مادة الاحياءـ علم أصل وتطور الحياة ، بنيتها ، أشكال تنظيمها وأساليب نشاطها. علم الأحياء الحديث هو معرفة ديناميكية تتغير حرفياً أمام أعيننا. يفوق التراكم الذي يشبه الانهيار الجليدي للبيانات التجريبية الجديدة أحيانًا احتمالات تفسيرها النظري وتفسيرها. يتزايد عدد الأبحاث متعددة التخصصات في تقاطع علم الأحياء والكيمياء والبيولوجيا والفيزياء وعلم الأحياء والأنثروبولوجيا وما إلى ذلك. وهذا بدوره يتطلب استخدام الأساليب والوسائل التي كانت في السابق غريبة تمامًا عن علم الأحياء. يوجد بالفعل أكثر من 50 علمًا داخل المجمع المعرفة البيولوجية، من بينها: علم النبات وعلم الحيوان ، علم الوراثة وعلم الأحياء الجزيئي ، علم التشريح وعلم التشكل ، علم الخلايا وعلم الجيولوجيا الحيوية ، الفيزياء الحيوية والكيمياء الحيوية ، علم الأحافير وعلم الأجنة ، علم الأحياء التطوري والبيئة ، إلخ. الدراسة - المادة الحية.
ظهر علم الأحياء و لفترة طويلةتم تطويره كعلم وصفي ، يقوم بتحليل وتصنيف مادة تجريبية ضخمة (2.5). لا تزال البيولوجيا الحديثة تواجه مهمة تصنيف تنوع الكائنات الحية. من المعتقد أنه تم وصف الثلثين فقط حتى الآن. الأنواع الموجودة، وهؤلاء هم 1.2 مليون حيوان ، 500 ألف نبات ، مئات الآلاف من الفطريات ، حوالي 3 آلاف بكتيريا ، إلخ. علم الأحياء الحديثكانت هناك تغييرات منهجية كبيرة. في القرن العشرين. اكتسبت المعرفة البيولوجية طابعًا توضيحيًا. يستخدم علم الأحياء الحديث المناهج الجينية والبنيوية. يتناول الأول أصل وتطور المادة الحية ، وأسباب وآليات وخصائص التكوّن الحيوي. في إطار المستوى الثاني ، يتم دراسة مستويات مختلفة من تنظيم الكائنات الحية ، ومبادئ عملها ، وخصائص العلاقات ، وما إلى ذلك.
ميزة المرحلة الحديثةتطوير المعرفة البيولوجية هو ارتباطها الوثيق ليس فقط بالعلوم الأخرى لمجمع العلوم الطبيعية ، ولكن أيضًا بالعلوم الإنسانية و الإدراك الاجتماعي. لا يزداد عنصر القيمة للمعرفة البيولوجية إلا مع تطور هذا التخصص العلمي. تتيح لنا التطورات في الفيزياء الحيوية والكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية وعلم الوراثة التحدث عن اختراق في معرفتنا بجوهر الكائنات الحية. ومع ذلك ، بالاقتراب أكثر فأكثر من حل لغز الحياة ، تواجه البشرية العديد من مشاكل النظرة العالمية ، والتي يكون حلها ضروريًا ، بما في ذلك لأغراض الحفاظ على الذات والبقاء. في هذا الصدد ، تتطلب بعض بيانات علم الأحياء الحديث تفكيرًا وتفسيرًا فلسفيًا. في الوقت نفسه ، تبين أن علم الأحياء مرتبط ارتباطًا وثيقًا بالاحتياجات العملية ، علاوة على ذلك ، يظهر عدد كبير من المشكلات النظرية على وجه التحديد لحل مشكلات عملية محددة: طبية ، وبيئية ، واقتصادية ، وسياسية ، وما إلى ذلك. تشير كل هذه التغييرات إلى: في الوسط من القرن العشرين. في علم الأحياء ، كانت هناك ثورة علمية يمكن مقارنتها في نطاقها بالثورة في الفيزياء وعلم الفلك.
يؤكد علم الأحياء الحديث على وحدة المادة الحية على جميع المستويات ، ويمثل العالم الحي كنظام ضخم من الأنظمة التي يكون لكل مكون خاص به. خصائص محددةويتصل بالآخرين بنوع خاص من الاتصال. يؤدي تطور المعرفة إلى تحول تدريجي في الأفكار حول جوهر الحياة ، ووحدة التطور الكوني والبيولوجي ، والتفاعل بين البيولوجي والاجتماعي في الإنسان ، وما إلى ذلك. البيانات البيولوجية الجديدة تغير صورة العالم الذي كان شكلتها الفيزياء لفترة طويلة. تحدد الاكتشافات في علم الأحياء مزيدًا من التطوير لكل العلوم الطبيعية. هذا هو السبب في أن الصورة العلمية الحديثة للعالم مستحيلة بدون المعرفة البيولوجية. علاوة على ذلك ، يصبح علم الأحياء هو الأساس الذي تتشكل عليه مبادئ النظرة العالمية الجديدة التي تحدد الفهم الذاتي للشخص في القرن الحادي والعشرين. (7.3).
5.2 أفكار حديثة عن أصل الحياة
نشأة وتطور النظم البيولوجية هو موضوع البداية لعلم الأحياء. تتركز جميع المشكلات والأسئلة العلمية الأخرى الخاصة حولها ، كما يتم بناء التعميمات والاستنتاجات الفلسفية.
وفقًا للموقفين الرئيسيين لوجهة النظر العالمية - المادية والمثالية - حتى في الفلسفة القديمة ، تطورت المفاهيم المعاكسة لأصل الحياة: الخلق والنظرية المادية لأصل الطبيعة العضوية من غير العضوية. أنصار الخلقيجادل بأن الحياة نشأت نتيجة فعل من أعمال الخلق الإلهي ، والدليل على ذلك هو وجود قوة خاصة في الكائنات الحية تتحكم في جميع العمليات البيولوجية. أنصار هذا المفهوم من أصل الحياة الطبيعة الجامدة يجادل بأن الطبيعة العضوية نشأت بسبب عمل القوانين الطبيعية. في وقت لاحق تم تجسيد هذا الموقف في فكرة التوليد التلقائي للحياة. لعب مفهوم التوليد التلقائي ، على الرغم من خطئه ، دورًا إيجابيًا ؛ التجارب المصممة لتأكيده قدمت مادة تجريبية غنية لتطوير العلوم البيولوجية. حدث الرفض النهائي لفكرة التوليد التلقائي في القرن التاسع عشر فقط.
في القرن 19 كما تم طرح فرضية الوجود الأبدي للحياة وأصلها الكوني على الأرض. في عام 1865 ، اقترح الطبيب الألماني جي ريختر أن الحياة موجودة في الفضاء وتنتقل من كوكب إلى آخر. في عام 1907 ، طرح العالم السويدي س.أرينيوس فرضية مماثلة ، والتي تنص على أن جراثيم الحياة موجودة أبدًا في الكون ، وتتحرك في الفضاء الخارجي تحت تأثير أشعة الضوء ، وتؤدي إلى الاستقرار على سطح الكوكب. الي الحياة. تسمى هذه الفرضية بانسبيرميا. في بداية القرن العشرين. تم تطوير فكرة الأصل الكوني للأنظمة البيولوجية على الأرض وخلود وجود الحياة في الفضاء من قبل العالم الروسي في. فيرنادسكي.
في العلم الحديث ، فرضية وجود أصل حيوي (غير بيولوجي) للحياة تحت تأثير أسباب طبيعيةنتيجة لعملية طويلة من التطور الكوني والجيولوجي والكيميائي - التولد.لا يستبعد المفهوم اللاأحيائي إمكانية وجود الحياة في الفضاء وأصلها الكوني على الأرض. من الواضح أنه من المستحيل إعادة إنتاج العمليات التي حدثت في وقت نشأة الحياة ، لذا فإن أي استنتاجات حول هذه المسألة وأي تفسير لهذا الموضوع تستند إلى طريقة النمذجة (1.5).
ترتبط المرحلة الأولى في ظهور الكائنات الحية بالتطور الكيميائي.بعد تشكيل الأرض كانت الكرة الساخنة. ساهم التبريد التدريجي للكوكب في حقيقة أن العناصر الكيميائية الثقيلة انتقلت إلى مركزه ، وتراكمت العناصر الخفيفة تدريجياً على السطح. بدأت العناصر الخفيفة - الأكسجين والكربون والنيتروجين والهيدروجين - في التفاعل مع بعضها البعض ، وفي سياق تطور كيميائي إضافي ، ظهرت مركبات عضوية مختلفة. الحياة الأرضية تعتمد على الكربون ، وتسهلها الحياة الخاصة الخصائص الفيزيائيةهذا العنصر الكيميائي. لذلك ، فإن الكربون قادر على إنشاء مجموعة متنوعة من الهياكل ، وعدد ممكن مركبات العضويةعلى أساس الكربون عشرات الملايين. تنشط مركبات الكربون في درجات حرارة منخفضة ؛ حتى مع إعادة ترتيب طفيفة للجزيئات ، يمكن أن يتغير نشاطها الكيميائي بشكل كبير. مركبات الكربون مع الهيدروجين والنيتروجين والأكسجين والكبريت والحديد وما إلى ذلك لها خصائص تحفيزية عالية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن العديد من مركبات الكربون عالية الذوبان في الماء. ومع ذلك ، لا يستبعد العلماء إمكانية ظهور الحياة على أساس مختلف ، على سبيل المثال ، السيليكون.
مع تبريد سطح الأرض ، ازداد سمك بخار الماء ، مما أدى لاحقًا إلى تكوين خزانات ضخمة. كانت نتيجة النشاط البركاني النشط في المراحل الأولى من تطور كوكبنا هو إطلاق العديد من الكربيدات على سطحه - مركبات الكربون مع المعادن. تم غسل الكربيدات في المحيط الأساسي ، حيث تفاعلوا مع الماء. نتيجة لهذه التفاعلات الكيميائية ، تشكلت مركبات هيدروكربونية مختلفة.
ترتبط المرحلة الثانية من ظهور الكائنات الحية بظهور مواد بروتينية.التواجد في مياه المحيط الأساسي عدد كبيرأدت مركبات الكربون إلى ظهور "مرق عضوي" مركّز ، حيث تم تنفيذ العملية الإضافية لتخليق الجزيئات العضوية المعقدة - البروتينات والأحماض النووية - من مركبات الكربون البسيطة إلى حد ما.
أحد شروط تخليق الجزيئات العضوية المعقدة - البوليمرات الحيوية - هو التركيز العالي للمواد الأولية. من المفترض أن الظروف اللازمة قد تشكلت نتيجة ترسب الجزيئات العضوية البسيطة على جزيئات معدنية ، على سبيل المثال ، على الطين ، من الخزانات الأولية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تشكل الجزيئات العضوية غشاء رقيقًا على سطح الماء ، والذي ، تحت تأثير تيارات الرياح والماء ، تم دفعه إلى الشاطئ ، مكونًا طبقات سميكة.
هناك شرط آخر لتخليق البوليمرات الحيوية وهو وجود بيئة خالية من الأكسجين ، حيث أن الأكسجين ، باعتباره عامل مؤكسد قوي ، سيدمر على الفور المركبات العضوية الأصلية. اقترح العالم الأمريكي جي أوري أن الغلاف الجوي الأساسي للأرض كان بالفعل ناقص الأكسجين وله طابع تصالحي. كان مشبعًا بغازات خاملة - الهيليوم ، النيون ، الأرجون ، يحتوي على الهيدروجين والميثان والأمونيا والنيتروجين. في مثل هذه البيئة ، يتم إنشاء المركبات العضوية بسهولة. كان للغلاف الجوي الثانوي للأرض بالفعل تركيبة مختلفة ، والتي كانت نتيجة لتطور الحياة. يتكون الغلاف الجوي الثانوي من 20٪ أكسجين وله خاصية مؤكسدة. لقد استغرق الأمر مليار سنة على الأقل لمثل هذا التحول في الغلاف الجوي للأرض. كان لفكرة G. Urey تأثير كبير على تطوير الأفكار حول أصل الحياة.
تم إثبات إمكانية التوليف غير الحيوي للبوليمرات الحيوية - جزيئات البروتين والقواعد النيتروجينية - تجريبياً في منتصف القرن العشرين. في عام 1953 ، قام العالم الأمريكي S. Miller بنمذجة الغلاف الجوي الأساسي للأرض وقام بتصنيع الأحماض الدهنية ، والأحماض الخليك والفورميك ، واليوريا ، والأحماض الأمينية عن طريق تمرير الشحنات الكهربائية عبر خليط من الغازات الخاملة. وهكذا ، فقد تم توضيح كيف يمكن تخليق المركبات العضوية المعقدة تحت تأثير العوامل غير الحيوية.
لذلك ، تحت تأثير درجات الحرارة المرتفعة ، تم تشكيل الأشعة المؤينة والأشعة فوق البنفسجية ، وكهرباء الغلاف الجوي ، والبروتينات ، والدهون ، والكربوهيدرات والأحماض الأمينية من أبسط المركبات العضوية. وفقًا لفرضية العالم الروسي أ. Oparin ، الذي تم وصفه في عمل "أصل الحياة" (1924) ، يمتزج في "المرق" الأساسي ، في البداية تكون المركبات العضوية المتباينة قادرة على تكوين قطرات متقاربة. لدى Coacervates بالفعل عدد من الخصائص التي توحدهم مع أبسط الكائنات الحية. على سبيل المثال ، يمكن أن تمتص المواد من coacervates بيئة، تتفاعل مع بعضها البعض ، تزيد في الحجم ، إلخ. ومع ذلك ، على عكس الكائنات الحية ، فإن القطرات المتقاربة ليست قادرة على التكاثر الذاتي والتنظيم الذاتي ، وبالتالي لا يمكن أن تُنسب إلى الأنظمة البيولوجية. أظهرت التجارب مع coacervates أن المعدل الذي تمتص به المواد من البيئة يمكن أن يكون مختلفًا ويعتمد على التنظيم الكيميائيوالهيكل المكاني لكل قطرة معينة. لذلك ، سوف يتصرف نوعان مختلفان من coacervates في نفس المحلول بشكل مختلف. هذه التجارب هي تأكيد غير مباشر لحقيقة أنه في هذه المرحلة من التطور السابق للبيولوجيا ، يمكن أن يحدث اختيار coacervates اعتمادًا على طبيعة تفاعلها مع البيئة.
ترتبط المرحلة الثالثة من ظهور الحياة بتكوين قدرة المركبات العضوية على إعادة إنتاج نفسها.يجب اعتبار بداية الحياة ظهور مستقر للتكاثر الذاتي النظام العضويمع تسلسل نوكليوتيد ثابت. فقط بعد ظهور مثل هذه الأنظمة يمكننا التحدث عن بداية التطور البيولوجي. يقدم العالم الألماني إم إيجين إحدى نسخ الانتقال من مرحلة ما قبل علم الأحياء إلى التطور البيولوجي. وفقًا لفرضيته ، يتم تفسير أصل الحياة من خلال تفاعل الأحماض النووية والبروتينات. الأحماض النووية هي ناقلات للمعلومات الجينية ، والبروتينات تعمل كمحفزات للتفاعلات الكيميائية. تتكاثر الأحماض النووية وتنقل المعلومات إلى البروتينات. تظهر سلسلة مغلقة - دورة مفرطة ، يتم فيها تسريع عمليات التفاعلات الكيميائية ذاتيًا بسبب وجود المحفزات. في الدراجات النارية الفائقة ، يعمل منتج التفاعل في نفس الوقت كمحفز ومتفاعل أولي. ردود فعل مماثلةيسمى autocatalytic.
نظرية أخرى يمكن أن تفسر الانتقال من التطور البيولوجي إلى التطور البيولوجي هي التآزر (8.2). تتيح الأنماط المكتشفة بواسطة التآزر توضيح آليات ظهور المادة العضوية من مادة غير عضوية من حيث التنظيم الذاتي من خلال حدوث عفويالهياكل الجديدة أثناء تفاعل النظام المفتوح مع البيئة.
5.3 المراحل الرئيسية لتطور العالم العضوي
تشارك في دراسة المراحل الرئيسية لتطور الحياة علم الحفرياتعلم الكائنات الأحفورية. نظرًا لأن التطور البيولوجي قد سبقه تطور ما قبل بيولوجي طويل ، فإن العلم الحديث يربط المراحل الفردية للتكوين الحيوي بالتكوين الجيولوجي. في التاريخ الجيولوجي للأرض ، تميزت العصور المختلفة التي حدثت فيها تحولات جيولوجية مهمة ، وأعيد توزيع الأرض والبحر ، وتغير المناخ ، وما إلى ذلك. بالإضافة إلى ذلك ، بعد ظهور الحياة ، تميز كل عصر بأصالة النباتات والحيوانات.
