Происхождение жизни. От туманности до клетки

Оглавление

Михаил Никитин. Происхождение жизни. От туманности до клетки

Предисловие

Благодарности

Часть I. Планеты, пригодные для жизни

Глава 1. Строение Солнечной системы

Орбитальная механика

Гравитационная дифференциация

Приливные явления

Орбитальные резонансы

Планеты земной группы

Планеты-гиганты

Глава 2. Происхождение Солнечной системы. Экзопланеты[2]

Протопланетные диски

Образование планетезималей

Образование планет-гигантов

Образование планет земной группы

Происхождение Луны и спутников Марса

Эволюция системы Земля – Луна

Происхождение спутников планет-гигантов

Нерешенные вопросы в моделях происхождении планет

Осевое вращение планет земной группы и особенности Венеры и Меркурия

Поздняя тяжелая бомбардировка и миграция планет-гигантов

Прыгающий Юпитер

Солнечная система – норма или исключение?

Глава 3. Геологическое строение Земли, Марса и Венеры

Схема дрейфа плит земной коры

Древнейшая история Земли

Марс

Венера

Глава 4. Атмосфера и климат Земли, Марса и Венеры

Источники газов при формировании планет

Мегаимпакты и атмосфера

Климат и парниковый эффект

Образование земной коры и океанов

Атмосфера и климат Марса

Атмосфера и климат Венеры

Часть II. Происхождение жизни

Глава 5. История идей о происхождении жизни

Сложности теории абиогенеза

Панспермия

Мир РНК

Термодинамика жизни

Глава 6. Место происхождения жизни, «первичный бульон», пицца и майонез

Сколько воды надо для появления жизни?

Солнце: друг или враг?

Минеральный состав живых клеток

«Железосерный мир»

«Цинковый мир»

Как сделать выбор между «цинковым» и «железосерным» мирами?

Фосфорная проблема и пути ее решения

Наземные геотермальные поля – колыбель жизни?

Глава 7. Получение нуклеотидов из продуктов атмосферной фотохимии

Круговорот метана на древней Земле

Химия цианидно-формальдегидных дождей

Получение нуклеотидов

Цианосульфидный протометаболизм

Глава 8. Происхождение хиральной чистоты

Хиральная асимметрия в космосе

Хиральная асимметрия в ядерных процессах

Химическое усиление превращает небольшую хиральную асимметрию в хиральную чистоту

От аминокислот к сахарам и нуклеотидам

Глава 9. Механизмы копирования РНК и начало РНК-мира

Первые РНК возникают случайно

РНК копирует себя: проблемы и ограничения

Копирование РНК путем крупноблочной сборки

РНК копируются внешними силами

Копирование РНК в тепловой ловушке

Мир шпилек

Глава 10. Витамины, аминокислоты и пептиды в РНК-мире

Рибозимы осваивают обмен веществ

РНК и витамины

РНК и свет

Аминокислоты и пептиды в мире РНК

Глава 11. Происхождение современных путей обмена веществ

Устройство обмена веществ

Включение углекислого газа в обмен веществ

Порядок возникновения реакций обмена веществ

Фолатный путь восстановления одноуглеродных групп

Питаться муравьиной кислотой и угарным газом проще, чем углекислым газом

Становление обмена веществ

Глава 12. Альтернативная биохимия и водно-углеродный шовинизм

Определение жизни

Химические свойства биомолекул, которые важны для их функции

Выбор химических элементов

Альтернативная биохимия на тех же элементах

Альтернативные варианты биохимии на древней Земле. Ксенонуклеиновые кислоты

Треозонуклеиновые и гликоленуклеиновые кислоты

Пептидо-нуклеиновые кислоты

Жизнь без полимеров

Часть III. От древнейшей жизни к современным клеткам

Глава 13. Происхождение рибосом, белков и генетического кода

Синтез белка в клетках

Происхождение транспортных РНК

История рибосомных РНК

История генетического кода

История аминоацил-тРНК-синтетаз

Структуры и функции белков

Древняя история белков записана в рибосоме

Обойденные и вымершие аминокислоты

«Рабочий код» и происхождение генетического кода

Порядок развития белкового синтеза и генетическом кода

Глава 14. Устройство геномов, механизмы копирования и происхождение ДНК

Набор генов LUCA

Геномный материал LUCA и предшествующих стадий эволюции

LUCA – организм или сообщество?

Мир вирусов и переход от РНК к ДНК

Происхождение систем репликации ДНК

Разнообразие и происхождение ДНК-полимераз

Заключение

Глава 15. Происхождение мембран и мембранной энергетики

Какие мембраны были у LUCA?

