовать их в качестве оптических волноводов и светоотделителей. Паутина послужила прототипом кевлара – пуленепробиваемой «кожи». Наука и инженерная мысль так и не смогла скопировать и угнаться за даром сверхчувствительности «живых приборов», способных предсказывать погоду и катаклизмы.

Как известно, никто не в состоянии предсказать время одного из величайших бедствий – землетрясения. Однако некоторые рыбы-малютки чутко реагируют на сейсмические процессы. За 5-7 часов до землетрясения они начинают бешено метаться по аквариуму. В сейсмоопасных районах Земли они спасли тысячи жизней. Многие животные обладают даром предсказания долгосрочного прогноза погоды, на недели и месяцы вперед. Они «знают», каким будет паводок и места, которые попадут в зону затопления, будет лето сухим или дождливым, какие морозы ожидать зимой. Наблюдение за ними позволяет избежать многих бед и несчастий. Обычные золотые рыбки точнее лучших химических приборов определяют загрязнения в воде. Они замечают наличие ядовитых веществ даже в разбавленных в 10 раз, очищенных сточных водах. Исследование морфологических особенностей живых организмов дает ученым все новые идеи для технического конструирования. Действительно, тайники природы неисчерпаемы.

Контрольно-измерительные материалы по теме «Возникновения и развитие жизни на Земле»

Дата____________ Фамилия, имя________________________ Класс________

Вариант 1

I .Дополните утверждения:

1. Согласно биохимической теории,жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся __________________и _________________законам;

2.Согласно теории абиогенеза _____________________________________________-

3. Согласно теории стационарного существования, жизнь___________________________

4. Первые живые организмы (пробионты),появившиеся на Земле, по способу дыхания были_______________________ и питания были ___________________.

5. С момента появления на Земле организмов-прокариот прошло ____________млрд. .лет

первых одноклеточных организмов-эукариот прошло___________ млн. лет

II

1. появления основных структур и процессов на ранних этапах возникновения и эволюции жизни на Земле.:

А. органические мономеры-полимеры-брожение-клетки-дыхание-фотосинтез

В. органические мономеры-полимеры-клетки--фотосинтез-дыхание

С. органические полимеры- мономеры-клетки-фотосинтез-брожение-дыхание

Д. органические мономеры-полимеры-клетки-дыхание-брожение-фотосинтез

В. кембрий, ордовик, силур, девон,карбон, пермь

С. ордовик, кембрий, силур,девон, карбон,пермь

Д. девон, карбон, ордовик, силур, пермь,кембрий

3. правильная геохронологическая последовательность периодов мезозоя:

А. юра,триас, мел

В. мел.юра. триас

С. триас. юра. мел

Д. мел.триас, юра

III .Отметьте верные высказывания «да» или « нет»:

1.Согласно коацерватной гипотезе, первые белковые структуры (протобионты) появились на Земле в результате самопроизвольного разделения водного раствора полимеров на капельки с высокой концентрацией веществ.

2.Основная причина совершенствования коацерватов до первичных живых существ-способность капель к самосборке и самовоспроизведению с нарастающей сложностью.

3.Началом биологической эволюции на Земле принято считать момент возникновения первых одноклеточных эукариотических организмов-растений, животных, грибов.

IV .Установи соответствие:

А) В 1947 г сформулировал теорию биопоэза.

Б) В 1929 г установил, что источник энергии для абиогенного синтеза служит ультрафиолетовое излучение

В) установил, что микроорганизмы образуются из спор переносимых по воздуху

Г) впервые дал определение "жизни»

Д) В 1861 году опытным путем доказал невозможность появление живого от неживого

Е)В 1924 г сформулировал коацерватную гипотезу.

1.Ф.Энгельс		3.Луи Пастер	4.А.Опарин	5.Дж.Холдейн	6.Дж.Бернал

V. Тест.

1.Кто из названных ученых окончательно опроверг теорию самозарождения организмов?

А. Дарвин В. Ламарк С. Пастер Д. Реди

2.Суть теории самозарождения заключается в том, что она поддерживает идею:

А. возникновения живых организмов из неживых

В. возникновения живого от живого

С. создание живого высшими силами

Д. занесение организмов из вне

3.Одним из важнейших этапов возникновения жизни можно считать:

А. появление аминокислот

В. появление углеводов

С. появление нуклеиновых кислот

Д. появление липидов

4.Какое свойство органических молекул позволило им стать «основой жизни»?