العصور الجيولوجية:
Katarchean (منذ 5 مليارات - 3.5 مليار سنة) ؛
Archean (3.5 مليار - 2.6 مليار سنة) ؛
البروتيروزويك (منذ 2.6 مليار - 570 مليون سنة) ؛
حقب الحياة القديمة (570 مليون - 230 مليون سنة) ؛
الدهر الوسيط (230 مليون - 67 مليون سنة) ؛
حقب الحياة الحديثة (منذ 67 مليون سنة حتى الوقت الحاضر).
يبلغ عمر الأرض حوالي 5 مليارات سنة. نشأت الحياة على كوكبنا العتيقة،منذ ما يقرب من 3.5 مليار سنة. في هذا الوقت ، تظهر الخلايا الحية الأولى - بدائيات النوى.بدائيات النوى كائنات بسيطةقادرة على التكاثر السريع ، والتكيف بسهولة مع الظروف البيئية المتغيرة. خاصية مميزةبدائيات النوى - عدم وجود نواة واضحة. كانت هذه الكائنات لا هوائية ، أي أنها يمكن أن تعيش بدون أكسجين (تذكر أن الغلاف الجوي الأساسي للأرض يتكون من مزيج من الهيليوم والنيون والأرجون والهيدروجين والميثان والنيتروجين). كانت هذه الكائنات غيرية التغذيةعلى سبيل المثال ، تم الحصول على جميع المواد اللازمة للحياة في شكلها النهائي من البيئة. ومع ذلك ، فإن استنفاد "الحساء العضوي" الأساسي يتطلب تغييرًا جذريًا في طريقة تناول الطعام. في هذه المرحلة من التكوّن الحيوي ، يمكن أن تحصل تلك الكائنات معظمالطاقة اللازمة للحياة من خلال الإشعاع الشمسي. تسارع الطاقة الضوئية تفاعلات كيميائية، والتي تم خلالها تصنيع المواد الضرورية للحياة. عمليات التطوير المواد الأساسيةعن طريق امتصاص الطاقة الشمسية يسمى البناء الضوئي.وهكذا ، تم استبدال الكائنات غيرية التغذية بـ ذاتية التغذية- كائنات حية! التي توجد بسبب الطاقة الشمسية وتنتج المواد الضرورية للحياة بمفردها. أول autotrophs ب ^1 سواء كان السيانيد ، ثم الطحالب الخضراء. لعب التمثيل الضوئي دورًا مهمًا في التكوين الحيوي وساهم في التسريع العام لتطور المادة العضوية. في هذه المرحلة ، تم اكتساب الميزة عن طريق الكائنات الهوائية ، القادرة على الحياة فقط في وجود الأكسجين.
أثر ظهور الكائنات ذاتية التغذية بشكل خطير على تكوين الغلاف الجوي للأرض. الحقيقة هي أنه خلال حياتهم ، تفرز الكائنات ذاتية التغذية عدد كبير منالأكسجين ونتيجة لذلك ، تحول الغلاف الجوي الأساسي للأرض تدريجيًا إلى غلاف ثانوي ، حيث تشكلت طبقة الأوزون التي تحمي الكائنات الحية من التأثير المميت للأشعة فوق البنفسجية ، وتغير تكوين الماء في الخزانات ، وما إلى ذلك. كان له تأثير كبير على تطور كوكبنا و "مندمج" بشكل متناغم في تكوين الأرض ، ليصبح استمراره وتطوره. يُعتقد أن محتوى الأكسجين الحالي في الغلاف الجوي (21٪) ، ب ^1 تم تحقيقه في الباليوزويك ، منذ 250 مليون سنة ، لكن هذه العملية بدأت بالفعل في العصر الأركي.
في بروتيروزويك(قبل 1.8 مليار سنة) تظهر حقيقيات النوى tyg- الكائنات الحية التي تحتوي خلاياها على نواة واضحة. كانت حقيقيات النوى أكثر ملاءمة للظروف الجديدة. على عكس بدائيات النوى ، يتم تجميع الحمض النووي حقيقيات النوى في كروموسومات ويكون قادرًا على التكاثر دون تغييرات كبيرة. هناك فرضيتان رئيسيتان لأصل حقيقيات النوى: ذاتي التولد والتكافل. وفقًا لفرضية التولد الذاتي ، نشأت حقيقيات النوى عن طريق تعقيد الخلايا ذات البنية الرديئة المشابهة بدائيات النوى. يعتقد مؤيدو الفرضية التكافلية أن حقيقيات النوى ظهرت نتيجة تكافل العديد من الخلايا بدائية النواة ، والتي تم دمج جينوماتها في تكامل جديد.
كانت الخطوة المهمة التالية في التطور البيولوجي هي ظهور التكاثر الجنسي قبل 900 مليون سنة. آلية التكاثر الجنسي هي الاندماج والتوزيع اللاحق للمادة الجينية لكائنين. التكاثر الجنسييزيد بشكل كبير من تنوع الأنواع ، والذي ، من ناحية ، يسمح للكائنات الحية بالتكيف بشكل أفضل مع الظروف البيئية ، ومن ناحية أخرى ، يسرع بشكل كبير عملية التطور.
حدث ظهور الكائنات متعددة الخلايا الأولى منذ حوالي 800 مليون سنة. لقد طور الكائن متعدد الخلايا أعضاء وأنسجة ، أي أنه أكثر تمايزًا من الكائن أحادي الخلية. كانت الإسفنج والمفصليات والمعاطفات هي أول الكائنات متعددة الخلايا.
في حقب قديمة ،منذ 500 مليون - 440 مليون سنة ، ظهرت أولى الحيوانات آكلة اللحوم الكبيرة (10-11 م) وأول فقاريات صغيرة (حوالي 10 سم). منذ حوالي 410 مليون سنة ، بدأت الكائنات الحية في غزو الأرض. تلقت النباتات الأرضية مزايا كبيرة على النباتات المائية ، حيث أن عمليات التمثيل الضوئي على الأرض تتقدم بشكل مكثف أكثر من الماء. احتلت النباتات البرية الأولى - psilophytes - موقعًا وسيطًا بين النباتات الوعائية الأرضية والطحالب. بعد النباتات ، انتقلت الحيوانات أيضًا إلى الأرض. كانت الحيوانات البرية الأولى تشبه العقارب الحديثة ، فقد كانت سمكة الرئة ، أي أنها تكيفت مع التنفس في الماء وعلى الأرض. من المخلوقات التي تتنفس الرئة جاءت بعد ذلك البرمائيات أولاً ، ثم الفقاريات الأرضية. كانت الحيوانات الأولى التي تكيفت تمامًا مع الحياة على الأرض هي الزواحف القديمة ، والتي تشبه في مظهرها السحالي الحديثة. ظهرت الحشرات في نفس الفترة تقريبًا. منذ حوالي 300 مليون سنة ، بدأت الحشرات تطير ثم هيمنت على الهواء لما يقرب من 100 مليون سنة.
في الوسيط(قبل 230 مليون - 67 مليون سنة) هناك تطور آخر في عالم الحيوان والنبات. تدريجيًا ، يتشكل جسم مضغوط في النباتات الأرضية ، ويتم تمييزه إلى جذور وسيقان وأوراق وأنسجة غلافية ، ويتطور نظام توصيل يزود النباتات بالماء و العناصر الغذائيةتغيير طرق التكاثر. تعتبر الأبواغ والبذور أكثر ملاءمة لأغراض التكاثر على الأرض ، لذا فإن تلك النباتات التي تتكاثر بهذه الطريقة حصلت على ميزة تطورية. يرتبط التطور الإضافي لعالم النبات بتحسين البذور.
مملكة الحيوان تتطور أيضًا. في بداية الدهر الوسيط ، غزت الزواحف الأرض تمامًا ، لذلك غالبًا ما يُطلق على عصر الدهر الوسيط عصر الزواحف. تتقن الزواحف القديمة تدريجيًا المزيد والمزيد من الموائل الجديدة ، وتتحرك بشكل متزايد بعيدًا عن الماء. تدريجيًا ، أثناء التطور ، ظهرت الزواحف المفترسة والعاشبية عائمة وطائرة وتتحرك على الأرض. 195 مليون - 137 مليون سنة ، من الزواحف الطائرة القديمة ، نشأت الطيور الأولى ، والتي جمعت بين سمات الطيور والزواحف. منذ 230 مليون - 195 مليون سنة ، ظهرت الثدييات الأولى.
حقب الحياة الحديثة(منذ 67 مليون سنة - حتى الآن) - زمن هيمنة الثدييات والطيور والحشرات والنباتات المزهرة. في نهاية حقبة الدهر الوسيط ، حدث تبريد شديد أدى إلى موت عدد كبير من أنواع النباتات وانخفاض عام في المساحات التي يشغلها الغطاء النباتي. في ظل هذه الظروف ، اكتسبت الميزة التطورية كاسيات البذور، حيث لا تعتمد عملية التكاثر على الوجود فقط البيئة المائية، ولكن ممكن أيضًا في الظروف المناخية الجديدة. نباتات كاسيات البذور - المزهرة - تشكل الآن جزءًا كبيرًا من المملكة النباتية. بالطبع ، خلال 67 مليون سنة من عصر حقب الحياة الحديثة ، حدثت تغييرات في المملكة النباتية أكثر من مرة ، ولكن نباتات مزدهرةلا يزال يهيمن.
أدى التبريد في نهاية حقبة الدهر الوسيط وموت العديد من الأنواع النباتية إلى انقراض أول الديناصورات العاشبة ، ثم الديناصورات آكلة اللحوم التي تتغذى عليها. في ظل ظروف التبريد ، اكتسبت الحيوانات ذوات الدم الحار - الثدييات والطيور - ميزة تطورية كبيرة. على مدار ملايين السنين ، ظهرت أنواع جديدة من الكائنات الحية ، والتي انتشرت على سطح الأرض ، محتلة الأرض والهواء والبيئات المائية. منذ ما يقرب من 8 ملايين سنة ، بدأت العائلات الحديثة من الثدييات في التكون. خلال نفس الفترة ، مختلفة أنواع مختلفةالرئيسيات وبالتالي شكلت المتطلبات الأساسية لبداية تكوين الإنسان. منذ 2-3 مليون سنة ، بدأ انقراض آخر للغابات. بدأت إحدى مجموعات القرود البشرية بالتدريج في تطوير ضخم جديد مساحات مفتوحة. من المفترض أن البشر نشأوا من هذه القرود (6.3).
الآن يتم تمثيل الحياة على الأرض من خلال الكائنات الخلوية وما قبل الخلوية. الكائنات الحية قبل الخلوية هي فيروسات ولاقمات. الكائنات الخلويةتقليديا مقسمة إلى أربع ممالك: الكائنات الحية الدقيقة والفطريات والنباتات والحيوانات. المجموعات الرئيسية للطبيعة العضوية هي النباتات والحيوانات. حاليًا ، تمثل المملكة النباتية أكثر من 500 ألف نوع ، مملكة الحيوان - أكثر من 1.2 مليون نوع.
5.4. الجوهر والميزات الرئيسية للأنظمة الحية
في علم الأحياء الكلاسيكي ، تنافس موقفان متعارضان ، لشرح جوهر الكائنات الحية من حيث المبدأ. بطرق متعددة- الاختزالية والحيوية. أنصار الاختزاليةيعتقد أن جميع عمليات النشاط الحيوي للكائنات يمكن اختزالها إلى مجموعة من التفاعلات الكيميائية. مصطلح "الاختزالية" يأتي من الكلمة اللاتينية reductio - للرد ، للعودة. استندت أفكار الاختزالية البيولوجية إلى أفكار المادية الآلية المبتذلة التي وردت الأكثر انتشارافي فلسفة القرنين السابع عشر والثامن عشر. أوضحت المادية الآلية جميع العمليات التي تحدث في الطبيعة بمساعدة القوانين الميكانيكا الكلاسيكية. أدى تكييف الموقف المادي الآلي مع المعرفة البيولوجية إلى تشكيل الاختزال البيولوجي. من وجهة نظر العلم الطبيعي الحديث ، لا يمكن اعتبار التفسير الاختزالي مرضيًا ، لأنه يضعف جوهر الكائن الحي. ومع ذلك ، في بيولوجيا القرن الثامن عشر. الاختزال واسع الانتشار.
عكس الاختزالية حيويةيشرح أنصارهم خصائص الكائنات الحية من خلال وجود حيوية خاصة فيها. مصطلح "الحيوية" يأتي من الكلمة اللاتينية vita - الحياة. الأساس الفلسفي للحيوية هو المثالية. استخدم أنصار النزعة الحيوية قيود النموذج الاختزالي كحجة لصالح صوابهم. ومع ذلك ، لم توضح النزعة الحيوية خصوصيات وآليات عمل الأحياء ، واختزلت جميع الفروق بين العضوي وغير العضوي في عمل "قوة حياة" غامضة وغير معروفة. على الرغم من حقيقة أن النزعة الحيوية لم تفسر جوهر الأحياء ، كان هناك العديد من المؤيدين لهذا الموقف في علم الأحياء الكلاسيكي.
تعتبر البيولوجيا الحديثة أن الأيض المستقل والتهيج والتنقل والنمو والقدرة على التكاثر والقدرة على التكيف مع البيئة هي الخصائص الرئيسية للكائنات الحية. من خلال الجمع بين هذه الخصائص ، تختلف الكائنات الحية عن الكائنات غير الحية. النظم البيولوجيةجي- هذه أنظمة مفتوحة متكاملة تتبادل باستمرار المادة والطاقة والمعلومات مع البيئة وقادرة على التنظيم الذاتي. تستجيب الأنظمة الحية بنشاط للتغيرات البيئية ، وتتكيف مع الظروف الجديدة. الأنظمة البيولوجية قادرة على التكاثر الذاتي وبالتالي الحفاظ على المعلومات الجينية ونقلها إلى الأجيال اللاحقة. يمكن أيضًا أن تكون الصفات الفردية للكائنات الحية متأصلة في الأنظمة غير العضوية ، ولكن لا يوجد نظام غير عضوي واحد يحتوي على مجموعة كاملة من الخصائص المذكورة أعلاه.
هناك أشكال انتقالية تجمع بين خصائص الكائنات الحية وغير الحية ، مثل الفيروسات. كلمة "فيروس" مشتق من اللاتينية الفيروس - السم. تم اكتشاف الفيروسات في عام 1892 من قبل العالم الروسي د.إيفانوفسكي. من ناحية ، تتكون من بروتينات وأحماض نووية وقادرة على التكاثر الذاتي ، أي أن لديها علامات على وجود كائنات حية ، ولكن من ناحية أخرى ، خارج كائن حي أو خلية غريبة ، لا تظهر عليها علامات وجود كائن حي - ليس لديهم عملية التمثيل الغذائي الخاصة بهم ، ولا تستجيب للمهيجات ، وغير قادرة على النمو والتكاثر. الفيروسات تشبه الجينات في بنيتها ، وقد أكدت دراسات البيولوجيا الجزيئية الحديثة هذا الظرف. في هذا الصدد ، تتم مناقشة مسألة الدور التطوري للفيروسات ، والتي تسمى أحيانًا "الجينات الغاضبة" (5.6).
كل الكائنات الحية على الأرض لها نفس الشيء التركيب البيوكيميائي: 20 حمض أميني ، 5 قواعد نيتروجينية ، جلوكوز ، دهون. وتجدر الإشارة إلى أن أكثر من 100 حمض أميني معروف في الكيمياء العضوية الحديثة. على ما يبدو ، فإن مثل هذا العدد الصغير من المركبات التي تشكل جميع الكائنات الحية هو نتيجة الانتقاء الذي حدث في مرحلة تطور ما قبل علم الأحياء. البروتينات التي تشكل الأنظمة الحية هي مركبات عضوية جزيئية عالية. في كل بروتين معين ، يكون ترتيب الأحماض الأمينية هو نفسه دائمًا.
تعمل معظم البروتينات كأنزيمات - محفزات للتفاعلات الكيميائية التي تحدث في الأنظمة الحية.
5.5 مستويات تنظيم الحياة الفطرية
الحياة على الأرض هي نظام متكامل يتكون من مستويات مختلفة. هناك أربعة مستويات رئيسية لتنظيم المادة الحية:
الوراثة الجزيئية
جيني.
أنواع السكان؛
التكاثر الحيوي.
وحدة المستوى الجيني الجزيئييعمل الجين كعنصر هيكلي لجزيء الحمض النووي ، ويحمل المعلومات الوراثية المنقولة من جيل إلى جيل ، والظاهرة الأولية هي استنساخ الشفرات الجينية وفقًا لمبدأ المصفوفة (5.6).
