Самоорганизация и происхождение живых систем

Жизнь есть
наиневероятнейшее
состояние материи

Э. Шредингер

Жизнь – это форма существования
макроскопических
гетерогенных
открытых систем,
далеких от

(συστεμα - составленный)
– целое, составленное из частей;
соединение элементов, связаных

Отсутствует обмен
веществом, энергией
и информацией
со средой

Наличие обмена
веществом, энергией
и информацией
со средой

Равновесие

Стационарное состояние

Открытые Замкнутые

Энтропия
максимальна

Энтропия
понижается

Системы

Открытые системы

Неравновесны
Низкоэнтропийны
Устойчивы
Структурированы

Системы

Жизнь… – это работа специальным образом организованной системы, направленная на

Простые Сложные

Состоят из небольшого числа
простых элементов

Состоят из большого числа элементов, которые

Поведение системы

Одного состояния можно достигнуть разными путями

Прекращение поступления энергии ведет к

Поведение системы

Энергия
системы

0

Системы

Постоянные
малые
флуктуации

«Расшатывание
гомеостаза»

Дестабилизация
системы

«Удачная»
флуктуация

Скачок в
неустойчивость

Гибель

Новая
устойчивость

или

Сложные системы

Много элементов

Многочисленные сложные
связи между элементами

Динамическое равновесие
(колебания между устойчивостью и неустойчивостью)

Возникновение
системных
свойств

Флуктуации

Системы

взаимоотношения и взаимодействия
элементов на основе информации,
которой тем или иным способом обмениваются
элементы

Иерархичность устройства

Эмерджентность – наличие качеств, присущих
системе в целом, но не свойственных

σιστεμα

Свойства системы определяются связями
между элементами

Глюкоза

углекислый газ вода

газированная вода

Эмерджентность (неаддитивность)

«целое больше, чем

«Целое больше,
чем сумма составляющих его частей»

Самоорганизация

процесс упорядочения в сложной
открытой неравновесной системе

возникновение структуры

без
поступления извне
каких-либо инструкций, команд,
а

Самоорганизация

процесс упорядочения в сложной
открытой неравновесной системе

Самоорганизация

Сначала система
должна быть выведена из

Самоорганизация

флуктуация

возникновение
структуры

Условия среды постоянны

Условия среды резко меняются

Стазис

Стазис

Быстрое
изменение

Условия среды постоянны

Палеонтологическая летопись

Флук-
туация

Самоорганизация

нормальный

аномальный

Альтернативность
путей развития

Эмерджентность

Сигнал

Постройка термитника

Кидай свой
комочек сюда!

Самоорганизация

Хватай комочек
и неси!

Сигнал

Способность к развитию

Способность к самоорганизации

Свойства сложных открытых
неравновесных систем

Возникновение жизни

Эволюция

Самоорганизация

II. Возникновение живых систем

живых систем

Ок. 13 млрд. лет

Ок. 7 млрд. лет

Ок. 4,5 млрд.

Происхождение жизни –
четыре стадии

Абиогенез – синтез малых органических молекул (аминокислот,

Абиогенез

«атмосфера» – H2O, H2, CH4, NH3

Эксперимент Миллера и Ури

Через неделю в

ДНК

Белок

Для белка нужен
ген!
(ДНК)

Для ДНК нужен
фермент!
(белок)

Белки не способны к
самовоспроизведению

Генетическая
информация

?

Что было раньше

Раньше должна была быть молекула,
которая сама:

Содержала генетическую информацию

Была способна к

Раньше была молекула, которая
сама:

Содержала генетическую информацию

Была способна к самоудвоению

Обладала каталитической

рибоцитидин-2',3'-циклофосфат

рибоуридин-2',3'-циклофосфат

Показано
в
эксперименте

Активированный рибонуклеотид

Динуклеотид

Показано
в
эксперименте

Активированный рибонуклеотид

3'-5'-фосфодиэфирная связь

динуклеотид

реакция трансэтерификации

Показано
в
эксперименте

РНК

Активированныe рибонуклеотиды

РНК-мир

Предположение

Способна к кодированию информации

Способна к самоудвоению без
участия ферментов

Обладает каталитической активностью

РНК

Но!

РНК –

Рост
микрокристалла

Нужна хиральная

Матрица

Глина

матрица!

Самовоспроизведение!

Расщепление
микрокристалла

Рост
микрокристаллов

Матрица

Показано
в
эксперименте

Глина

Гипотеза мира полиароматических углеводородов

Полиароматические углеводороды

РНК

Стэкинг

Азотистые
основания

Стэкинг

Полиароматические углеводороды

Показано
в
эксперименте

Предположение

динуклеотид

аминоацил-нуклеотидилат

Возникновение генетического кода

Показано
в
эксперименте

«проген»

Аденин

Урацил

«проген»

РНК-зависимая РНК-полимераза

Предположение

Показано
в
эксперименте

Кофермент А

Нуклеотид

Дипептид

«Молекулярное живое ископаемое»

Происхождение жизни – четыре стадии

Абиогенез – синтез малых органических молекул (аминокислот,

Показано
в
эксперименте

Пробионты

Липосома

Вода

Пробионт

Предположение

Показано
в
эксперименте

Активированные
нуклеотиды

Синтез
ДНК

Пробионты

Где?

Предположение

Предположение