А. способность к разнообразным химическим реакциям

В. способность к самоорганизации и воспроизведению

С. сложность их строения

5.Источниками энергии для синтеза органических молекул на древней Земле могли быть:

А.видимый свет

В. ультрафиолетовое излучение

Д. все перечисленное

6.Древняя атмосфера Земли была, вероятно восстановительной, так как:

В. органические соединения не синтезировались в окисляющей среде

С. соединения органических веществ с кислородом неустойчивые

Д.все перечисленное

Контрольно-измерительные материалы по теме «Возникновение и развитие жизни на Земле»

Дата____________ Фамилия, имя________________________ Класс________

Вариант 2

I .Дополните утверждения:

1. Согласно теории панспермии. жизнь _____________________________________

2.Согласно теории биогенеза, _____________________________________________-

3. Организмы.появившиеся на Земле при истощении запаса абиогенных органических веществ, по способу дыхания ___________________________способу питания____________________

4.Появление на Земле процесса фотосинтеза привело к накоплению _________________

И обогащению ___________________ ______________

5. По современным представлениям возраст Земли составляет______________ млрд.лет

II .Установи правильную последовательность:

1.характерную для первичной атмосферы Земли:

А. азот-аммиак-метан-сероводород-пары воды

В. кислород-аммиак-сероводород-оксиды углерода-метан

С. кислород-аммиак-оксиды углерода-метан-азот

Д. аммиак-метан-сероводород-оксиды углерода-пары воды

2.правильная геохронологическая последовательность периодов палеозоя:

А. кембрий, силур, ордовик, пермь, карбон, девон

В. ордовик, кембрий, силур,девон, карбон,пермь

С. девон, карбон, ордовик, силур, пермь,кембрий

Д. кембрий, ордовик, силур, девон,карбон, пермь

3. правильная геохронологическая последовательность периодов мезозоя:

А. триас.юра. мел

В. юра, триас, мел

С. мел. юра. триас

Д. мел. триас, юра

III .Отметьте верные высказывания «да» или «нет»:

1.Согласно коацерватной гипотезе, коацерваты обладали свойствами живого потому, что они состояли из белковых молекул и избирательно поглощали вещества.

2.Гипотеза,постулированная А. И. Опариным и экспериментально проверенная С. Миллером, заключается в том, что первичный океан содержал высокие концентрации белков и нуклеиновых кислот

3.Накопление в атмосфере первичной Земли кислорода и появление озонового экрана привело к прекращению абиогенного синтеза органических веществ и защите первых организмов от ультрафиолетового излучения.

IV .Установи соответствие:

А. Господство покрытосеменных, расцвет насекомых, костистых рыб, птиц, плацентарных и сумчатых млекопитающих, появление приматов.

Б. Начало расцвета пресмыкающихся, появление первых млекопитающих, настоящих костистых рыб.

В. Возникновение первых прокариот-появление цианобактерий, железобактерий, сине-зеленых анаэробных автотрофных предшественников зеленых водорослей

Г. Расцвет бактерий, смена прокариот эукариотами; одноклеточность сменяется многоклеточностью, бурный расцвет водорослей и вымирание одноклеточных.

Д. Появление кистеперых рыб, выход позвоночных на сушу, появление стегацефалов, распространение на суше высших споровых растений.

Е. Формирование в результате оледенения современных покрытосеменных растений, вымирание мамонтов, саблезубых тигров. расцвет крупных копытных млекопитающих.историческое развитие человека.

Ж. Господство пресмыкающихся, появление археоптерикса, господство голосеменных растений.

З. Расцвет земноводных, появление летающих насекомых, пауков, скорпионов, расцвет папоротникообразных, появление семенных папоротников.

1.Архей	2.Протерозой	3.Палеозой	4.Мезозой	5.Кайнозой

V .Тест:

1.Убедительность опыта Луи Пастера заключалась в том, что:

А. он преградил путь «жизненной силе», запаяв колбу с питательной средой

В. стерилизовал питательную среду и доказал, что в ней нет микроорганизмов

С. доказал, что микроорганизмы могут быть занесены в питательную среду только вместе с внешним воздухом.

2.В смеси Миллера содержались аммиак и метан. Почему эти вещества были необходимы для опыта:

А. он хотел доказать, что эти вещества содержались в составе первичной атмосферы Земли

В. он хотел доказать невозможность зарождения жизни в первичной атмосфере Земли

С. он хотел доказать возможность синтеза органических соединений в условиях первичной атмосферы Земли.

Д. нет ответа

3.Какая реакция лежит в основе образования аммиака:

А. реакция углекислого газа с азотом

В. реакция воды с азотом

С. реакция водорода с азотом.