وحدة المستوى الجينيتنظيم الأحياء هو فرد منفصل ، والظاهرة الأولية هي التكوُّن. يمكن للفرد البيولوجي أن يكون كائنًا أحادي الخلية ومتعدد الخلايا ، ولكنه على أي حال نظام متكامل ذاتي التكاثر. التكوُّن- عملية التطور الفردي للكائن الحي منذ الولادة من خلال المورفولوجية والفسيولوجية و التغيرات البيوكيميائيةقبل الموت ، عملية إدراك المعلومات الوراثية. تم إدخال مصطلح "نشأة المنشأ" في العلم من قبل عالم الأحياء الألماني إي.هيكل ، الذي صاغ قانون التكرار في التكوُّن - التطور الفردي للكائن الحي - المراحل الرئيسية لتكوين السلالات - تطور الأنواع التي ينتمي إليها الكائن الحي المعين . كتب إي هيكل أن "الوجود الجيني" عبارة عن تلخيص موجز وسريع لعلم التطور ، ويرجع ذلك إلى وظائف فسيولوجيةالوراثة (التكاثر) والتكيف (التغذية). يتكرر الفرد العضوي بسرعة و دورات قصيرةيعد تطوره الفردي من أهم التغييرات في الشكل التي مر بها أسلافه في المسار البطيء والطويل لتطورهم الحفريين وفقًا لقوانين الوراثة والتكيف. هذا الانتظام يسمى قانون الجينات الحيوية الأساسي. لم يتم حتى الآن إنشاء نظرية موحدة للتطور ، حيث لم يتم توضيح الأسباب والعوامل التي تحدد التطور الفردي للكائن الحي ، وما إلى ذلك. الآن يمكننا فقط أن نقول أن التولد هو نتيجة لتنفيذ معقدة منسقة برنامج لنشر الخصائص الوراثية للكائن الحي.
وحدة مستوى الأنواع السكانيةهي مجموعة سكانية ، والظاهرة الأولية هي تغيير موجه في تكوينها الجيني. سكانهي مجموعة من الأفراد من نوع واحد ، معزولة نسبيًا عن مجموعات أخرى من نفس النوع ، محتلة منطقة معينة، تتكاثر لفترة طويلة ولديها صندوق وراثي مشترك. يعتبر السكان بمثابة نظام مفتوح متكامل ، تتفاعل جميع عناصره مع بعضها البعض ومع البيئة. تم تقديم مصطلح "السكان" من قبل أحد مؤسسي علم الوراثة ، في. جوهانسن. السكان موجودون لفترة طويلة وقادرون على التطور التطوري المستقل ، ويعتبرون "ذرات" للعملية التطورية. علم الأحياء السكاني هو دراسة السكان. بالإضافة إلى ذلك ، فإن المجموعات السكانية هي موضوع النظر في نظرية التطور التركيبية ، والتي يتم في إطارها تقديم شرح للآليات التطورية في الطبيعة الحية (5.7).
يُطلق على مجموع مجموعات النباتات والحيوانات والفطريات والكائنات الحية الدقيقة التي تعيش معًا وتتفاعل مع بعضها البعض وتعيش في منطقة معينة التكاثر الحيوي.تعد التكوينات الحيوية جزءًا لا يتجزأ من نظام التكاثر الحيوي الأكثر تعقيدًا. يعمل التكاثر الحيوي كوحدة مستوى التكاثر الحيوي.ظاهرة أولية لهذا المستوى هي انتقالات التكوينات الحيوية من حالة توازن ديناميكي إلى أخرى. تسمى التكوينات الحيوية النظم البيئية. تم تقديم مصطلح "التكاثر الحيوي" بواسطة العالم الروسي V.N. Sukachev في عام 1940 ، ومصطلح "النظام البيئي" - بواسطة عالم النبات الإنجليزي أ. تينسلي في عام 1935.
التكاثر الحيوي- معقد نظام ديناميكي، وهي مجموعة من (السكان أنواع مختلفةالنباتات والحيوانات والكائنات الحية الدقيقة) والعناصر اللاأحيائية (الغلاف الجوي والتربة والمياه والطاقة الشمسية) مترابطة من خلال تبادل المادة والطاقة والمعلومات. التكاثر الحيوي هو نظام تطوير متكامل ، يتم وصف التفاعلات فيه من خلال مبادئ التوجيه المباشر والتغذية الراجعة. يتم الحفاظ على توازن النظام البيئي من قبل القوى الداخلية للنظام نفسه. لذلك ، يتم التحدث عن التكاثر الحيوي على أنه أنظمة مفتوحةقادر على التنظيم الذاتي نتيجة لتبادل الطاقة والمادة والمعلومات مع البيئة ، أي مع التكوينات الحيوية الأخرى. يمكن وصف أنماط تطور التكاثر الحيوي من حيث التآزر (7.2).
التكاثر الحيوي هو نظام مستقر يمكن أن يوجد لفترة طويلة. التوازن في النظام الحي ديناميكي ، أي هو كذلك حركة مستمرةحول نقطة معينة من الاستقرار. من أجل الأداء المستقر للنظام الحي ، من الضروري الحصول على تغذية راجعة بين سيطرته وتنفيذ النظم الفرعية. تسمى هذه الطريقة في الحفاظ على التوازن الديناميكي التوازن.يمكن النظر إلى الاستتباب في الأنظمة الحية عن طريق القياس مع عمليات التحكم في علم التحكم الآلي (7.1).
كلما كان النظام البيئي أكثر تنوعًا ، زاد رقم أكثرمن الأنواع المكونة لها ، كلما كانت أكثر قابلية للحياة ، واستقرارًا في الزمان والمكان. في ظل الظروف المواتية ، تكون الأنظمة البيئية قادرة على تعقيد تنظيمها الهيكلي ، مما يزيد من مقاومتها للتأثيرات المدمرة. ولكن حتى التكوينات الحيوية الأكثر تعقيدًا وتنوعًا ليست أبدية. تغييرات جذرية مفاجئة الظروف الخارجيةيقلل من استقرار النظام البيئي ويسبب انتهاكًا لهيكله الداخلي. يمكن أن يؤدي فقدان أحد عناصر التكاثر الحيوي إلى تغييرات في العناصر الأخرى ويسبب خللاً لا رجعة فيه وانهيار النظام البيئي. هذا هو السبب في أنه من أجل الأداء الطبيعي للتكاثر الحيوي ، من الضروري الحفاظ على جميع عناصره أو الغالبية العظمى منها.
يسمى انتهاك التوازن الديناميكي بين مختلف عناصر التكاثر الحيوي ، المرتبط بالتكاثر الجماعي لبعض الأنواع وتقليل أو اختفاء أنواع أخرى ، مما يؤدي إلى تغيير في جودة البيئة ، كارثة بيئية. يُطلق على تطوير النظم البيئية التي لا ترتبط بتغيير خطير في البيئة ، وهو تغيير متتالي للمجتمعات البيولوجية ، الخلافة.
في الختام ، تجدر الإشارة إلى أن كل مستوى من مستويات تنظيم الكائنات الحية يتميز بخصائصه وأنماطه الخاصة ، وبشكل عام ، يسمح لنا التسلسل الهرمي الكامل للطبيعة الحية بتقديمه كنظام متكامل للتنظيم الذاتي يكون ثابتًا. التفاعل مع المواد غير العضوية.
5.6 علم الوراثة والبيولوجيا الجزيئية
علم الوراثة- علم يدرس آليات الوراثة والتنوع في الحياة الفطرية. تأتي كلمة "علم الوراثة" من أصل أصل يوناني. أسس هذا التخصص العلمي العالم النمساوي جي مندل ، الذي اكتشف قوانين الوراثة. أظهر G.Mendel أن وراثة السمات تحدث بشكل منفصل. عبر العالم أنواعًا ناعمة ومتجعدة من البازلاء ، ونتيجة لذلك ، تلقى الجيل الأول فقط بذورًا ناعمة ، وفي الجيل الثاني - ربع البذور المجعدة. بتحليل هذه البيانات التجريبية ، توصل ج. : 1. هذه الظاهرة تسمى تقسيم الميزات. دحضت نتائج تجارب G.Mendel الأطروحة القائلة بأن العلامات المتنحية للكائن الحي يجب محوها تدريجياً في سلسلة من الأجيال. شهد الانتظام المفتوح: الطفرات المتنحية لا تختفي دون أثر ، لكنها تبقى في الصندوق الجيني للسكان وتظهر بعد جيل. تم تقدير أهمية اكتشاف G.Mendel ، الذي يعود إلى القرن التاسع عشر ، فقط في القرن العشرين ، والذي لا يخلو من سبب يسمى عصر علم الوراثة.
في عام 1900 ، أعاد ثلاثة علماء اكتشاف قوانين الوراثة في وقت واحد - X. de Vries (هولندا) و K. Korrens (ألمانيا) و E. Chermak (النمسا). لشرح الانتظام الذي تم الكشف عنه أثناء التجارب ، اقترح X. de Vries نظرية الطفرات. طفره- هذا تغير مفاجئ في التراكيب الوراثية بسبب وسائل طبيعية أو اصطناعية. مصطلح "طفرة" يأتي من اللاتينية mutatio - تغيير. كما أوضحت التجارب ، لا تختفي سمة الطفرة ، ولكنها تتراكم تدريجياً في مجموعة الجينات للسكان ، والتي تشكل أساس التباين في الحياة البرية. اقترح H. de Vries أن الأنواع الجديدة تنشأ على وجه التحديد نتيجة للطفرات. في البداية ، عارض العالم الهولندي الطفرات في الانتقاء الطبيعي ، مشيرًا إلى أن "قيمة الانتقاء محدودة ، ويستمر التطور من خلال القفزات الحادة والطفرات". ومع ذلك ، وافق H. de Vries لاحقًا على أن الانتقاء الطبيعي هو الذي شجع على تعزيز الطفرات المفيدة ، وبالتالي عملية التطور.
بعد اكتشاف H. de Vries ، لمدة 20-30 عامًا ، تراكمت مواد تجريبية جديدة في علم الوراثة مثل الانهيار الجليدي وظهرت الفرضيات النظرية لتفسير ذلك. في العشرينيات أ.وايزمان ، ت.إتش مورجان ، أ.ستورتيفانت ، ج. طور ميلر نظرية الكروموسومات للوراثة ، والتي أوضحت بنية الكروموسومات ، وترتيب الجينات - ناقلات المعلومات الوراثية ، أي آليات وأسباب التغيرات الطفرية. ج. أظهر مولر ، على وجه الخصوص ، أن الطفرات يمكن أن تحدث بسبب الأشعة السينية ، والتعرض للمواد الكيميائية ، تغييرات جذريةدرجة الحرارة ، إلخ.
في الأربعينيات تم اكتشاف الطبيعة النووية للجين وتم توضيح دور الأحماض النووية في تخزين ونقل المعلومات الوراثية. تم إجراء هذه الدراسات من قبل مدرسة عالم الوراثة الأمريكي T. H. Morgan. بناءً عليها ، نشأ نظام علمي جديد - البيولوجيا الجزيئية ، التي جمعت بين الكيمياء الحيوية وعلم الوراثة.
في عام 1944 ، أثبت عالم الكيمياء الحيوية الأمريكي أو.أفيري وفريقه أن الحمض النووي هو الناقل للمعلومات الوراثية ، وفي عام 1953 قام ف. كريك ودي واتسون بفك تشفير هيكلها. اتضح أن جزيء الحمض النووي يتكون من سلسلتين متعددتي النواة ، يعمل كل منهما كقالب لتركيب سلاسل جديدة. كما اتضح أن خاصية المضاعفة الذاتية لجزيئات الحمض النووي هي أساس آلية الوراثة.
في العقود التالية ، أثبت العلماء اعتماد تخليق البروتين على حالة الجينات ، وأجروا تخليقًا جينيًا صناعيًا ، وفكوا رموز تسلسل الأحماض الأمينية للعديد من البروتينات ، وما إلى ذلك بحلول النصف الثاني من القرن العشرين. تراكمت المواد التجريبية والنظرية الضخمة في علم الوراثة. اقترب العلم من تفكيك أحد أعظم الأسرار- التكاثر الذاتي للأحياء. فتح توضيح الآليات الجزيئية لنقل المعلومات الجينية إمكانيات جديدة تمامًا لـ تطبيق عمليهذه المعرفة.
يتم تحديد تكاثر جميع الكائنات الحية من خلال تخليق البروتينات باستخدام الأحماض النووية. الحمض النووي(deoxyri-bonucleic) و RNA(ريبونوكلي). كما ذكرنا سابقًا ، يشارك 20 من الأحماض الأمينية من أصل 100 معروف في الكيمياء العضوية الحديثة في تكوين البروتينات. ناقلات المعلومات الجينية هي جزيئات الحمض النووي الموجودة في كروموسومات نواة الخلية. يتكون الحمض النووي من سلسلتين متزاوجتين من عديد النوكليوتيدات ملتوية في لولب. النيوكليوتيدات هي وحدات جزيء الحمض النووي. النوكليوتيداتمركب من قاعدة نيتروجينية ، سكر وبقايا حمض الفوسفوريك. يمكن أن يشتمل تكوين جزيء الحمض النووي على واحد من أربعة أنواع من النيوكليوتيدات ، يتم تحديد خصوصيتها بواسطة القاعدة النيتروجينية: الأدينين (A) ، الثايمين (T) ، السيتوزين (C) ، الجوانين (G). يمكن تمثيل جزيء الحمض النووي كنص ضخم يتكون من سلسلة من أربعة أحرف A ، T ، C ، G في مجموعات مختلفة. تم اقتراح نموذج مماثل للحمض النووي في عام 1953 من قبل عالم الكيمياء الحيوية الأمريكي J. Watson وعالم الفيزياء الحيوية الإنجليزي F. Crick. وفي عام 1962 ، حصل هؤلاء العلماء وعالم الفيزياء الحيوية إم. ويلكينز على جائزة نوبل لفك الرموز الكود الجيني.
ترتبط سلاسل الحمض النووي ببعضها البعض بواسطة روابط هيدروجينية ، ويرتبط الأدينين دائمًا بالثيمين ، والسيتوزين بالجوانين. يسمى هذا الارتباط بين القواعد النيتروجينية المتوافقة هيكليًا مع بعضها البعض مبدأ التكامل. يلزم الجمع بين ثلاثة نيوكليوتيدات لتشفير حمض أميني واحد. يسمى جزء جزيء الحمض النووي الذي يعمل كقالب لتخليق بروتين واحد بالجين. يؤدي تغيير تسلسل النيوكليوتيدات في سلسلة الحمض النووي إلى حدوث طفرات.
آلية تكاثر الكائنات الحية هي عبارة عن توليف مصفوفة للبروتينات ، والتي تحدث على عدة مراحل. أولاً ، تنكسر الروابط الهيدروجينية لجزيء الحمض النووي المزدوج وتتشكل خيوط مفردة ، تعمل كمصفوفة. ثم يبني كل خيط خيطًا جديدًا على سطحه. ترتبط سلاسل جديدة بالسلسلة القديمة وفقًا لمبدأ التكامل. نتيجة لذلك ، يتم تكوين جزيئين متطابقين من الحمض النووي.
تلعب جزيئات الحمض النووي الريبي دورًا أساسيًا في عملية تخليق البروتين. جزيء الحمض النووي الريبي هو خيط مفرد من النيوكليوتيدات. يشتمل جزيء الحمض النووي الريبي أيضًا على أربع قواعد نيتروجينية: ثلاثة منها - الأدينين والسيتوزين والجوانين - تشبه القواعد النيتروجينية التي تشكل جزيء الحمض النووي ، والرابعة - اليوراسيل (U) - مختلفة. من جزيء الحمض النووي ، يتم نقل الشفرة الجينية إلى جزيء الرنا المرسال ، وهو نسخة من جزء من الحمض النووي ، أي واحد أو أكثر من الجينات المجاورة. يتم تصنيع البروتين في الريبوسومات بناءً على الكود الجيني للحمض النووي الريبي المرسال. يتم تسليم الأحماض الأمينية اللازمة لتخليق البروتين إلى الريبوسوم باستخدام نقل الحمض النووي الريبي. لا تستغرق عملية تخليق البروتين بأكملها أكثر من 6 دقائق. آلية تخليق مصفوفة البروتين ليست نسخًا بسيطًا ، بل نسخ مع تغييرات جزئية ، مما يجعل من الممكن وراثة الصفات والانحرافات المنفصلة عن الحالة الأولية.