Информация о мембранах LUCA сохранилась в ферментах синтеза липидов

Происхождение первых мембранных белков

Мембранная электрохимия

Происхождение мембранных АТФаз

Натриевая и протонная энергетика

Устройство электрон-транспортных цепей

Q-цикл

Глава 16. Происхождение фотосинтеза и древнейшие ископаемые следы жизни

Расхождение бактерий и архей

Способы получения энергии у бактерий и архей

Глубинная биосфера

Поздняя метеоритная бомбардировка

Устройство фотосинтеза современных растений и цианобактерий

Разнообразие систем, запасающих энергию света

Разнообразие и происхождение хлорофиллов и хлорофилл-связывающих белков

Варианты хлорофилльного фотосинтеза

Эволюция хлорофилльного фотосинтеза

Геологические следы фотосинтеза и продуктивность древних экосистем

Происхождение кислородного фотосинтеза

Глава 17. Происхождение компонентов биоэнергетических систем[17]

Разнообразие и происхождение гемов, хлорофиллов и родственных коферментов

Разнообразие и эволюция гем-содержащих белков

Разнообразие и эволюция хинонов

Разнообразие электрон-транспортных цепей

Модульная структура окислительно-восстановительных ферментов

Происхождение комплекса I (НАДН-хинон-оксидоредуктаза)

Происхождение цитохромных комплексов bc1 (комплекс III) и b6f

Происхождение цитохром-с-оксидазы

Эволюция фотосистем

Доступность окислителей и восстановителей на древней Земле

Энергетика LUCA, первых бактерий и архей

Глава 18. Происхождение эукариот

Клетки с ядром – новый уровень сложности жизни

Химерное происхождение эукариот

Другие возможные источники генов эукариот

Архейный предок эукариот

Причины и механизмы появления эукариот

Гипотезы о происхождении ядра

Роль вирусов в происхождении эукариот

Вирусная теория происхождения ядра и полового размножения

Дальнейшая эволюция эукариот

Заключение: о случайности и закономерности в эволюции, внеземных цивилизациях и о том, зачем Земле люди

Библиография

Отрывок из книги

Почему жизнь на планете Земля устроена так, а не иначе? Почему цепи ДНК состоят из четырех видов звеньев, а белковые – из двадцати? Почему в клетках используются именно белки и ДНК, а не какие-нибудь другие вещества? Подобные вопросы часто возникают у школьников и студентов, изучающих биологию. Но в учебниках ответов на них нет. В результате студенты привыкали, что задавать эти вопросы бесполезно. И даже когда они вырастали в ученых и могли попытаться на них ответить сами, привычка мешала им это сделать.

Тем временем в биологии с начала XXI века происходит настоящая научная революция. Развитие технологий определения последовательностей ДНК (секвенирования) привело к тому, что базы данных прочитанных последовательностей растут, как снежный ком. Для анализа этого огромного количества данных биологи стали привлекать на помощь специалистов в математике и компьютерных науках. Эти специалисты, чтобы представлять, с чем они работают, стали изучать основы биологии. И, естественно, из них посыпались те самые проклятые «почему?», ставящие биологов в тупик. Автор столкнулся с такими вопросами программистов в Школе анализа данных, организованной компанией «Яндекс» совместно с факультетом биоинженерии и биоинформатики МГУ.

.....

Пока не очень понятно, как соотносится изотопная хронология твердых тел Солнечной системы и возраст Солнца. Наиболее вероятно, что кальций-алюминиевые включения сконденсировались, когда Протосолнце высветило большую часть гравитационной энергии и температура внутренних частей диска упала ниже 1500 °C. Этот момент наступил примерно через 200 000–300 000 лет после начала образования Солнца.

Следующим поколением твердых тел Солнечной системы стали хондры. Это силикатные шарики размером до нескольких миллиметров, составляющие основную часть материала самых обычных метеоритов – хондритов. Хондры состоят из таких минералов, как оливин (MgFeSiO4), пироксен ((Mg, Fe, Ca) Si2O6), полевой шпат ((K, Na) AlSi3O8), а также имеют примеси фосфатов кальция, сульфида железа, самородных железа и никеля. Структура хондр указывает на их образование при быстром (не более минуты) нагревании до примерно 1000 °C и таком же быстром охлаждении. Что могло быть причиной такого кратковременного нагрева – непонятно. Рассматриваются версии коротких вспышек молодого Солнца, столкновений метеоритов и ударных волн в протопланетном диске. Эпоха образования хондр началась с момента появления кальций-алюминиевых включений и продолжалась примерно 2 млн лет.

.....