Д. реакция азота и кислорода

А. они могли поглощать одни вещества из внешней среды и выделять в нее другие

В.они были ограничены от водной среды подобием мембраны

С.они могли менять размеры

Д.по всем указанным причинам

5.Фотосинтез и окислительный метаболизм:

А. появились внезапно

В. были первой метаболической системой

С. подготовили базу для возникновения кислородного метаболизма

Д. все перечисленное

6.Если первичные формы жизни возникли 4 млрд. лет назад,то:

А. поверхность Земли могла быть слишком горячей, чтобы на ней существовали океаны

В. океаны были бы замерзшими

С. эти жизненные формы должны были бы синтезировать глюкозу из СО 2 и Н 2 О

Д. не было бы воды для того. чтобы поддерживать их рост

	1.физические и химические законы 2.живое от неживого 3.сущетвовали всегда 4.анаэробы,гетеротрофы 5.3,5 млрд.лет и 2 млн.лет	1.занесены на планету извне 2. живое от живого 3.анаэробы, фототрофы 4. органических веществ и обогащению атмосферы кислородом 5.2-3 млрд. лет
	3нет.(прокариотических организмов-пробионтов)	2.нет,(9молекулы органических веществ сформировались абиогенно и рачали вступать в физико-химическое взаимодействие.)
	1-С;2-А;3-В;4-В;5-Д;	1-С;2-С;3-С;4-Д;5-С;:

Бакирова Рашида Шайкеновна, учитель биологии и химии

КГУ№7,г.Шахтинск,Карагандинская обл. Республика Казахстан

БИОНИКА Бионика – самая популярная из молодых наук, возникшая в 60-х годах 20-го столетия. Название происходит от древнегреческого слова «бион» – элемент жизни, буквально живущий. Эмблемой бионики является скальпель и паяльник, соединенные знаком интеграла, а девизом – «Живые прототипы – ключ к новой технике» Бионика – это наука, занимающаяся изучением построения и функционирования биологических систем, их применения для коренного усовершенствования уже существующих и создания новых машин, приборов, аппаратов, строительных конструкций и т.д. В процессе продолжительной эволюции природа создала на Земле бесчисленное множество живых организмов, многие из которых по праву могут быть отнесены к «Живым инженерным системам», функционирующим очень точно, научно и экономично, отличаются поразительной точностью, способностью реагировать на тончайшие изменения внешней среды, запоминать и учитывать эти изменения, приспосабливаться к ним. Бионика выделяет несколько направлений: Биологическое и медицинское, математическое и техническое и др.

Бионика в медицине Изобретение анестезии в медицине способствовало наблюдение за осами. Осы впрыскивали нервнопаралитическое вещество в область нервных стволов пауку, полностью его парализуя, но не убивая его, который неподвижно лежал в осином гнезде до появления личинок и служил им кормом.

Примером современной бионики в медицине служит технология реконструкции и наращивание зубной эмали, наращивание ногтей и волос. Основой для этой технологии является принцип построения морских губок, а также техника строения гнезд стрижей-саланганов. Оба этих принципа основаны на химиоотвердевающей и светоотвердевающей методиках.

Мало кто знает, что состояние глубокой спячки многих мелких грызунов и насекомых в зимнее время, при котором замедляется обменный процесс в органах и тканях, помогло проводить операции на сердце и головном мозге. В это время осознанно переохлаждают тело человека для замедления обменных процессов в тканях и органах.

Снегоступы Лапы американских зайцев- беляков на ступнях окружены пушистыми «ковриками», благодаря чему их вес лучше распределён и они могут ступать по мягкому снегу. Снегоступы – обувь для охотников в Арктике – созданы абсолютно по такому же принципу: они распределяют вес тела по всей площади обуви.

Липучка (велькро) В 1957 году обыкновенный репейник, который цеплялся за шерсть собаки, вдохновил швейцарского инженера Жоржа де Мистраля на изобретение «липучки». Потратив на своё изобретение целых 8 лет, он создал «липучку» - синтетический материал, сделанный из двух нейлоновых полосок. Одна покрыта крошечными петельками, а вторая мельчайшими крючочками. Когда их соединяют вместе, они крепко прилипают друг к другу, но могут легко снова разделиться.

Узоры на покрышке шины Наши пальцы покрыты мелким узором складок и углублений, которые помогают удерживать гладкие или мокрые предметы. Узоры на покрышке шины – увеличенный вариант того же приспособления – гарантируют, что шины не будут скользить на мокрой дороге.