واحدة من أهم و المهام الأكثر إثارة للاهتماممواجهة العلم الحديث، هو فك الجينوم البشري الجينومهي مجموعة من الجينات تتركز في مجموعة واحدة من الكروموسومات كائن معين. في عام 1988 ، لحل هذه المشكلة ، بمبادرة من J. Watson ، تم إنشاء المنظمة الدولية "الجينوم البشري". وفقًا لتقديرات مختلفة ، يحتوي الجينوم البشري على ما بين 50000 إلى 100000 جين. سيؤدي النجاح حتى في المرحلة الأولى من فك التشفير (تحديد تسلسل أزواج النيوكليوتيدات) إلى فهم أسباب وآليات مختلف الأمراض الوراثية والمعدية وما إلى ذلك ، وسيسمح بالتطور طرق فعالةمعاملتهم.
فرص جديدة تفتح الهندسة الوراثية.تم تطوير الهندسة الوراثية ، أو تقنية الحمض النووي المؤتلف ، في السبعينيات. على أساس توليف طرق البيولوجيا الجزيئية وعلم الوراثة. الهندسة الوراثية هي فرع من فروع علم الأحياء الجزيئي الذي يدرس إمكانيات البناء المستهدف لهياكل بيولوجية جديدة بخصائص محددة مسبقًا من خلال التدخل المباشر في الجهاز الجيني والجمع بين المواد الوراثية الطبيعية أو الاصطناعية.
في مؤخراالخامس الهندسة الوراثيةيجري التحقيق في مجموعة كاملة من القضايا المتعلقة بتنوع الجينوم. اتضح أنه يوجد في الكروموسومات والسيتوبلازم للخلية سطر كاملالمركبات الكيميائية الحيوية التي تكون في حالة فوضوية وقادرة على التفاعل مع هياكل الأحماض النووية لكائن حي آخر. هذه المركبات البيوكيميائية كانت تسمى البلازميدات. البلازميدات قادرة على الاندماج في خلية المتلقي وتنشيطها تحت تأثير معين عوامل خارجية. يعني الانتقال من الحالة الكامنة إلى الحالة النشطة دمج المادة الوراثية للمانح مع المادة الوراثية للمتلقي. إذا كان التركيب الناتج وظيفيًا ، فسيبدأ تخليق البروتين. من الواضح أن استخدام هذه الآلية، يمكنك تغيير الحمض النووي عن طريق برمجته لتخليق بروتينات معينة. بناءً على هذه التقنية ، تم تصنيع الأنسولين في عام 1978 ، وهو بروتين يساعد في مكافحة مرض السكري.
تظهر العناصر الجينية المهاجرة أوجه تشابه كبيرة مع الفيروسات. يشير اكتشاف ظاهرة نقل الجينات ، أي نقل المعلومات الجينية إلى الخلايا النباتية والحيوانية بمساعدة الفيروسات التي تشمل جزءًا من جينات الخلية المضيفة الأصلية ، إلى أن الفيروسات والتكوينات الكيميائية الحيوية المماثلة تشغل مكان خاصفي التطور. يرى بعض العلماء أن هجرة المركبات الكيميائية الحيوية يمكن أن تسبب تغيرات أكثر خطورة في جينومات الخلية من الطفرات. إذا تبين أن هذا الافتراض صحيح ، فسيتعين مراجعة الأفكار الحالية حول آليات التطور بشكل جوهري. الآن يتم طرح فرضيات حول الدور المهم للفيروسات في خلط المعلومات الجينية لمختلف المجموعات السكانية ، وظهور القفزات في العملية التطورية ، باختصار ، نحن نتحدث عن أهم دور للفيروسات في العملية التطورية.
مما لا شك فيه أن الهندسة الوراثية توفر المفتاح لحل العديد من المشكلات العلمية والطبية وحتى الصناعية التي تواجه البشرية ، ولا سيما إنشاء كائنات ذات خصائص محددة مسبقًا وعلاجها. الأمراض الوراثيةعن طريق "زرع" الجينات الفردية (العلاج الجيني) ، وخلق لقاحات آمنة وفعالة للغاية الأدوية، وشرح تكوين المناعة والتسرطن ، مما سيسمح للبشرية بمكافحة الأمراض التي لا تزال تعتبر غير قابلة للشفاء ( أمراض الأورام، الإيدز ، إلخ). بالإضافة إلى ذلك ، ستؤدي البيانات الجديدة في البيولوجيا الجزيئية وإمكانيات الهندسة الوراثية إلى زيادة متوسط العمر المتوقع للإنسان بشكل كبير.
في الوقت نفسه ، يرتبط تطوير الهندسة الوراثية بالخطر ، ولا يزال من الصعب تقييم معالمها ومداها. أولاً ، يمكن إنشاؤه الكائنات المعدلةبخصائص غير مرغوب فيها أو غير متوقعة. ثانيًا ، أدى إدخال تقنيات الجينات بالفعل إلى إنشاء العديد من الكائنات الحية الدقيقة المؤتلفة ، والتي أدى انتشارها إلى ظهور أمراض جديدة. ثالثًا ، عواقب العلاج الجيني (التدخل المباشر في التركيب الوراثي البشري) ، الذي تم تنفيذه لعدة سنوات ، لا تزال غير معروفة أيضًا. سيتمكن العلماء من التحدث بثقة حول كيفية تصرف الجين الذي يتم إدخاله في الخلية في غضون 10 إلى 20 عامًا. الرابع ، هناك خطر حقيقياستخدام منتجات الهندسة الوراثية للأغراض العسكرية. هذا هو السبب في أن أي بحث نظري وتجارب عملية بشكل خاص في هذا المجال تتطلب الحذر والإعداد الجاد والتنظيم الصارم. ومع ذلك ، خلص الاتحاد الأوروبي للجمعيات الميكروبيولوجية الأوروبية في مذكرة عام 1996: "إذا تم استخدام تقنيات الجينات بحكمة ، فإن فوائدها سوف تفوق بكثير مخاطر العواقب السلبية ؛ سوف تساهم تقنيات بناء الحمض النووي المؤتلف مساهمة كبيرة في الصحة العامة ، في تطوير المستدام زراعة، في إنتاج الغذاء ، إلى تنظيف البيئة. "
كما تتضح الإمكانيات العملية لعلم الأحياء الحديث من خلال تجارب الاستنساخ التي نُشرت نتائجها في السنوات الاخيرة. مصطلح "استنساخ" يأتي من الكلمة اليونانية klon - الفرع ، تبادل لاطلاق النار. استنساخ- هذا هو تكاثر دقيق (على المستوى الجيني) لكائن حي في ص اومعدد النسخ. أثناء الاستنساخ ، يتم الحفاظ على جينات الفرد المتبرع ونقلها بالكامل إلى النسل المولود. في هذه الحالة ، فإن جينات الوالدين المتبرعين والأطفال المستنسخين ليست متشابهة فقط ، كما في حالة التكاثر الجنسي ، ولكنها متطابقة تمامًا.
إن حالات الاستنساخ الطبيعي معروفة منذ زمن طويل. هذا ، على سبيل المثال ، هو ولادة توائم متطابقة تحمل نفس مجموعات الجينات. لا يُعرف الاستنساخ الاصطناعي للنباتات عن طريق العقل أو البراعم أو الدرنات فحسب ، بل إنه يُستخدم منذ أكثر من 4000 عام. ظهرت إمكانية الاستنساخ الاصطناعي للحيوانات فقط في القرن العشرين. في 1950s بدأ العلماء الأمريكيون في إجراء تجارب على استنساخ أجنة البرمائيات ، باستخدام طريقة زرع نوى الخلايا الجنينية في بيض خالٍ من النوى (منزوع النواة). في 1970s بدأت التجارب على استنساخ الفئران ، والتي ، مع ذلك ، لم تكن ناجحة جدًا - ماتت أجنة الحيوانات المستنسخة في المراحل المبكرة.
ظهرت المعلومات الأولى حول الاستنساخ الناجح للحيوانات في الثمانينيات. كانت هذه تجارب على الأرانب والخنازير والأبقار والأغنام. في 1993-1995 حصل العالم الإنجليزي J. توفي شخصان مستنسخان بعد الولادة بفترة وجيزة ، والثالث - عن عمر يناهز 10 أيام ، وبلغ الاثنان الآخران سن 8-9 أشهر. ومع ذلك ، لم تخلق هذه التجارب إحساسًا مثل ظهور النعجة دوللي في ربيع عام 1997. كانت آلية استنساخ دوللي على النحو التالي. تم عزل البيض من الأغنام من السلالة الاسكتلندية ذات الوجه الأسود ووضعها في وسط مغذي اصطناعي. بعد ذلك ، تمت إزالة نواتها من الخلايا و "امتلأت" بالمواد الجينية للفرد المتبرع المستنسخ. لهذا الغرض ، تم استخدام خلايا الغدة الثديية لأغنام حامل تبلغ من العمر ست سنوات من سلالة دورست الفنلندية. ثم تمت زراعة الأجنة في قناة البيض المربوطة للأغنام المتلقية. من الناحية الظاهرية ، تبين أن دوللي تشبه تمامًا الأغنام الفنلندية دورست ، التي كانت بمثابة مانح ، وكانت مختلفة تمامًا عن الأغنام الاسكتلندية ذات الوجه الأسود المتلقية.
بعد هذا النجاح ، بدأ بعض العلماء يتحدثون عن حقيقة أن التكنولوجيا التي أدت إلى ظهور النعجة دوللي يمكن تطبيقها على البشر. أثارت هذه المعلومات نقاشًا ساخنًا ، كشف عن ظهور العديد من الأسئلة الأخلاقية والقانونية فيما يتعلق بإمكانية الاستنساخ البشري. والحقيقة أنه من بين 277 تجربة أجريت على أجنة الأغنام ، نجحت تجربة واحدة فقط ، مما يعني أن استنساخ شخص باستخدام هذه التقنية لا يضمن عدم ظهور النزوات ، واحتمال تكوينها لا يقل عن 276: 1. هذا يمكن استخدام الحقيقة وحدها كأساس لوقف التجارب على الاستنساخ البشري ، لأن النتائج السلبية المحتملة لمثل هذه التجارب تتجاوز بكثير النتائج الإيجابية.
من الناحية النظرية ، يمكن أن يكون الاستنساخ البشري الجوانب الإيجابية: حل مشكلة العقم ، وإنشاء بنك احتياطي من الخلايا والأنسجة ، وما إلى ذلك ، لكنها ضئيلة في ظل مخاطر كبيرة من النتائج السلبية التي يمكن أن تسبب أضرارًا جسيمة لصحة الناس ورفاههم وسلامتهم. إن الاستنساخ البشري ، بالطبع ، يفتح فرصًا هائلة يصعب تخيلها بالكامل ، لكنه يثير أيضًا أسئلة جديدة ، والبحث عن إجابات يتطلب تفكيرًا فلسفيًا ، وفي بعض الحالات ، حتى إرادة سياسية. تبين أن الحلول البديهية في مجال الاستنساخ البشري غير كافية ، لأن المستقبل التطوري للبشرية يعتمد بشكل مباشر على محتوى الإجابات.
في هذه الحالة ، يتحدث معظم العلماء والسياسيين عن الحاجة إلى فرض حظر على تجارب الاستنساخ البشري. لذلك ، في أكتوبر 1997 ، فور نشر نتائج استنساخ النعجة دوللي ، أعلن الاتحاد الأمريكي للجمعيات العلمية لعلماء الأحياء التجريبية عن وقف اختياري لمدة خمس سنوات لتجارب استنساخ البشر. يحظر القانون استنساخ البشر في المملكة المتحدة والولايات المتحدة وروسيا. ومع ذلك ، في أبريل 2002 ، ذكرت وكالات الأنباء في العالم أن أول إنسان مستنسخ يمكن أن يلد امرأتين في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية السابقومواطنة من دولة إسلامية لم تذكر اسمها حامل باستنساخ من ستة إلى تسعة أسابيع.
تم الحصول على هذه المعلومات من متخصص إيطالي في التلقيح الاصطناعي S. Antinori. هذه الحقيقة ، حتى لو لم يتم تأكيدها ، تشير إلى استمرار الصراع بين مؤيدي الاستنساخ البشري ومعارضيه.
5.7 نظرية التطور التركيبية
تم التغلب على الصعوبات التي واجهتها النظرية الكلاسيكية للتطور ، ولا سيما في شرح ظاهرة الوراثة ، من خلال توليف النظرية التطورية لتشارلز داروين وعلم الوراثة لجي مندل. نتيجة لذلك ، في الثلاثينيات تم انشائه نظرية التطور التركيبية ،التي لم تصبح جوهر علم الوراثة السكانية فحسب ، بل سمحت أيضًا بالتشكل نظام واحدمن جميع المعارف البيولوجية الحديثة. يرتبط إنشاء نظرية التطور التركيبية بأسماء S. Chetverikov و R. Fisher و S. Wright و J. Haldane و N. Dubinin.
على النقيض من المفهوم التطوري الكلاسيكي لتشارلز داروين ، الذي يعتبر الأنواع كوحدة للتطور ، تنص النظرية التركيبية للتطور على أن السكان (5.5) هو البنية التطورية الأولية. السكان هم الذين يمتلكون خصائص نظام متكامل التنظيم ذاتيًا وهو أمر ضروري للتغييرات الوراثية. يعتبر التغيير المستقر في النمط الجيني للسكان ظاهرة أولية للعملية التطورية. "وحدة" الوراثة هي جين - جزء من جزيء DNA مسؤول عن تطوير علامات معينة لكائن حي. الآلية الرئيسية للعملية التطورية هي اختيار الكائنات الحية ذات الطفرات التي تكون مفيدة للتكيف مع البيئة.
تحدث التغيرات الوراثية تحت تأثير عدد من العوامل التطورية ، من بينها العوامل الرئيسية:
عملية الطفرة - التغيرات الطفرية التي توفر المواد للتطور ؛
الموجات السكانية - التقلبات السكانية حول مستوى متوسط معين ؛
العزلة - عزل السكان لتدعيم سمة جديدة ؛
الانتقاء الطبيعي هو العامل الرئيسي في التطور - بقاء الأفراد الأصلح وولادة ذرية سليمة.
العوامل التطورية الثانوية هي تواتر تغير الأجيال في المجموعات السكانية ، ومعدل عمليات الطفرات وطبيعتها ، وما إلى ذلك. تعمل جميع العوامل التطورية معًا وبشكل فردي ، مما يتسبب في حدوث تغيير في التركيب الجيني للسكان.
الطفرات- هذه تغيرات في الخصائص الوراثية للكائنات الحية داخل مجتمع ما ، تنشأ بشكل طبيعي أو اصطناعي وتوفر المادة الرئيسية للتطور. عوامل تسبب الطفراتتسمى المطفرات. المطفرات نظام درجة الحرارة، وتأثير المواد السامة ، والإشعاع ، والعادات الغذائية ، وما إلى ذلك. تشتمل البيولوجيا الجزيئية الحديثة على الفيروسات من بين أخطر مسببات الطفرات (5.6). تظهر الطفرات بشكل عشوائي ، ومعظمها إما محايد أو ضار. غالبًا ما تسبب الطفرات الضارة موت كائن حي ، وكقاعدة عامة ، في مراحل مبكرة من تكون الجنين. الطفرات الضارة التي لم تؤد إلى نتيجة قاتلة، يتم التخلص منها أثناء الانتقاء الطبيعي. الطفرات المواتية نادرة للغاية ، لكنها هي التي تمنح الكائن الحي ميزة تطورية. يسمح ظهور طفرة مفيدة للكائن الحي بالتكيف بشكل أفضل مع البيئة ، والنضال بنجاح أكبر من أجل الوجود ، وترك نسل قابل للحياة ومتعدد. لذلك ، تتراكم التغييرات العشوائية المواتية تدريجياً في السكان ، ويتم إصلاحها في عدد من الأجيال وتسهم في تطور الأنواع.
موجات من الأرقامالتي تسمى أحيانًا "موجات الحياة" ، تحدد التقلبات في حجم السكان حول قيمة متوسطة معينة. البحث الحديثأظهر أن التجمعات المتوسطة الحجم هي الأكثر ملاءمة لظهور خصائص جديدة وظهور أنواع جديدة. في المجموعات السكانية الكبيرة جدًا ، يصعب ظهور التغييرات الوراثية. في التجمعات السكانية الصغيرة جدًا ، يعتمد ظهور سمات جديدة على عمليات عشوائية يمكنها تغيير عدد الطفرات المواتية النادرة بشكل كبير.
عازلة- عامل آخر في العملية التطورية ، ضروري لضمان عدم تمكن السكان من التزاوج مع مجموعات أخرى من الكائنات الحية وتبادل المعلومات الجينية معهم. إن عزل السكان يجعل من الممكن تعزيز التمايز بين مجموعة الجينات الخاصة بهم. أشار تشارلز داروين إلى الحاجة إلى العزلة لتشكيل أنواع جديدة من الكائنات الحية في نظرية التطور الكلاسيكية (2.5) ، لكنه لم يستطع تفسير هذه الظاهرة.