Застёжка-молния Перо состоит из тысяч тончайших ворсинок, укреплённых вдоль его стержня. Каждая ворсинка снабжена микроскопическим и крючочками. Они сцепляются таким образом, что создают, ровную плотную поверхность пера. Внутри скользящего замка застёжки-молнии находятся клинья, которые либо соединяют, либо разъединяют зубчики. Эти зубчики плотно и надёжно цепляются крючками друг за друга.

Изготовление бумаги Люди делают бумагу, обрабатывая древесину и превращая её в мягкую массу, которая затем выжимается, очищается, отбеливается и раскатывается в листы. Осы – изобретатели естественного способа бумажного производства. Они строят гнёзда из частиц пережёванной древесины, смачивая их своей слюной. Древесно-стружечная плита является аналогичным материалом, только осиная слюна заменена искусственным клеем.

Дамбы Бобры перекрывают плотинами небольшие реки, создавая запруды, где сооружают хижины. Их дамбы настолько хорошо построены, что могут держаться веками. Люди возводят дамбы для создания больших искусственных водоёмов, содержащих миллионы литров воды. Эти огромные запасы воды используются в домах, на фабриках, заводах.

Туннель Суслики выкапывают длинные лабиринты, соединённых между собой туннелей. Главное в них – хорошая циркуляция воздуха, поэтому они сооружают вулканоподобные вентиляционные башни. Туннель под Ла-Маншем – один из самых гигантских инженерных проектов 20 века. Он предназначен для скоростной железнодорожной перевозки между Великобританией и Францией. Вентиляционные системы гарантируют безопасность от ядовитых веществ и газов, а также делают воздух чистым.

Конструкция зданий Сложная сеть прожилок на нижней стороне листа гигантской водяной лилии надёжно укрепляет и поддерживает его обширную поверхность. Подобное расположение жилок было скопировано в некоторых конструкциях зданий, самое знаменитое из них - Хрустальный дворец в Лондоне.

Архитекторы, дизайнеры, инженеры, психологи и биологи разработали проект «Вертикальный бионический город-башня». Через 15 лет в Шанхае должен появится этот город. Он рассчитан на 100 тысяч человек. В основу проекта положен «принцип конструкции дерева». Башня-город будет иметь форму кипариса высотой 1228м, в башне будет 300 этажей, 12 вертикальных кварталов между ними перекрытия-стяжки с садами. Тщательно продуманная конструкция аналогично строению ветвей и всей кроны кипариса.

Белково-коацерватная теория Опарина

Пожалуй, первая научная, хорошо продуманная теория происхождения жизни абиогенным путем была предложена биохимиком А.И. Опариным еще в 20-х годах прошлого века. Теория базировалась на представлении, что все начиналось с белков, и на возможности в определенных условиях спонтанного химического синтеза мономеров белков - аминокислот - и белковоподобных полимеров (полипептидов) абиогенным путем. Публикация теории стимулировала многочисленные эксперименты в ряде лабораторий мира, показавшие реальность такого синтеза в искусственных условиях. Теория быстро стала общепринятой и необыкновенно популярной.

Основным ее постулатом было то, что спонтанно возникавшие в первичном "бульоне" белковоподобные соединения объединялись" в коацерватные капли - обособленные коллоидные системы (золи), плавающие в более разбавленном водном растворе. Это давало главную предпосылку возникновения организмов - обособление некой биохимической системы от окружающей среды, ее компартментализацию. Так как некоторые белковоподобные соединения коацерватных капель могли обладать каталитической активностью, то появлялась возможность прохождения биохимических реакций синтеза внутри капель - возникало подобие ассимиляции, а значит, роста коацервата с последующим его распадом на части - размножением. Ассимилирующий, растущий и размножающийся делением коацерват рассматривался как прообраз живой клетки (рис. 1).

Рис. 1. Схематическое представление пути происхождения жизни согласно белково-коацерватной теории А.И. Опарина

Все было хорошо продумано и научно обосновано в теории, кроме одной проблемы, на которую долго закрывали глаза почти все специалисты в области происхождения жизни. Если спонтанно, путем случайных безматричных синтезов в коацервате возникали единичные удачные конструкции белковых молекул (например, эффективные катализаторы, обеспечивающие преимущество данному коацервату в росте и размножении), то как они могли копироваться для распространения внутри коацервата, а тем более для передачи коацерватам-потомкам? Теория оказалась неспособной предложить решение проблемы точного воспроизведения - внутри коацервата и в поколениях - единичных, случайно появившихся эффективных белковых структур.