النفعية في الحياة البرية هي نتيجة لذلك الانتقاء الطبيعي،من المتكلم القوة الدافعةوالعامل الرائد في التطور. الانتقاء الطبيعي هو نتيجة لتفاعل السكان مع البيئة. يعمل الانتقاء في جميع مراحل تطور الكائن الحي ، وتخضع له جميع الخصائص دون استثناء. في النظرية التطورية الكلاسيكية ، تم تعريف الانتقاء الطبيعي على أنه عملية بقاء أصلح الكائنات الحية. يركز علم الأحياء التطوري الحديث على الجانب الآخر من هذه الظاهرة. يُفهم الانتقاء الطبيعي الآن على أنه استبعاد من تكاثر الأفراد الأقل تكيفًا مع الظروف البيئية. في هذا الصدد ، اقترح عالم الأحياء الإنجليزي ج. هكسلي مصطلح "تدمير غير المعدَّل" ، والذي ، من وجهة نظره ، يميز بشكل أكثر دقة آلية الانتقاء الطبيعي.
تعمل عوامل التطور المذكورة أعلاه على مستوى التطور الجزئي والكلي. يعد الاختلاف بين مفاهيم التطور الجزئي والكلي إنجازًا علميًا آخر أتاحته نظرية التطور التركيبية. تم إدخال المصطلحات نفسها في الاستخدام العلمي في عام 1927 من قبل عالم الوراثة الروسي Yu.A. فيليبشينكو. التطور الجزئيهي مجموعة من التغيرات التطورية داخل السكان خلال فترة زمنية قصيرة نسبيًا ، مما يؤدي إلى ظهور أنواع جديدة من الكائنات الحية. التطور الكبير- مجموعة من التحولات التطورية في جميع أنحاء فترة طويلةالوقت ، مما يؤدي إلى ظهور أشكال جديدة فوق محددة لتنظيم الأحياء.
5.8 علم البيئة وعقيدة المحيط الحيوي
مجموع كل التكوينات الحيوية على سطح الأرض ، متصل بالتبادلالمادة والطاقة والمعلومات تسمى المحيط الحيوي. المحيط الحيوي- هذا نظام متكامل ذاتي التنظيم ، ويتألف من مكونات مختلفة (الأنظمة البيئية ، والتكاثر الحيوي ، والسكان ، والكائنات الحية ، وما إلى ذلك) ، والتي بدورها يمكن اعتبارها أنظمة مستقلة ذاتية التنظيم. يشمل الغلاف الحيوي جزءًا من الغلاف الجوي والغلاف المائي الجزء العلويالغلاف الصخري. تقع الحدود العليا للغلاف الحيوي على ارتفاع 30 كم تقريبًا فوق سطح الأرض ، والحد الأدنى - يصل إلى 10 أمتار في القشرة الأرضية. في الوقت نفسه ، تم العثور على بعض الكائنات الحية على عمق يصل إلى 11 كم. كما أن نطاقات درجات الحرارة التي يمكن أن توجد فيها الحياة محدودة أيضًا: من -2520 إلى + 180 درجة مئوية. الكائنات الحية على سطح الأرض محمية من الأشعة فوق البنفسجية بواسطة طبقة الأوزون. يُعتبر المحيط الحيوي نظامًا واحدًا تظل فيه كتلة المادة الحية ، على الرغم من جميع التغييرات والانتقالات من حالة إلى أخرى ، على نفس المستوى. يتم تحديد هيكل وتكوين وطاقة المحيط الحيوي من خلال الأنشطة الماضية والحالية لجميع الكائنات الحية ، بما في ذلك البشر. يؤكد الفهم الحديث للمحيط الحيوي على الترابط والتأثير المتبادل بين الطبيعة الحية وغير الحية ؛ المحيط الحيوي هو الكائنات الحية وبيئتها. لقد حدثت بالفعل التحولات النوعية للمحيط الحيوي أكثر من مرة خلال مسار التطور الجيولوجي والبيولوجي ، والذي رافقه اختفاء بعض الأنواع البيولوجية وظهور أنواع أخرى.
تم استخدام مصطلح "المحيط الحيوي" لأول مرة في عام 1875 من قبل العالم النمساوي إي. سويس ، الذي فهم المحيط الحيوي على أنه "مجموعة من الكائنات الحية محدودة في المكان والزمان وتعيش على سطح الأرض". وهكذا ، فإن مفهوم "المحيط الحيوي" يشير في البداية إلى مجمل الكائنات الحية فقط. تم تفسير العلاقة بين الطبيعة الحية وغير الحية من جانب واحد: لوحظ اعتماد الكائنات الحية على العوامل الكيميائية والفيزيائية والجيولوجية وما إلى ذلك ، لكن التأثير العكسي ظل بعيدًا عن نظر العلماء. قال العالم والفيلسوف الروسي ف. فيرنادسكي.
الفكرة المركزية لـ V.I. كانت فكرة Vernadsky هي فكرة المادة الحية - مجموع كل الكائنات الحية على هذا الكوكب. في عملية الحياة ، تحصل الكائنات الحية من البيئة على ما هو ضروري مواد كيميائيةوبعد الموت يعيدونهم ، وهكذا يكون الأحياء وغير الأحياء في تفاعل مستمر. في و. يؤكد Vernadsky تأثير نشطالكائنات الحية في مادة خاملة. في رأيه ، المادة الحيةيشكل جزءًا ضئيلًا من المحيط الحيوي من حيث الحجم والوزن ، ولكنه المكون المحدد له. الكائنات الحية هي القوة الجيوكيميائية التي تلعب دورًا رائدًا في تشكيل مظهر كوكبنا.
خلال التطور الجيولوجييزداد تأثير المادة الحية على المادة الخاملة فقط ، وهو ما يتم التعبير عنه ، مثل V. Vernadsky ، "في التدفق الحيوي المستمر للذرات من المادة الحية إلى المادة الخاملة للمحيط الحيوي والعودة." أكد العالم الروسي على سلامة وتناغم المحيط الحيوي: "يمكنك التحدث عن كل أشكال الحياة ، عن كل المواد الحية ككل في آلية المحيط الحيوي - يتم أخذ كل شيء في الاعتبار وكل شيء يتكيف بنفس الدقة ، مع نفس الآلية وبنفس التبعية للقياس والانسجام ، والتي نراها في الحركات المتناغمة للأجرام السماوية ونبدأ في رؤيتها في أنظمة ذرات المادة وذرات الطاقة.
تشكل البشرية ، جنبًا إلى جنب مع النباتات والحيوانات ، جزءًا من المادة الحية. ومع ذلك ، على عكس العناصر الأخرى للمحيط الحيوي ، تمارس البشرية تأثيرًا شديدًا ليس فقط على المادة غير الحية ، ولكن أيضًا على المادة الحية نفسها ، مما يؤدي إلى إنشاء أنواع جديدة من النباتات والحيوانات. مع ظهور كائن حي موهوب بالعقل ، ابتكر V. Vernadsky ، الكوكب يدخل مرحلة جديدة نوعيا في تاريخه. تسمى مرحلة تطور المحيط الحيوي المرتبطة بظهور الإنسان نووسفير.تأتي كلمة "noosphere" من الكلمة اليونانية noos - mind. تم تقديم مفهوم noosphere من قبل العالم الفرنسي E. Leroy في عام 1927. إن noosphere هي مجال العقل ، مجال التفاعل بين الإنسان والطبيعة ، حيث يكون النشاط العقلاني هو العامل الرئيسي في التطور.
تعاليم ف. لم يتطور Vernadsky حول noosphere ، الذي تم إنشاؤه في ثلاثينيات القرن الماضي ، إلى نظرية كاملة ، علاوة على ذلك ، استخدم العالم الروسي مفهوم noosphere ذاته في معان مختلفة. في فهمه ، فإن noosphere هي: ظاهرة جيولوجية جديدة ، يكمن جوهرها في قدرة الشخص على تحويل الأرض بعمله وفكره ؛
مجال تجلي الفكر العلمي: "تكتسب العملية التطورية أهمية جيولوجية خاصة لأنها خلقت قوة جيولوجية جديدة - الفكر العلمي للإنسانية الاجتماعية" ؛
العامل الرئيسي في التحول والمزيد من التطور في المحيط الحيوي: "الإنسان ، من خلال نشاطه ، يخلق طبيعة حية جديدة".
تم الحصول على أحدث تعريف معنى جديدوذات أهمية خاصة بعد عقود - بعد ظهور البيولوجيا الجزيئية ، وتطوير الهندسة الوراثية ، وتجارب الاستنساخ ، إلخ.
تم تطوير مفهوم noosphere أيضًا من قبل العالم الروسي A.L. تشيزيفسكي. في رأيه ، فإن noosphere ليس فقط ظاهرة أرضية ، ولكن أيضًا ظاهرة كونية ، والشخص ، كجسيم من noosphere ، هو كائن كوني. نووسفير هو وحدة حية وذكية وكونية. لإثبات هذه الفكرة ، أ. استخدم Chizhevsky البيانات من ملاحظاته الخاصة. تلخيصًا لكمية هائلة من المواد الواقعية ، لفت الانتباه إلى نوع من التزامن بين النشاط الشمسي - تكوين البقع الشمسية - والقتال على جبهات الحرب العالمية الأولى. أ. طرح تشيزيفسكي فكرة الإيقاعات الكونية ، التي لا تعتمد عليها العمليات البيولوجية فحسب ، بل أيضًا العمليات الاجتماعية على الأرض. وفقًا للحسابات التي أجراها العالم الروسي ، تحدث ما يصل إلى 5 ٪ من جميع الإجراءات الاجتماعية المهمة خلال فترة الحد الأدنى من النشاط الشمسي ، وما يصل إلى 60 ٪ خلال الفترة القصوى. بعد عقود ، ظهرت أفكار A.L. لا تزال Chizhevsky ذات صلة ، علاوة على ذلك ، فهي بمثابة أساس للبحث النظري والعملي في علم الأحياء والطب.
تم تطوير مفهوم noosphere في أعمال العالم والفيلسوف الفرنسي P. Teilhard de Chardin. في رأيه ، فإن noosphere هي إحدى مراحل تطور العالم ، والتي يتجلى فيها "الوعي الهادف". "الوعي الهادف" هو عقل الشخص وإرادته ، ويسمح لك الفعل بالتخلص التدريجي من التناقضات بين الإنسان والطبيعة والتحكم في اتجاه التطور المستقبلي للكوكب. كما كتب تيلار دو شاردان ، فإن ظهور الذكاء يعني "تحول يؤثر على حالة الكوكب بأسره".
في سياق الفكر الفلسفي الحديث ، فإن مفاهيم noosphere تأملية. بعض أحكام نظريات نووسفير هي طوباوية بصراحة ، لأنها تختزل الشخص إلى وضع واحد ، وإن كان ضروريًا ، - معقول.
أدى تطوير مفهوم المحيط الحيوي إلى الخلق علم جديد علم البيئة.تأتي كلمة "علم البيئة" من الكلمة اليونانية oikos - الإقامة والسكن والشعارات - التدريس. المعنى الحرفي لمصطلح "علم البيئة" هو عقيدة الإسكان ، عقيدة المنزل. علم البيئة هو علم يدرس تفاعل الكائنات الحية مع بعضها البعض ومع البيئة ، أي المجموعة الكاملة من الاتصالات والتفاعلات في المحيط الحيوي وطرق الحفاظ على التوازن في هذا النظام. تم تقديم مصطلح "علم البيئة" في عام 1866 من قبل عالم الأحياء الألماني E. Haeckel.
ظهرت علم البيئة كنظام علمي في بداية القرن العشرين. - في عام 1913 ، عقد المؤتمر الدولي الأول حول القضايا البيئية في سويسرا. ومع ذلك ، لم يتم النظر بجدية في التهديد البيئي إلا في السبعينيات. كان أعضاء نادي روما ، الذين اجتمعوا في عام 1968 لمناقشة المشكلات العالمية التي تواجه البشرية ، أول من تحدث عن المشكلة البيئية. في عام 1972 ، عُقد أول مؤتمر للأمم المتحدة مكرس لمشاكل البيئة ، حيث تم الاعتراف بحقيقة الأزمة البيئية العالمية. بعد ذلك ، بدأ ليس المتخصصون فقط ، ولكن أيضًا عامة الناس يتحدثون عن التهديد البيئي ، والذي أدى بدوره إلى تغيير في مكانة العلوم البيئية وتطورها السريع. من تخصص تابع في إطار علم الأحياء ، تحولت البيئة إلى مجموعة من الدراسات متعددة التخصصات ذات عنصر أيديولوجي واضح. لقد تجاوزت البيئة حدود ليس فقط علم الأحياء ، ولكن أيضًا حدود العلوم الطبيعية بشكل عام. ضمن العلوم البيئية ، هناك العديد من الأقسام التي يمكن اعتبارها مجالات بحثية مستقلة تمامًا: البيئة العالمية ، والاجتماعية ، والطبية ، والتاريخية ، والأخلاقية ، والصناعية ، وما إلى ذلك. إن أفكار ومبادئ هذا العلم أيديولوجية بطبيعتها ، لذلك ترتبط البيئة ليس فقط مع علوم الإنسان والثقافة ، ولكن أيضًا مع الفلسفة. تسمح لنا هذه التغييرات الجادة بالقول إنه على الرغم من تاريخ مائة عام ، إلا أن علم البيئة لا يزال علمًا حديث العهد. طرق حل المشاكل البيئية والديموغرافية والطبية الحيوية الناتجة هي الموضوع المركزي لعلم البيئة.
في سياق التطور البشري من الاستهلاك الأولي الموارد الطبيعيةانتقل إلى التدخل النشط في الحياة الفطرية وتحولها. لقد أنشأ موطنًا صناعيًا: أشياء من الثقافة المادية والروحية ، وأنظمة بيئية اصطناعية ، ومعدات ، وما إلى ذلك. في الوقت الحالي ، دمرت البشرية بالفعل حوالي 70 ٪ من النظم البيئية الطبيعية. من الواضح أن مثل هذا النشاط النشط يؤثر بشكل كبير على طبيعة العمليات في المحيط الحيوي: يؤدي نمو البيئة الاصطناعية إلى تدمير البيئة الطبيعية. الطبيعة الحيةلا يبقى سلبيا. يصعب أحيانًا التنبؤ بالاستجابة.
من الواضح أن الشخص لا يمكنه التخلي عن نشاطه ، الذي هو أساس وجوده ، أي أنه سيواصل حتما التأثير على العمليات التي تحدث في المحيط الحيوي. لذلك ، يتحدث علماء البيئة عن الحاجة إلى تنسيق العلاقات بين المجال الحيوي ، واللافور ، والتكنوسفير. ومع ذلك ، لا يمكن أن يظل التأثير على الطبيعة تلقائيًا وغير خاضع للسيطرة ، وإلا ستهلك البشرية صِنف. من المفارقات أن يجد الشخص نفسه ، وهو يتحرر من الطبيعة ، مرتبطًا بها ارتباطًا وثيقًا أكثر فأكثر. تدفع المشاكل البيئية المتزايدة لإدراك هذا الظرف.
أحد الجوانب الخاصة مشكلة بيئيةهو تأثير الاحتباس الحراري. يرتبط حدوث هذا التأثير باستخدام الوقود الأحفوري: الفحم والنفط والغاز ، والتي هي بالفعل منذ وقت طويلتم استبعادها من تداول المواد. يؤدي حرق الوقود الأحفوري إلى حقيقة أن ما يصل إلى 20 مليار طن تنبعث في الغلاف الجوي كل عام. ثاني أكسيد الكربون. لم يعد يتم تعويض الانبعاثات الصناعية لثاني أكسيد الكربون بعمليات التمثيل الضوئي ، التي يتم خلالها إنتاج الأكسجين. يؤثر ثاني أكسيد الكربون بشكل كبير على التوازن الحراري لكوكبنا ، لأن ثاني أكسيد الكربون ينقل ضوء الشمس إلى الأرض ، لكنه يمتص الأشعة تحت الحمراءتسير في الاتجاه المعاكس. نتيجة تأثير الدفيئة هي الاحتباس الحراري. يؤدي ارتفاع درجات الحرارة العالمية إلى ذوبان الجليد القطبي والقاري وارتفاع مستويات سطح البحر. ترجع حدة هذه المشكلة إلى حقيقة أنه من أجل التغيير تكوين الغازالغلاف الجوي للأرض وعودتها إليه الحالة الطبيعيةلن يستغرق الأمر حتى عشرات السنين ، بل مئات السنين. لقد نظرت الأمم المتحدة بالفعل في فرض ضريبة على انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي - ما يسمى بالضريبة البيئية - من أجل استخدام الموارد المالية المتلقاة لإعادة التحريج.