Мир РНК как предшественник современной жизни

Накопление знаний о генетическом коде, нуклеиновых кислотах и биосинтезе белков привело к утверждению принципиально новой идеи о ТОМ, что все начиналось вовсе не с белков, а с РНК. Нуклеиновые кислоты являются единственным типом биологических полимеров, макромолекулярная структура которых, благодаря принципу комплементарности при синтезе новых цепей, обеспечивает возможность копирования собственной линейной последовательности мономерных звеньев, другими словами, возможность воспроизведения (репликации) полимера, его микроструктуры. Поэтому только нуклеиновые кислоты, но не белки, могут быть генетическим материалом, то есть воспроизводимыми молекулами, повторяющими свою специфическую микроструктуру в поколениях.

По ряду соображений именно РНК, а не ДНК, могла представлять собой первичный генетический материал.

Во-первых, и в химическом синтезе, и в биохимических реакциях рибонуклеотиды предшествуют дезоксирибонуклеотидам; дезоксирибонуклеотиды - продукты модификации рибонуклеотидов.

Во-вторых, в самых древних, универсальных процессах жизненного метаболизма широко представлены именно рибонуклеотиды, а не дезоксирибонуклеотиды, включая основные энергетические носители типа рибонуклеозид-полифосфатов (АТФ и т.п.).

В-третьих, репликация РНК может происходить без какого бы то ни было участия ДНК, а механизм редупликации ДНК даже в современном живом мире требует обязательного участия РНК-затравки в инициации синтеза цепи ДНК.

В-четвертых, обладая всеми теми же матричными и генетическими функциями, что и ДНК, РНК способна также к выполнению ряда функций, присущих белкам, включая катализ химических реакций. Таким образом, имеются все основания рассматривать ДНК как более позднее эволюционное приобретение - как модификацию РНК, специализированную для выполнения функции воспроизведения и хранения уникальных копий генов в составе клеточного генома без непосредственного участия в биосинтезе белков.

После того как были открыты каталитически активные РНК, идея первичности РНК в происхождении жизни получила сильнейший толчок к развитию, и была сформулирована концепция самодостаточного мира РНК, предшествовавшего современной жизни. Возможная схема возникновения мира РНК представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схематическое представление пути происхождения жизни согласно современной концепции первичности мира РНК

Абиогенный синтез рибонуклеотидов и их ковалентное объединение в олигомеры и полимеры типа РНК могли происходить приблизительно в тех же условиях и в той же химической обстановке, что постулировались для образования аминокислот и полипептидов. Недавно А.Б. Четверин с сотрудниками (Институт белка РАН) экспериментально показали, что по крайней мере некоторые полирибонуклеотиды (РНК) в обычной водной среде способны к спонтанной рекомбинации, то есть обмену отрезками цепи, путем транс-эстерификации. Обмен коротких отрезков цепи на длинные, должен приводить к удлинению полирибонуклеотидов (РНК), а сама подобная рекомбинация способствовать структурному многообразию этих молекул. Среди них могли возникать и каталитически активные молекулы РНК.

Даже крайне редкое появление единичных молекул РНК, которые были способны катализировать полимеризацию рибонуклеотидов или соединение (сплайсинг) олигонуклеотидов на комплементарной цепи как на матрице, означало становление механизма репликации РНК. Репликация самих РНК-катализаторов (рибозимов) должна была повлечь за собой возникновение самореплицирующихся популяций РНК. Продуцируя свои копии, РНК размножались. Неизбежные ошибки в копировании (мутации) и рекомбинации в самореплицирующихся популяциях РНК создавали все большее разнообразие этого мира. Таким образом, предполагаемый древний мир РНК - это "самодостаточный биологический мир, в котором молекулы РНК функционировали и как генетический материал, и как энзимоподобные катализаторы" .

Возникновение биосинтеза белка

Далее на основе мира РНК должно было происходить становление механизмов биосинтеза белка, появление разнообразных белков с наследуемой структурой и свойствами, компартментализация систем биосинтеза белка и белковых наборов, возможно, в форме коацерватов и эволюция последних в клеточные структуры - живые клетки.

Проблема перехода от древнего мира РНК к современному белок-синтезирующему миру - наиболее трудная даже для чисто теоретического решения. Возможность абиогенного синтеза по-липептидов и белковоподобных веществ не помогает в решении проблемы, так как не просматривается никакого конкретного пути, как этот синтез мог бы быть сопряжен с РНК и подпасть под генетический контроль. Генетически контролируемый синтез полипептидов и белков должен был развиваться независимо от первичного абиогенного синтеза, своим путем, на базе уже существовавшего мира РНК. В литературе предложено несколько гипотез происхождения современного механизма биосинтеза белка в мире РНК, но, пожалуй, ни одна из них не может рассматриваться как детально продуманная и безупречная с точки зрения физико-химических возможностей. Представлю свою версию процесса эволюции и специализации РНК, ведущего к возникновению аппарата биосинтеза белка, но и она не претендует на законченность.

Предлагаемая гипотетическая схема содержит два существенных момента, кажущихся принципиальными.

Во-первых, постулируется, что абиогенно синтезируемые олигорибонуклеотиды активно рекомбинировали посредством механизма спонтанной неэнзиматической трансэстерификации, приводя к образованию удлиненных цепей РНК и давая начало их многообразию. Именно этим путем в популяции олигонуклеотидов и полинуклеотидов и могли появиться как каталитически активные виды РНК (рибозимы), так и другие виды РНК со специализированными функциями. Более того, неэнзиматическая рекомбинация олигонуклеотидов, комплементарно связывающихся с полинуклеотидной матрицей, могла обеспечить сшивание (сплайсинг) фрагментов, комплементарных этой матрице, в единую цепь. Именно таким способом, а не катализируемой полимеризацией мононуклеотидов, могло осуществляться первичные копирование (размножение) РНК. Разумеется, если появлялись рибозимы, обладавшие полимеразной активностью, то эффективность (точность, скорость и продуктивность) копирования на комплементарной. матрице должна была значительно возрастать.

Второй принципиальный момент в моей версии состоит в том, что первичный аппарат биосинтеза белка возник на базе нескольких видов специализированных РНК до появления аппарата энзиматической (полимеразной) репликации генетического материала - РНК и ДНК. Этот первичный аппарат включал каталитически активную прорибосомную РНК, обладавшую пептидил-трансферазной активностью; набор про-тРНК, специфически связывающих аминокислоты или короткие пептиды; другую прорибосомную РНК, способную взаимодействовать одновременно с каталитической прорибосомной РНК, про-мРНК и про-тРНК. Такая система уже могла синтезировать полипептидные цепи за счет катализируемой ею реакции транспептидации. Среди прочих каталитически активных белков - первичных ферментов (энзимов) - появились и белки, катализирующие полимеризацию нуклеотидов - репликазы, или НК-полимеразы.

Впрочем, возможно, что гипотеза о древнем мире РНК как предшественнике современного живого мира так и не сможет получить достаточного обоснования для преодоления основной трудности - научно правдоподобного описания механизма перехода от РНК и ее репликации к биосинтезу белка. Имеется привлекательная и детально продуманная альтернативная гипотеза А.Д. Альтштейна (Институт биологии гена РАН), в которой постулируется, что репликация генетического материала и его трансляция - синтез белка - возникали и эволюционировали одновременно и сопряженно, начиная с взаимодействия абиогенно синтезирующихся олигонуклеотидов и аминоацил-нуклеотидилатов - смешанных ангидридов аминокислот и нуклеотидов.



С. Кашницкий Синтез судьбы? Превращение неживой материи в живую - совсем...

С. Кашницкий

Синтез судьбы?

Превращение неживой материи в живую - совсем не безнадежный бред средневековых алхимиков. Человек произошел вовсе не от животного. Homo Sapiens не венец природы, как мы привыкли думать, а такое же ее начало, как одноклеточные. Наша планета с древнейших времен была своеобразным Ноевым ковчегом, в котором проживали "прототипы" всех живых существ - "каждой твари". А гриппом нас может заражать космос. А человеческая цивилизация способна заселять планеты далеких звездных миров примерно так же, как некогда из просторов Вселенной на Землю была доставлена жизнь.

Еще? Пожалуйста.

Гомункул - выращенный в "колбе" наш собрат по разуму - не только имеет полное право на существование, но и готов стать полпредом человечества на космической целине.

Казалось бы, продолжая перечень сенсационных утверждений, мы придем к Волге, впадающей отнюдь не в Каспийское море. Однако все сказанное выше следствие строгой научной гипотезы, подтвержденной многочисленными опытами. Производятся они в астрофизическом отделе Физико-технического института имени А.Ф.Иоффе АН СССР под руководством старшего научного сотрудника кандидата физико-математических наук Евгения Алексеевича Каймакова.

Почтальоны жизни.

Эти небольшие небесные тела с огромными сияющими хвостами исстари наводили на людей суеверный страх. Их начали наблюдать в телескопы, научились предсказывать появление многих из них на небосклоне. Но в отличие от планет, больших спутников и астероидов с кометами не связывали развитие жизни. Какая там жизнь - ведь больше чем наполовину они состоят изо льда!