عنصر آخر من مكونات الأزمة البيئية العالمية هو تدمير طبقة الأوزون. يوجد الأوزون في طبقة الستراتوسفير (من 10 إلى 50 كم فوق مستوى سطح البحر) ويعمل كمرشح طبيعي يمتص الأشعة فوق البنفسجية الضارة بالحياة. إن تدمير طبقة الأوزون هو نتيجة لتلوث الستراتوسفير ، حيث تتحرك المواد الخطرة بسرعة كبيرة على طول سطح الأرض ، منتشرة على مسافات طويلة.
وهناك خطر بيئي كبير يتمثل أيضًا في المركبات الحمضية المنبعثة في الغلاف الجوي جنبًا إلى جنب مع غازات نقل المحركات والدخان من محطات الطاقة الحرارية ، وما إلى ذلك. ينتج عن التلوث الحمضي للغلاف الجوي ترسيب حامضي ، والذي بدوره يلوث التربة والأجسام المائية.
في السنوات الأخيرة ، أصبحت قضية التخلص من النفايات المشعة أكثر حدة ، والتي تعد أيضًا جزءًا من مشكلة البيئة العالمية. لا تزال آليات هجرة المواد المشعة في التربة غير مفهومة جيدًا ، وبالتالي فإن موثوقية دفن النفايات المشعة تحت الأرض (تعتبر هذه التقنية "الأكثر نظافة") ليست مطلقة.
من حيث محددة نسبيا قرارات سريعةلإخراج البشرية من المأزق البيئي ، يقترح القوة بحث علمييبحث مصادر بديلةطاقة. تعتبر الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والنووية الحرارية والنووية أشكالًا بديلة للطاقة. بطبيعة الحال ، فإن استخدام أنواع جديدة من الطاقة لا يحل جميع المشاكل البيئية للبشرية. وهكذا ، بعد كارثة محطة تشيرنوبيل للطاقة النووية في أبريل 1986 ، أصبحت المخاطر المرتبطة بتوليد واستخدام الطاقة النووية واضحة. إن استخدام الطاقة الشمسية وطاقة الرياح لا يزيل قضية التغيير من جدول الأعمال توازن الحرارةأرض. أما بالنسبة لطاقة الاندماج النووي الحراري ، والتي تبدو إمكانية استخدامها مغرية للغاية ، فهذا الآن يُناقش نظريًا إلى حد ما. هناك عدد من المشكلات النظرية والعملية المرتبطة بتهيئة الظروف اللازمة لإجراء تفاعل اندماج نووي حراري محكوم.
عنصر آخر لحل المشكلة البيئية هو إنشاء تقنيات خالية من النفايات ودورات مغلقة لاستخدام المواد. بالإضافة إلى ذلك ، تجري عمليات البحث عن طرق للتخلص من النفايات باستخدام المعادلة الحرارية الحيوية أو التحييد بمشاركة مجموعات مختلفة من الكائنات الحية.
إن تفاقم المشكلات العالمية يجبر البشرية على البحث عن طرق جديدة للتفاعل مع العالم. الفلاسفة المعاصرونويتحدث المستقبليون عن الحاجة إلى تغيير طرق التطور الحضاري. في جميع التوقعات ، العدو الرئيسي للبشرية هو نفسه. يرتبط التغلب على المشكلات العالمية ، بما في ذلك المشكلات البيئية ، بتحول المواقف القيمية ، والبحث عن إرشادات جديدة للرؤية العالمية ، وتشكيل نوع مختلف من الوعي الجماعي. في الفلسفة الحديثةوالعلم يبحث عن مبادئ جديدة للتفاعل البشري مع البيئة.
إلى الأمام
انتباه! تعد معاينة الشرائح للأغراض الإعلامية فقط وقد لا تمثل النطاق الكامل للعرض التقديمي. إذا كنت مهتمًا بهذا العمل ، فيرجى تنزيل النسخة الكاملة.
الغرض من الدرس: تكوين نظام معرفي بين الطلاب حول وجهات النظر المختلفة حول أصل الحياة على الأرض.
أهداف الدرس:
أولا التعليمية:
- إظهار دور التجربة في حل الخلافات العلمية حول أصل الحياة.
- تعلم كيفية تحليل الفرضيات العلمية الرئيسية حول أصل الحياة.
ثانيًا. النامية:
- الاستمرار في تطوير الرغبة في النشاط المعرفي المستقل.
- الاستمرار في تكوين المهارات الرسمية المنطقية في التفسير ، والتركيب ، والتعريف ، والتعميم.
ثالثا. التعليمية:
- فكري - لمواصلة تشكيل رؤية علمية للعالم.
- بيئي - توحيد المعرفة حول العلاقة بين الطبيعة الحية وغير الحية.
- الأخلاق - تكوين معرفة الطلاب ومعتقداتهم حول المسؤولية البشرية للحفاظ على سلامة المحيط الحيوي لكوكبنا.
تحفيز:
أصل الحياة على كوكبنا هو موضوع مناقشات استمرت قرونًا شارك فيها أكثر من جيل من البشر. هذا مجال معرفي مثير للاهتمام ، وله أهمية علمية وفلسفية وأيديولوجية ، ولا يزال يجذب انتباه الباحثين من مختلف المجالات.
تعد دراسة النظريات المختلفة حول أصل الحياة على الأرض ضرورية لتجميع نظرة شاملة للمسار التاريخي لتطور الطبيعة الحية ، وتشكيل رؤية علمية للعالم.
يجب أن يعرف المتعلمون:
- الأحكام الرئيسية للنظريات حول أصل الحياة ؛
- مناظر حديثةحول أصل الحياة على الأرض (نظرية التطور البيوكيميائي).
يجب أن يكون المتعلمون قادرين على:
- الكشف عن الأحكام الرئيسية للنظريات الرئيسية حول أصل الحياة على الأرض ؛
- أعط وصفًا لتجارب ف.
- الكشف عن الأحكام الرئيسية للأفكار الحديثة حول أصل الحياة على الأرض (نظريات التطور البيوكيميائي) ؛
- صياغة الأحكام الرئيسية لنظرية A.I. Oparin.
معدات الدرس:
- خطة الدرس؛
- خلاصة؛
- مذكرة؛
- مهام التحكم
- عرض تقديمي؛
- حاسوب محمول؛
- جهاز عرض الوسائط المتعددة
- شاشة.
اتصالات متعددة التخصصات:
أ) الفيزياء (تصميم الأدوات ، الظواهر الفيزيائية) ؛
ب) الكيمياء (تكوين الغلاف الجوي ، المواد الكيميائية) ؛
ج) التاريخ (تطور العلم) ؛
د) الفلسفة (تكوين النظرة العلمية) ؛
ه) لغة اجنبية(ترجمة المصطلحات).
أدب المعلم:
- Sivoglazov V.I. ، Agafonov I.B. علم الأحياء العام 10-11. - م: بوستارد ، 2005
- Sivoglazov V.I. ، Sukhova T.S. ، Kozlova T.A. علم الأحياء العام. دليل للمعلم. - م: IRIS PRESS ، 2004
- سوكوفا ت. درس علم الأحياء. تكنولوجيا التعلم التنموي. - م: فينتانا جراف ، 2001
الأدب للطلاب:
1. Sivoglazov V.I. ، Agafonov I.B. علم الأحياء العام 10-11- م: بوستارد ، 2005
الجدول الزمني للدرس:
1. لحظة تنظيمية
التحية ، التحقق من الحاضرين حسب القائمة ، أتمنى عمل ناجحفي الفصل.
2. السيطرة على المستوى الأولي للمعرفة (يشار إلى معايير الإجابات الصحيحة بين قوسين)
الأهداف:
- تحديد مستوى معرفة الطلاب.
- اضبط مستوى تعقيد عرض المواد الجديدة.
1. ما هي السمات (المعايير) الرئيسية التي يمكن تمييز الكائن الحي عن الجماد؟
(وحدة التركيب الكيميائيالكائنات الحية ، والتمثيل الغذائي ، والتهيج ، والنمو ، والتكاثر ، والتنمية ، والتكيف مع البيئة ، والتنظيم الذاتي).
2. أين ومتى نشأت الكائنات الحية الأولى؟ كيف هو شكلهم؟ نمطهم؟ (ظهرت الكائنات الحية الأولى منذ حوالي 3 مليارات سنة في البيئة المائية ، كانت بدائيات النوى أحادية الخلية ، تتغذى على المادة العضوية للمحيط ، اللاهوائية).
3. ما هي مراحل تطور النباتات على الأرض يمكنك تسميتها؟ (أحادي الخلية ، متعدد الخلايا ؛ ظهور التمثيل الضوئي ، العملية الجنسية ، الوصول إلى الأرض ، تطور الغطاء النباتي الأرضي.)
4. ما هي مراحل تطور الحيوانات على الأرض يمكنك تسميتها؟ (وحيدة الخلية ، استعمارية ، متعددة الخلايا ؛ ظهور العملية الجنسية ؛ ظهور اللافقاريات والفقاريات ؛ الوصول إلى الأرض ؛ التعقيد في البنية بسبب نمط الحياة الأرضية.)
5. ما هي المواد التي هي جزء من الكائنات الحية؟
(غير عضوي (ماء ، املاح معدنية) والعضوية (الأحماض الأمينية ، البروتينات ، الدهون ، الكربوهيدرات ، إلخ))
3. دراسة مادة جديدة (يرافق شرح المواد الجديدة عرض تقديمي ، ويشار إلى أرقام الشرائح في النص)
3.1. صياغة المشكلة
كانت الحياة موجودة على الأرض لمليارات السنين. تملأ جميع أركان كوكبنا.
لقد قيل من العصور القديمة إلى زماننا هذا كمية كبيرةفرضيات حول أصل الحياة. تحدد خصوصية الكائنات الحية عددًا من الأسئلة التي تحتاج إلى إجابة عند حل مشكلة أصل الحياة:
- كيف نشأت الحياة وتطورت على كوكبنا؟
- كيف نشأت الخلية؟ الوحدة الهيكليةعلى قيد الحياة؟
- كيف نشأت كل المواد والتراكيب الخاصة بالكائنات الحية؟
- كيف تم تشكيل التمثيل الغذائي الحالي؟ إلخ.
يجب أن نتعرف على فرضيات أصل الحياة ، ونحللها ونكوّن فكرة عن كيفية نشأة الحياة وتطورها على الأرض.
3.2 تطوير أفكار حول أصل الحياة على الأرض (الشريحة رقم 1)
منذ زمن سحيق ، كان أصل الحياة لغزا للبشرية. من لحظة ظهوره ، بفضل العمل ، يبدأ الشخص في التميز بين الكائنات الحية الأخرى.
لكن القدرة على أن تسأل نفسك السؤال "من أين نحن؟" يتلقى الشخص مؤخرًا نسبيًا - منذ 7-8 آلاف سنة.
حتى ذلك الوقت ، كان الإنسان يواجه صعوبة في فصل نفسه عن الحيوانات الأخرى (كان الإنسان في نفس الوقت صيادًا ونوعًا من الألعاب) ، لكنه بدأ تدريجياً في تحديد نفسه من الطبيعة بعالمه الروحي الداخلي. نشأت الأشكال البدائية الأولى للاعتقاد بالقوى غير الواقعية أو الخارقة للطبيعة أو الإلهية منذ 35-40 ألف سنة.
3.3 النظريات الرئيسية لأصل الحياة على الأرض (الشريحة رقم 2)
وفقًا لهذه النظرية ، نشأت الحياة نتيجة لحدث خارق للطبيعة في الماضي ، والذي غالبًا ما يعني خلقًا إلهيًا. نشأت فكرة خلق العالم كـ "عمل إبداعي" من الله ، وهذه الأسطورة تكمن وراء كل الأديان.
"هذه هي الحقائق - يمكن أن تنشأ الكائنات الحية ليس فقط نتيجة تزاوج الحيوانات ، ولكن أيضًا نتيجة تحلل التربة ... بعض النباتات تتطور من البذور ، بينما ينشأ البعض الآخر تلقائيًا تحت تأثير قوى الطبيعة من الأرض المتحللة أو أجزاء معينة من النباتات ... "
ومع ذلك ، مع ظهور المسيحية ، وخاصة في العصور الوسطى ، أصبحت نظرية التولد التلقائي تحت نير الكنيسة. كانت تعتبر من سمات السحر ومظهر من مظاهر الشيطان. ومع ذلك ، استمرت في الوجود.
في مطلع القرنين السادس عشر والسابع عشر. وصف فان هيلمونت (1579 - 1644) تجربة تمكن من خلالها من الحصول على فئران من الكتان المتسخ والقمح في خزانة مظلمة. اعتبر فان هيلمونت أن العرق البشري هو البداية النشطة لولادة فأر. (الشريحة رقم 5)- ل مفهوم التولد الحيوي (من "السير" اليونانية - الحياة ، "التكوين" - الأصل). (الشريحة رقم 6)
في عام 1668 أثبت الطبيب الإيطالي فرانشيسكو ريدي (1626-1698) أن الديدان البيضاء الموجودة في اللحوم هي يرقات ذبابة. إذا تم إغلاق اللحوم أو الأسماك وهي طازجة ، وتم منع دخول الذباب ، فإنها ، على الرغم من تعفنها ، لن تنتج الديدان. ومن هنا استنتج ف. ريدي أن ظهور الأحياء فقط من الأحياء). (الشريحة رقم 7)في عام 1765 ، قام Lazzardo Spallanzani (1729-1799) بسلق اللحوم والخضروات وأغلقها على الفور. بعد بضعة أيام ، قام بفحص مغلي ولم يجد أي علامات على الحياة. من هذا خلص إلى أن الحرارة دمرت كل الكائنات الحية ، ولا يمكن أن يظهر شيء جديد. (الشريحة رقم 8)
نيدهام - مؤيد الحيوية (من اللاتينية vita - life) ، أوضح النتائج السلبية التي حصل عليها ل. قوة الحياة". (الشريحة رقم 9)وفقا للحيويين ، فإن "قوة الحياة" موجودة في كل مكان. يكفي أن "تتنفسه" فقط ، ويصبح الجماد حيًا.
في عام 1862 نشر العالم الفرنسي العظيم لويس باستور (1822-1895) ملاحظاته حول مشكلة التوليد التلقائي التعسفي. لقد أثبت أن الظهور المفاجئ ("التوالد التلقائي التلقائي") للميكروبات في أنواع مختلفة من الصبغات أو المستخلصات المتعفنة لا يمثل ظهورًا للحياة. التعفن والتخمير هو نتيجة النشاط الحيوي للكائنات الحية الدقيقة التي يتم إدخالها من الخارج. أخيرًا قضى بحثه على التحيزات القديمة حول التولد التلقائي العفوي.
رسم بياني 1. تجربة L. Pasteur في قوارير ذات أعناق على شكل حرف S:
1 - قارورة بماء الخميرة المحلاة ؛ بعد التعقيم والتبريد تبقى معقمة لفترة طويلة ؛
2 - نفس القارورة بعد 48 ساعة من إزالة العنق المنحني ؛ لوحظ نمو الكائنات الحية الدقيقة. (الشرائح №10 ، 11)
- نظرية الحالة الثابتة (الشريحة رقم 12)
وفقًا لهذه النظرية ، فإن الأرض كانت موجودة إلى الأبد ، ولم تنشأ أبدًا ، وكانت دائمًا قادرة على دعم الحياة ، وأي تغييرات تطرأ عليها غير مهمة تمامًا. هذه النظرية لا تصمد أمام التدقيق في الوقت الحاضر.
- نظرية بانسبيرميا (الشريحة رقم 13)
في القرن الخامس قبل الميلاد. أعرب الفيلسوف اليوناني أناكساجوراس عن فكرة البذر الكوني - بانسبيرميا(من اليونانية "عموم" - كل شيء و "sperma" - البذور). وبحسبه ، نشأت الحياة من بذرة توجد "دائمًا وفي كل مكان". وفقًا لهذه النظرية ، يتم جلب جراثيم الحياة إلى الأرض عن طريق النيازك أو الغبار الكوني. لا تقدم هذه النظرية أي آلية لظهور الحياة ، وتطرح ببساطة افتراض أصلها خارج كوكب الأرض. يقال أن الحياة يمكن أن تنشأ بشكل متكرر في أوقات مختلفةوفي أجزاء مختلفة من الكون.
4. أفكار حديثة عن أصل الحياة
(الشريحة 14)النظرية الحديثةيعتمد أصل الحياة على فكرة أن الجزيئات البيولوجية يمكن أن تكون قد نشأت في الماضي الجيولوجي البعيد بطريقة غير عضوية.