Немалую часть жизни астрофизик Каймаков посвятил космическим странницам, а семь лет назад [от 1981 года] высказал предположение: в кометных хвостах должны быть органические соединения, в первую очередь циан и ацетонитрил. Вскоре американские ученые нашли эти вещества в хвосте кометы Когоутека.

Интерес биофизиков к блуждающим светилам возрос: где цианистые соединения. Там очень вероятно появление аминокислот, элементарных "кирпичиков", из которых строится белок. Цианистый калий на свету - вот уже и аминокислота. В газопылевом облаке кометного хвоста содержатся метан и аммиак. Если пропустить грозовой электрический разряд через смесь этих газов и воды, получатся аминокислоты - такие опыты не раз успешно проделывали Миллер, Поннамперума и другие исследователи начала жизни. Сложные органические соединения в кометах! Значит, могут быть и нуклеотиды - такие же простейшие "кирпичики", только уже для цепочек ДНК. В спектрах излучения комет этих веществ не видно: они не столь летучи. Но, по предположению Каймакова, их количество может составить один процент от общей массы ядра. Не так уж мало: ведь ядро средней по размеру кометы - уже миллиард тонн.

Аминокислоты - значит белки; нуклеотиды - значит ДНК, сахара, жиры совсем не так далеко от того, что понимается под словом "жизнь". Понимается, конечно, биофизиками, а не философами. Если "компоненты жизни" есть в кометах, не могут ли хвостатые путешественницы быть разносчиками жизни?

Заманчиво было бы проверить предположение. Несколько лет назад Евгений Алексеевич приступил к экспериментальным проверкам. Поскольку пока невозможен полет к комете, пришлось сделать ее искусственно.

Заморожен раствор обычной поваренной соли. В вакуумной камере вода сублимирует, то есть испаряется, не переходя в жидкое состояние - как влага мокрого белья, которое сушат на морозе. В чашках с замерзшим раствором остается осадок: мелкозернистая соль "экстра". Микрокристаллики так малы, что рассмотреть их можно только в микроскоп. Заглянем: вот она, гранула, диаметр два микрона. Лед в вакууме испарился, а соль осталась, потому что ее летучесть в сто миллионов раз меньше, чем у воды.

Теперь то же самое с другим водным раствором, только вместо соли аминокислоты. Когда их достаточно много, в остатке снова "экстра", но не из поваренной соли, а из аминокислот. Если же концентрация мала, то сухой остаток изменяет свой вид. Никакой "экстры" больше нет - под микроскопом структура, похожая на мех песца. Вертикальные ворсинки "растут" очень густо: десять миллионов штук на квадратном сантиметре. Диаметр одной - два микрона, длина примерно 2 сантиметра. Взвесив осадок, Каймаков убедился, что остается пятая часть массы раствора. То есть ворсинки состоят не из одной примеси, но еще и льда. Выходит, сублимировала почему-то не вся вода - часть осталась в осадке. Что же произошло?

Стерженек, "запеленатый" аминокислотами, не смог быстро испариться. Вода, сублимируя, выходит по спирали - точно также она вытекает из ванны, образуя воронку. Вот почему ниточка примеси обмотала ледяной сердечник по спирали. Молекулы примеси выстроились "в затылок друг другу". Вот такая сублимационная конструкция! Субликон, как назвал ее ученый.

Белок - это как раз такая же молекулярная цепочка из различных аминокислот, всего их двадцать типов. Субликон и есть подобное построение молекул. Остается лишь соединить их или, как говорит Евгений Алексеевич, "сшить" молекулы. Тогда будет биополимер. Это исследователь сделал, направив на субликон пучок света. Получился биосубликон.

А вот другой очень похожий опыт. Замораживается и сублимирует малоконцентрированный раствор нуклеотидов. Как "сшитые" аминокислоты образуют искусственный белок, так соединенные светом нуклеотиды - цепочку ДНК. Она - паспорт и жизненная программа живого существа.

Третий, самый главный опыт: в воде растворены аминокислоты и нуклеотиды всех типов. Сублимация в вакууме, свет - биосубликон. Прообраз живой клетки: ведь в ее спирали содержаться "полуфабрикаты" и белка и ДНК. Причем периодические участки произвольно чередуются с непериодическими, что и дает бесконечное разнообразие информации.

В биосубликонах уже предусмотрена упорядоченность, свойственная биополимерам различных классов. Достаточно теперь поместить биосубликоны в питательную жидкую среду, считает ученый, и в нем появятся самые настоящие клетки. Они будут реагировать на размножение и делиться. То есть жить.

Английские физики Хойл и Вихрамасингхе обнаружили связь между прохождением Землей кометных хвостов и вспышками пандемий. Казалось бы, вот оно, научное подтверждение мистических прорицаний: неверный свет приносит неисчислимые беды.

Теперь можно жать вполне материальное объяснение зловещим небесным знамениям. Межзвездные скитальцы осыпают Землю биосубликонами, которые, размораживаясь в питательной среде земных водоемов, вызывают к жизни вирусы и фаги.

Не так ли точно кометы "заразили" 3.5 миллиарда лет назад Землю жизнью? Правда, буйство всего живого на нашей планете началось лишь 700-800 миллионов лет назад, то есть через 2.5 миллиарда лет после появления сине-зеленых водорослей. Чем объяснить такой разрыв?

Взяв на вооружение свою гипотезу, Каймаков предлагает свой ответ на вопрос. В ДНК конкретного биосубликона записан уже вероятный конечный результат эволюции, вся программа развития.

Иными словами, по древней земле могли рядом ползти два одинаковых с виду червя. Но один уже отработал свою генетическую программу - стал тем, кем ему суждено быть в ходе строительства биосубликона для той давней клетки, что начала эволюционировать и добралась до червяка. Другой еще только в пути, в его цепочке ДНК записано: "выйти в люди". То есть мы с вами, строго говоря, никогда не были ни рыбой, ни ящерицей [это уж точно - R], ни белкой ни обезьяной - только принимали на время их обличье.

Наша планета, получив "партию биосубликонов" с "кометным транспортом", сразу запаслась фондом всех будущих видов растений и животных. Она стала тем Ноевым ковчегом, где жили "предки" всей грядущей флоры и фауны.

Кстати, некоторые астрофизики уверены, что не все кометы очень уж строго проживают по месту прописки - в Солнечной системе. Честь из них может путешествовать от звезды к звезде. А если это так, мы можем усомниться не только в своем земном, но даже околосолнечном происхождении.

И опять наполняется новым смыслом давно отвергнутая идея древних: человек и животные имеют совершенно различные корни. Или, в терминах новой гипотезы, биосубликоны с разной длиной цепочек и порядком расположения "кирпичиков" - бусинок.

Но если кометы - переносчицы жизни, может, они и сейчас заселяют Землю новыми биосубликонами, из которых со временем разовьются новые формы жизни?

Вряд ли. Биосубликоны - это как бы мясные кубики для бульона. А на них жадно набрасываются уже развившиеся вирусы и фаги, объедая "пришельцев". Вирусов легко понять: устраняют конкурентов - не исключено, что потенциально более высоко организованных, чем мы с вами.

Мы в долгу у космоса. Наступает время людям заселять далекие миры. Хоть сегодня отправляй биосубликоны на соседние планеты - только подыщи условия для оживления.

Но ведь можно задать параметры этих условий, кибернетическая система сама будет искать их на новых местах жительства и лишь потом "разгружать рефрижераторы". Длительности многих человеческих жизней не хватит на полет даже к ближайшей звезде. Зато биосубликоны успешно долетят куда угодно. И разовьются на новой родине в те живые существа, которые лучше всего приживутся в неведомом мире. Переставляя бусинки в цепочке, ученые сумеют варьировать облик и свойства посланцев Земли. И даже наделять их нужными качествами.

Наконец, когда станет известен порядок следования нуклеотидов в ДНК человека, можно попытаться сконструировать биосубликон, оживающий в обычную женскую яйцеклетку. Так реализуется давняя мечта Аристотеля и Парацельса - искусственный человек. Наука, в давние времена осмеяв отцов гомункула, готова стать его матерью. Один из парадоксов познания.

А может, наши слабости и несовершенства тоже заданы нуклеотидами? Поменял местами бусинки - и сделал лучшего, чем я?

Хочется верить. Тем более, что наука позволяет.

Прокомментировать статью мы попросили одного из крупнейших советских астрофизиков - академика АН Таджикской ССР О.В.Добровольского.

Гипотезу о возможном отношении комет к зарождению жизни Е.А.Каймаков высказал, насколько мне известно, первый. О ее жизнеспособности говорит то, что ее сторонником является один из виднейших биохимиков мира Поннамперума, ответственный редактор научного журнала "происхождение жизни".

Было бы очень желательно продолжить опыты Каймакова. Это тем более важно, что делаются интересные логические заключения, указывающие путь длядальнейших выводов, но окончательное решение остается все-таки за экспериментом. Весьма вероятно, опыты могли бы помочь выяснению вопроса о происхождении жизни на Земле.