أعظم توزيع في القرن العشرين. حصل على نظرية التطور الكيميائي الحيوي ، التي اقترحها بشكل مستقل الكيميائي الروسي A.I. Oparin (1894 - 1980) وعالم الأحياء الإنجليزي D. Haldane (1892 - 1964).
- نظرية التطور البيوكيميائي (الشريحة رقم 15)
المرحلة 1 - التواجد غير الحيوي للمونومرات العضوية نشأ كوكبنا منذ حوالي 4.6 مليار سنة. كان الضغط التدريجي للكوكب مصحوبًا بإطلاق كمية هائلة من الحرارة ، وتلاشت المركبات المشعة ، وصدر تيار من الأشعة فوق البنفسجية الصلبة من الشمس. بعد 500 مليون سنة ، بدأ التبريد البطيء للأرض. تعليم قشرة الأرضيرافقه نشاط بركاني نشط. يُعتقد أن الغلاف الجوي الأساسي يتكون أساسًا من الأمونيا والماء والميثان وأول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون. أعطاه عدم وجود الأكسجين خصائص مخفضة. في 3 مايو 1924 ، في اجتماع للجمعية النباتية الروسية ، أعرب العالم الشاب A. يمكن أن يحدث أصل الحياة.
في ظل هذه الظروف ، يمكن إنشاء المواد العضوية بسهولة أكبر ويمكن الحفاظ عليها دون التعرض للتعفن لفترة طويلة. يعتقد A.I. Oparin ذلك مواد معقدةيمكن تصنيعها من أبسط منها في المحيط. منذ ذلك الحين ، تم جلب الطاقة اللازمة للتفاعلات عن طريق الإشعاع الشمسي. شاشة الأوزون الواقية لم تكن موجودة بعد ؛ تم التوليف أيضًا في ظل ظروف تصريف البرق.
الظروف على الأرض البدائية (الشرائح رقم 16 ، 17):
تشير مجموعة المركبات البسيطة الموجودة في المحيط والمقاييس الزمنية الكبيرة إلى إمكانية تراكم كمية كبيرة من المواد العضوية في المحيط ، والتي شكلت "حساءًا بدائيًا" يمكن أن تنشأ فيه الحياة.
مخطط تكوين "المرق الأساسي"
تم تأكيد هذه النظرية في تجارب S. Miller التي أجريت في عام 1953. (الشريحة 18)
الصورة 2. مخطط الجهاز S. Miller:
1 - دورق التفاعل 2 - أقطاب التنغستن 3 - تفريغ شرارة 4 - قارورة بالماء المغلي. 5 - ثلاجة؛ 6 - فخ؛ 7- صنبور يتم من خلاله تزويد الجهاز بخليط غازي
من خلال خليط غازي يحتوي على الميثان والأمونيا والهيدروجين الجزيئي وبخار الماء ، أي محاكاة تكوين الغلاف الجوي للأرض البدائية ، مرر التفريغ الكهربائي ، ثم حلل نواتج التفاعل الناتجة. تم تركيب أقطاب التنغستن في دورق تفاعل يحتوي على خليط من الغازات. تم تفريغ شرارة بجهد 60.000 فولت خلال الأسبوع ، وفي دورق آخر (صغير) ، ظل الماء في حالة الغليان. مر بخار الماء عبر دورق التفاعل وتكثف في الثلاجة. في عملية التدوير ، قاموا بالتقاط نواتج التفاعل من دورق التفاعل ونقلهم إلى مصيدة ، حيث تم تركيزهم. عند تحديد نواتج التفاعل تم العثور على مركبات عضوية: اليوريا وحمض اللاكتيك وبعض الأحماض الأمينية.
المرحلة 2 - تكوين البوليمرات البيولوجية و coacervates (الشريحة رقم 19)
أ. يعتقد أوبارين أن الدور الحاسم في تحول الجماد إلى حي ينتمي إلى البروتينات. شكلت جزيئات البروتين مجمعات مع جزيئات الماء المحيطة بها. أدى اندماج هذه المجمعات مع بعضها البعض إلى فصلها عن البيئة المائية ؛ يتلاحم(من خط العرض "coacervus" - جلطة). تمكنت Drops-coacervates من: تبادل المواد مع البيئة ، وتراكم المركبات المختلفة. أدى امتصاص أيونات المعادن بواسطة coacervates إلى تكوين الإنزيمات. تحمي البروتينات الموجودة في الأحماض النووية من التأثيرات الضارة للأشعة فوق البنفسجية. في القطرات نفسها ، حدثت المزيد من التحولات الكيميائية للمواد التي وصلت إلى هناك. على حدود القطرات بيئة خارجيةتصطف جزيئات الدهون لتشكل غشاءًا بدائيًا زاد من استقرار النظام بأكمله.
المرحلة 3 - تكوين الهياكل الغشائية والكائنات الأولية (بروبيونات) حول المحار ، الغنية بالمركبات العضوية ، نشأت طبقات من الدهون التي فصلت الحوائط عن البيئة المائية المحيطة. تم تحويل الدهون في سياق التطور إلى الغشاء الخارجي ، مما زاد بشكل كبير من قابلية ومقاومة الكائنات الحية. هذه هي الطريقة التي نشأت بها البربيونات - كائنات بدائية غيرية التغذية تتغذى على المواد العضوية في المرق الأساسي. حدث ذلك منذ 3.5 - 3.8 مليار سنة. انتهى التطور الكيميائي.
جوهر نظرية A.I. يمكن صياغة Oparin في ثلاثةالمسلمات:
1. الحياة هي إحدى مراحل تطور الكون. 2. ظهور الحياة هو نتيجة طبيعية للتطور الكيميائي لمركبات الكربون. 3. من أجل الانتقال من التطور الكيميائي إلى التطور البيولوجي ، من الضروري التكوين والانتقاء الطبيعي لأنظمة متكاملة متعددة الجزيئات معزولة عن البيئة ، ولكنها تتفاعل معها باستمرار ، والتي كانت تسمى بروبيونات.
الاستنتاجات. (الشريحة رقم 20)
مسألة أصل الحياة هي واحدة من أصعب الأسئلة في العلوم الطبيعية الحديثة. بادئ ذي بدء ، لأننا اليوم لا نستطيع إعادة إنتاج عمليات أصل الحياة كما كانت قبل بلايين السنين. بعد كل شيء ، حتى أكثر التجارب التي تم تنظيمها بعناية ستكون مجرد نموذج ، وتقريب ، وخالٍ بالتأكيد من عدد من العوامل التي رافقت ظهور الحياة على الأرض. ومع ذلك ، نجح العلم في حل مسألة أصل الكائنات الحية ، وإجراء العديد من الدراسات ، وتوسيع فهمنا باستمرار لأصل الحياة. هذا أمر مفهوم تمامًا: تكمن مشكلة الحياة في أساس جميع العلوم البيولوجية ، وإلى حد كبير ، في جميع العلوم الطبيعية.
تم تقديم مساهمة كبيرة في حل مشكلة أصل الحياة من قبل الأكاديمي في أكاديمية العلوم في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، عالم الكيمياء الحيوية A.I. Oparin (1894–1980) ، وعلماء الطبيعة الإنجليزيون J. Bernal (1901–1971) و BS. هالدين (1892–1964) والعديد من العلماء الآخرين.
لا ينفصل تاريخ الحياة وتاريخ الأرض عن بعضهما البعض. في عمليات تطور كوكبنا ، تم وضع شروط وجود الحياة في المستقبل - نطاقات درجات الحرارة ، والرطوبة ، والضغط ، ومستويات الإشعاع ، إلخ. على سبيل المثال ، نطاق درجة الحرارة الذي يوجد فيه بئر- معروف الحياة النشطة، تشكل نطاقًا ضيقًا نوعًا ما (انظر الشكل 7.8).
إحدى الفرضيات حول أصل الأرض والنظام الشمسي بأكمله ، كما لوحظ بالفعل ، هي أن أرضنا وجميع الكواكب قد تكثفت من الغبار الكوني الموجود بالقرب من الشمس. على الأرجح ، تتكون جزيئات الغبار من الحديد الممزوج بالنيكل أو السيليكات (المواد التي تحتوي على السيليكون ، والتي تنتشر على الأرض) ، مثل سيليكات المغنيسيوم ، وكان كل جسيم محاطًا بالجليد. بالطبع ، بالإضافة إلى الغبار ، كان الغاز في كل مكان. تم اختراق كل من جزيئات الغاز والغبار بواسطة الإشعاع الشمسي. في الوقت نفسه ، من المحتمل جدًا أن يكون ذلك في الأجزاء الخارجية من النظام الشمسي غازاتيمكن أن تتكثف وتشكل متقلبة مختلفة مركبات العضوية،حيث يوجد العنصر الرئيسي لجميع الكائنات الحية - كربون.تدريجيًا ، قامت الشمس بتسخينها ، وتبخرت الغازات مرة أخرى ، لكن بعضها ، تحت تأثير الإشعاع ، تحول إلى غازات أقل تطايرًا. الهيدروكربونات(مركبات الكربون مع الهيدروجين) و مركبات النيتروجين.
من الممكن أن تكون جزيئات الغبار محاطة بقذائف من المركبات العضوية التي اتحدت لتشكل الكويكبات الأولى ثم الكواكب. من المعروف ، على سبيل المثال ، أن عمالقة النظام الشمسي - كوكب المشتري وزحل وأورانوس - تتكون أساسًا من الميثان والهيدروجين والأمونيا والجليد - وهي مواد تعمل كأساس لجميع المركبات العضوية الأكثر تعقيدًا.
في نفس الوقت ، كان السطح الكلي لحبيبات الغبار كبيرًا جدًا. وهذا يعني أن مركبات مختلفة من الكربون والنيتروجين ، السلائف المباشرة للحياة ، يمكن أن تتشكل عليه.
تم إثبات هذا الافتراض من خلال حقيقة أن عددًا من المركبات العضوية توجد في النيازك ، على سبيل المثال الأدينين -قاعدة نيتروجينية مهمة جدا من الناحية البيولوجية. تم إنتاجه بشكل مصطنع في المختبر في ظل ظروف تحاكي الغلاف الجوي البدائي للأرض. وعلى سبيل المثال ، المركبات العضوية التي تلعب دورًا كبيرًا في عملية التمثيل الغذائي للكائنات الحية - الأكساليك والفورميك و حمض السكسينيكتم الحصول عليها صناعيا عن طريق تشعيع المحاليل المائية لثاني أكسيد الكربون.
من الواضح أن الغلاف الجوي الأساسي للأرض ، بالإضافة إلى الكواكب الأخرى ، تم احتواؤه الميثان والأمونيا وبخار الماء والهيدروجين. من خلال التأثير على خليط من هذه الغازات في المختبر مع التصريفات الكهربائية التي تحاكي البرق والأشعة فوق البنفسجية ، حصل العلماء على مواد عضوية معقدة تشكل جزءًا من البروتينات الحية - الجلايسين ، والألانين ، إلخ.
وبالتالي ، ليس هناك شك الآن في أنه تحت تأثير التفريغ الكهربائي والضوء والأشعة فوق البنفسجية حتى قبل تكوين الأرض أو في المرحلة الأولى من وجودها من المركبات غير العضويةعدد من معقدة نوعا ما المواد العضوية. المادة العضوية الناتجة هي الخطوة الأولى على طريق الحياة.
ما هي العناصر الأساسية للمعيشة ، "طوبها"؟ هذا أولا وقبل كل شيء الأكسجين والكربون, هيدروجينو نتروجين. يطلق عليهم اسم الكائنات العضوية. في الخلية الحية ، على سبيل المثال ، بالوزن تحتوي على حوالي 70٪ أكسجين ، 17٪ كربون ، 10٪ هيدروجين ، 3٪ نيتروجين ، يليها الفوسفور ، البوتاسيوم ، الكلور ، الكبريت ، الكالسيوم ، الصوديوم ، المغنيسيوم ، والحديد. لا يتجاوز عددهم في الخلية أعشار النسبة المئوية. ويتبع ذلك النحاس والزنك واليود والفلور وعناصر أخرى موجودة في جزء من الألف وعشرة آلاف في المائة.
يلعب الكربون دورًا خاصًا في الكائنات الحية. يقال إن الحياة على كوكبنا هي "كربون" لأن الكربون هو أساس جميع المركبات العضوية ومواد الكائنات الحية.
تحتوي مركبات الكربون على عدد من الخصائص التي تجعلها لا غنى عنها في تكوين الأنظمة الحية. بادئ ذي بدء ، فإن عدد المركبات العضوية القائمة على الكربون ضخم - عشرات الملايين. تنشط في درجات حرارة منخفضة نسبيًا. يمكن أن تشكل ذرات الكربون في الجزيئات سلاسل طويلة أشكال متعددة. مع إعادة ترتيب صغيرة نسبيًا لجزيئات مركبات الكربون ، يتغير نشاطها الكيميائي بشكل كبير ، مما يزيد من وجود المحفزات.
تنتمي جميع العناصر الحية إلى أكثر المواد استقرارًا وانتشارًا في الكون. فهي مترابطة بسهولة ولها كتلة ذرية منخفضة. يجب أن تكون المركبات المكونة من هذه العناصر قابلة للذوبان في الماء بسهولة. تمتلك هذه الخاصية ، على سبيل المثال ، مركبات من البوتاسيوم والصوديوم ، إلخ.
كوكبنا غني بالمياه. يقع على مسافة من الشمس بحيث يكون الجزء الأكبر من الماء الضروري للحياة في حالة سائلة ، وليس في حالة صلبة أو غازية ، كما هو الحال في الكواكب الأخرى. على الأرض ، يتم الحفاظ على النطاق الأمثل لدرجة الحرارة ، وهو أمر ضروري لأصل الحياة ووجودها.
هل الأرض هي الجسم الكوني الوحيد الذي يمكن أن تعيش فيه؟ على ما يبدو لا. يوجد ما يقرب من 150 مليار نجم في مجرتنا وحدها. من المحتمل أن هناك أجسامًا كونية فيها ، تكون الحياة فيها ممكنة.
الخطوة الأولى نحو ظهور الحياة تشكيل المواد العضوية من المواد الخام الفضائية غير العضوية.حدثت مثل هذه العملية في درجة حرارة معينة، الضغط ، الرطوبة ، الإشعاع ، إلخ. في المرحلة الأولى من هذه العملية ، ربما بدأت في العمل الاختيار الأوليتلك المركبات التي ظهرت منها الكائنات الحية لاحقًا. من بين العديد من المواد المتكونة ، نجا فقط الأكثر ثباتًا وقدرة على حدوث المزيد من المضاعفات.
لبناء أي مركب عضوي معقد للكائنات الحية ، هناك حاجة إلى مجموعة صغيرة من اللبنات - المونومرات (مركبات منخفضة الوزن الجزيئي). على سبيل المثال ، مع وجود 29 مونومرًا بسيطًا نسبيًا فقط ، يمكن للمرء وصف التركيب الكيميائي الحيوي لأي كائن حي. يشملوا 20 أحماض أمينية،التي تُبنى منها جميع البروتينات ، 5 القواعد النيتروجينية(منها ، بالاقتران مع مواد أخرى ، تتشكل ناقلات الوراثة - الأحماض النووية) ، وكذلك الجلوكوز - أهم مصدرالطاقة اللازمة للحياة الدهون(مادة هيكلية تستخدم لبناء أغشية في الخلية وتخزين الطاقة).
هذا العدد الصغير نسبيًا من المركبات هو نتيجة فعل الانتقاء الطبيعي على مدى ما يقرب من مليار سنة ، والتي خصتها من بين عدد هائل من المواد التي نشأت ذات مرة وحددت مدى ملاءمتها لظهور الكائنات الحية. يمكن قول ذلك تطور الكائنات الحيةيسبقه طويل جدا التطور الكيميائي.
المركبات التي نشأت على أساس الكربون تكونت "حساء بدائي"المحيط المائي. موجود الفرضية العلمية، والتي بموجبها نشأت المواد المحتوية على الكربون والنيتروجين في أعماق الأرض المنصهرة وتم إحضارها إلى السطح أثناء النشاط البركاني. بعد أن تآكلوا بسبب الماء ، يمكنهم الوصول إلى المحيط ، حيث شاركوا في تكوين "المرق الأساسي".
كانت الخطوة الثانية الأكثر أهمية في تكوين الكائنات الحية هي أنه من العديد من الجزيئات الفردية للمواد العضوية التي كانت موجودة في المحيط الأساسي للأرض ، نشأت مواد معقدة مرتبة - البوليمرات الحيوية:البروتينات والأحماض النووية. لديهم بالفعل أهم خاصية بيولوجية- تتكاثر الجزيئات المشابهة لها.
كيف تم تشكيل البوليمرات الحيوية؟ خلال الفترة قيد الاستعراض ، كانت جميع المركبات العضوية موجودة في المحيط الأساسي للأرض. من أجل حدوث تفاعلات بين المركبات التي تؤدي إلى تكوين جزيئات معقدة مهمة من الناحية البيولوجية ، يجب أن يكون تركيز المركبات العضوية مرتفعًا نسبيًا. يمكن أن يتشكل هذا التركيز من المواد نتيجة ترسيب المركبات على جزيئات معدنية مختلفة ، على سبيل المثال ، على جزيئات الطين أو هيدروكسيد الحديد ، والتي تشكل الطمي في المياه الضحلة التي تسخنها الشمس. يمكن أن تشكل المادة العضوية غشاء رقيقًا على سطح المحيط ، تدفعه الرياح والأمواج إلى الشاطئ ، حيث تتجمع في طبقات سميكة مع تركيز عالٍ من المواد العضوية.
حر الأكسجينظهرت في وقت لاحق نتيجة لنشاط التمثيل الضوئي الأول - الطحالب ، ثم النباتات البرية. من الواضح أن البيئة الخالية من الأكسجين سهلت تخليق البوليمرات الحيوية من المركبات غير العضوية - الأكسجين ، كعامل مؤكسد قوي ، من شأنه أن يدمر الجزيئات الناتجة.
بدأت المركبات العضوية البسيطة المنفصلة في الاندماج في جزيئات بيولوجية كبيرة. شكلت الانزيمات -محفزات البروتين التي تعزز تكوين الجزيئات أو تكسيرها. نتيجة لنشاط الإنزيمات الأولية نشأت بعض أهم المركبات العضوية - احماض نووية. يتم ترتيب المونومرات في الأحماض النووية بطريقة تحمل معلومات معينة حول تخليق البروتينات وتبادل المادة والطاقة مع البيئة الخارجية. بالإضافة إلى ذلك ، اكتسبت جزيئات الحمض النووي خاصية التكاثر الذاتي من نوعها. يمكن اعتبار أنه منذ تلك اللحظة نشأت الحياة على الأرض.
حياة -هذا شكل خاصوجود المادة. صفاتالحياة - التبادل مع البيئة الخارجية ، والتكاثر من نوعها ، والتنمية المستمرة.
بالنهاية المرحلة البيوكيميائيةظهور الحياة ، ظهرت التكوينات الهيكلية - أغشيةمن لعب دور مهمفي البناء الخلايا.كما لوحظ بالفعل ، كانت الكائنات الحية الأولى على الأرض وحيدة الخلية بدائيات النوى.مرت مئات الملايين ، بل بلايين السنين ، خلالها تشكلت بدائيات النوى حقيقيات النواة،تشكلت نواة في خليتهم من مادة تحتوي على كود تخليق البروتين ، والنواة الموجودة في النواة ، وغيرها. العناصر الهيكلية(الشكل 7.9).
مع ظهور حقيقيات النوى ، كان هناك اختيار لنمط حياة نباتي أو حيواني ، والفرق بينهما يكمن في طريقة التغذية ويرتبط بظهور أهم عملية لجميع الكائنات الحية - البناء الضوئي.نتيجة لعملية التمثيل الضوئي ، يتم تشكيل حوالي 200 مليار طن من المواد العضوية سنويًا على الأرض ، 90 ٪ منها تنتج عن طريق الطحالب و 10 ٪ فقط من النباتات البرية.
رافق ظهور التمثيل الضوئي دخول الغلاف الجوي الأكسجين.تشير التقديرات إلى أنه بفضل عملية التمثيل الضوئي ، يتم تجديد كل ثاني أكسيد الكربون الموجود على الكوكب - سواء في الغلاف الجوي أو المذاب في الماء - في حوالي 300 عام ، وكل الأكسجين - في ألفي عام. من المفترض أن محتوى الأكسجين الحالي في الغلاف الجوي (21٪) وصل قبل 250 مليون سنة نتيجة للتطور المكثف للنباتات.
أولاً الكائنات متعددة الخلايا نشأت عن طريق الجمع الكائنات الحية وحيدة الخليةوقطعت شوطا طويلا في التطور. هذه هي الطريقة التي تطورت بها الحياة وتحسنت ، كما يتضح من سجل الحفريات ، التي يقرأ العلماء صفحاتها المتحجرة تدريجياً.
حاشية. ملاحظة.
لطالما شاعت مشكلة أصل الحياة على الأرض العديد من العلماء. لقد مرت سنوات عديدة منذ أن بدأ الإنسان يتساءل من أين أتت جميع الكائنات الحية ، وخلال كل هذا الوقت تم النظر في العديد من الفرضيات والافتراضات حول أصل الحياة. النظرية الدينية، نظرية التوليد التلقائي ، نظرية البانسبيرميا ، نظرية الوجود الأبدي للحياة ... لا تزال البشرية عاجزة عن حل هذا اللغز بشكل كامل. ومع ذلك ، فإن النظرية التي اقترحها A.I. Oparin في النصف الأول من القرن العشرين مقبولة باعتبارها النظرية الرئيسية لأصل الحياة. وهو يقوم على افتراض التطور الكيميائي ، والذي ينتقل تدريجياً إلى الكيمياء الحيوية ثم إلى التطور البيولوجي. كان تكوين الخلية هو أكثر الظواهر تعقيدًا. لكنها أرست الأساس لتطور الحياة وكل تنوعها.
إذن ، كيف بدأ كل شيء؟
مقدمة.
تملأ الحياة جميع أركان كوكبنا. المحيطات والبحار والبحيرات والأنهار والجبال والسهول والصحاري ، وحتى الهواء يسكنها كائنات حية. لمليارات السنين ، كانت الحياة تمشي على الأرض كنظام فريد من نوعه للتنظيم الذاتي. عرفت فترات ازدهار ومحن تاريخية وأزمات قاسية ، قبل أن تبلغ ثروتها العظيمة في أيامنا هذه. يعرف العلم اليوم حوالي 4.5 مليون نوع من الحيوانات والنباتات. من المفترض أنه في كامل تاريخ الحياة على الأرض ، كان هناك حوالي 4.5 مليار نوع من الحيوانات والنباتات.
كيف ظهرت هذه الأنواع؟ في جميع فترات تاريخ الأرض ، كانت النباتات والحيوانات كما هي الآن؟
من الواضح للعلم أن الحيوان الحديث و عالم الخضارهو فقط غلاف ذلك الكتاب العظيم الذي يدرسه علم الحفريات. سجلت البقايا المتحجرة لكائنات حية ذات يوم ، والموجودة في طبقات الأرض ، تاريخ تطورها وعلاقتها بالتغيرات البيئية.
منذ زمن سحيق ، كان أصل الحياة لغزا للبشرية. من لحظة ظهوره ، بفضل العمل ، يبدأ الشخص في التميز بين الكائنات الحية الأخرى. لكن القدرة على أن تسأل نفسك السؤال "من أين نحن؟" يتلقى الشخص مؤخرًا نسبيًا - منذ 7-8 آلاف سنة ، في بداية العصر الحجري الجديد (العصر الحجري الحديث). إن الأشكال البدائية الأولى للاعتقاد بالقوى غير الواقعية أو الخارقة للطبيعة أو الإلهية ، والتي كانت موجودة بالفعل منذ 35-40 ألف سنة ، تتوسع وتتقوى. يدرك الإنسان أنه هالك ، وأن البعض يولد والبعض الآخر يموت ، وأنه يخلق أدوات العمل ، ويزرع الأرض وينال ثمارها. وما هو أساس كل شيء ، من هو الخالق الأصلي ، الذي خلق الأرض والسماء ، الحيوانات والنباتات ، الهواء والماء ، ليل نهار ، وأخيراً الإنسان نفسه؟
1. نظريات وفرضيات مختلفة حول أصل الحياة على الأرض.
كانت فكرة خلق العالم "كعمل إبداعي" من الله هي أول ما ظهر ، وهذه الأسطورة هي أساس كل الأديان. يقول الكتاب المقدس: "في البدء خلق الله السموات والأرض". في اليوم الرابع ، يأمر الله: "دع الماء يخرج وفرة من الزواحف المتحركة ، ودع الطيور تطير فوق الأرض في فضاء السماء". الجزء الثاني من الخليقة: "وخلق الله الإنسان على صورته ومثاله". وأخيرًا: "خلق الرب الإله امرأة من ضلع أخذها من رجل وأتى بها إلى رجل" (تكوين 1: 2-31 ؛ 2: 21-22).
كمجموعة من أعمال الثقافة العبرية القديمة ، تختلف في الوقت والمحتوى ، استعار الكتاب المقدس (أقدم جزء منه معروف منذ القرن التاسع قبل الميلاد) أفكارًا حول خلق العالم من الأساطير البابلية القديمة والمصرية القديمة. هذه الأساطير هي نتاج خيال وتصوف خالص ، لكنها توضح لنا كيف كانت الأفكار القديمة حول أصل العالم. ومع ذلك ، فقد سيطروا على عقول الناس لآلاف السنين. يعتقد الكثير منهم حتى اليوم.
قبل الفلاسفة اليونانيون القدماء في مدرسة ميليتس (القرنان الثامن والسادس قبل الميلاد) فكرة ظهور كائنات حية من الماء أو من مواد رطبة أو متحللة مختلفة ، والتي كانت نتيجة التأثير المباشر للثقافة البابلية. لكن حتى طاليس (624-547 قبل الميلاد) عارض الأفكار الأسطورية وخلق نظرة مادية تلقائية للعالم مع عناصر من الديالكتيك. وفقًا لطاليس وأتباعه ، حدث ظهور الكائنات الحية من الماء دون أي تدخل من القوى الروحية ؛ الحياة هي خاصية للمادة.
تم تنفيذ تطور مادي حي لفكرة التوليد التلقائي للكائنات الحية في وقت لاحق في أعمال ديموقريطس (460-370 قبل الميلاد) وأبيقور (341-270 قبل الميلاد). وفقًا لهؤلاء الفلاسفة ، فإن ظهور الكائنات الحية هو عملية طبيعية، نتيجة قوى طبيعية ، وليس "فعل خلق" لقوى خارجية.
اعترف أرسطو (384-322 قبل الميلاد) بأن الله هو أعلى شكل ومحرك رئيسي. وفقًا لأرسطو ، يمكن أن تنشأ الكائنات الحية من كائنات حية ، ولكن في نفس الوقت يمكن أن تنشأ أيضًا من مادة غير حية. إنه يعتقد أن المادة ليست سوى مبدأ سلبي ، وهي إمكانية لا يمكن تحقيقها إلا من خلال شكل معين. سفر التكوين يحتوي على الغرض الداخليالتنمية (entelechy). وفقًا لأرسطو ، فإن الجوهر الداخلي الهادف ينفث الحياة في المادة. تحدد آراء أرسطو مصير فكرة التوليد التلقائي للحياة لما يقرب من 2000 عام.
فقط في منتصف القرن السابع عشر. يقوم طبيب توسكانا فرانشيسكو ريدي (1626-1698) بإجراء التجارب الأولى على التوليد التلقائي. في عام 1668 أثبت أن الديدان البيضاء الموجودة في اللحوم هي يرقات الذباب. إذا تم إغلاق اللحوم أو الأسماك وهي طازجة ، وتم منع دخول الذباب ، فإنها ، على الرغم من تعفنها ، لن تنتج الديدان.
تبدو تجارب ريدي اليوم ساذجة ، لكنها مثلت الاختراق الأول أمام الأفكار الصوفية حول تكوين الكائنات الحية.
بعد ما يقرب من 200 عام من ريدي ، في عام 1862 ، نشر العالم الفرنسي العظيم لويس باستور (1822-1895) ملاحظاته حول مشكلة التوليد التلقائي التعسفي. لقد أثبت أن الظهور المفاجئ ("التوالد التلقائي التلقائي") للميكروبات في أنواع مختلفة من الصبغات أو المستخلصات المتعفنة لا يمثل ظهورًا للحياة. التعفن والتخمير هو نتيجة النشاط الحيوي للكائنات الحية الدقيقة التي يتم إدخال جراثيمها من الخارج. الميكروبات صلبة كائنات مرتبةويمكن أن ينتجوا كائنات مماثلة لأنفسهم ، أي أن الأحياء تأتي من الأحياء. كعالم لا يثق إلا في نتائج التجارب العلمية ، لا يستخلص باستير استنتاجات عميقة حول أصل الحياة. ومع ذلك ، فقد دمر بحثه أخيرًا التحيزات القديمة حول التكاثر التلقائي.
أدى انهيار عقيدة التوليد التلقائي إلى قيام بعض العلماء المشهورين بفكرة أن الحياة لم تنشأ أبدًا ، ولكنها ، كمادة أو طاقة ، موجودة إلى الأبد. وفقًا لهذه الفكرة ، تتجول "جراثيم الحياة" في الفضاء الخارجي حتى تصل إلى كوكب مناسب لظروفها - وهناك تؤدي إلى التطور البيولوجي. تم التعبير عن هذه الفكرة في وقت مبكر من القرن الخامس الميلادي. قبل الميلاد. الفيلسوف اليوناني أناكساغوراس ، بدعم من هيرمان فان هيلمهولتز (1821-1894) وويليام طومسون (لاحقًا اللورد كلفن ، 1824-1907).
قال هيلمهولتز إنه يجب أن يكون هناك العديد من العوالم الأخرى في الكون ، يجلب الحياة، التي تتدمر من وقت لآخر عندما تصطدم بأجسام كونية أخرى ، وتنتشر شظاياها مع النباتات والحيوانات الحية في الفضاء.
تم تطوير هذه الفكرة بعناية في عام 1908 من قبل الكيميائي السويدي سفانتي أرهينيوس (1859-1927) ، الذي أطلق على نظريته اسم بانسبيرميا. من خلال تطوير أفكار هيلمهولتز وكلفن ، عبر عن العديد من اعتباراته الخاصة ، مما يشير إلى أنه يمكن نقل الجراثيم والفيروسات البكتيرية بعيدًا عن الكوكب حيث توجد تحت تأثير القوى الكهروستاتيكية ، ثم الانتقال إلى الفضاء الخارجي تحت ضغط ضوء النجوم. . أثناء وجوده في الفضاء الخارجي ، يمكن أن تستقر البوغ على جسيم من الغبار ؛ وبالتالي زيادة كتلته والتغلب على ضغط الضوء ، فإنه يمكن أن يسقط بالقرب من أقرب نجم ويتم التقاطه بواسطة أحد كواكب هذا النجم. وهكذا ، يمكن للمادة الحية أن تنتقل من كوكب إلى كوكب آخر نظام النجومإلى آخر.
في النصف الثاني من القرن التاسع عشر. يقترح أيضًا أن الحياة نشأت في المحيط البدائي من مادة غير عضويةنتيجة لعملية طبيعية.
في 3 مايو 1924 ، في اجتماع للجمعية النباتية الروسية ، العالم السوفيتي الشاب أ. نقطة جديدةرأي يعتبر مشكلة أصل الحياة. أصبح تقريره "عن أصل الحياة" نقطة البداية لإلقاء نظرة جديدة على المشكلة الأبدية "من أين أتينا؟". بعد خمس سنوات ، بشكل مستقل عن أوبارين ، تم تطوير أفكار مماثلة من قبل العالم الإنجليزي جيه هالدين. من الشائع في آراء Oparin و Haldane محاولة تفسير ظهور الحياة نتيجة للتطور الكيميائي على الأرض البدائية. يؤكد كلاهما على الدور الهائل للمحيط البدائي كمختبر كيميائي ضخم حيث تشكل "الحساء البدائي" ، بالإضافة إلى دور الإنزيمات - الجزيئات العضوية التي تسرع بشكل كبير المسار الطبيعي للعمليات الكيميائية. بالإضافة إلى ذلك ، طرح هالدين لأول مرة فكرة أن الغلاف الجوي البدائي على الأرض "ربما كان يحتوي على القليل جدًا من الأكسجين أو لا يحتوي على أكسجين على الإطلاق".
في عام 1952 ، توصل هارولد أوري (1893-1981) بشكل مستقل إلى استنتاج مفاده أن الغلاف الجوي للأرض الفتية كان له طابع مستعاد ، أي بنهاية عملية التكوين ، كان الغلاف الجوي للأرض منخفضًا بشدة ، نظرًا لأن مكوناته الرئيسية كانت عبارة عن هيدروجين وأشكال مخفضة تمامًا من الكربون والنيتروجين والأكسجين: الميثان والأمونيا وبخار الماء. لم يستطع مجال الجاذبية للأرض الاحتفاظ بالهيدروجين الخفيف ، فهرب تدريجياً إلى الفضاء الخارجي. كانت النتيجة الثانوية لفقدان الهيدروجين الحر هو الأكسدة التدريجية للميثان إلى ثاني أكسيد الكربون والأمونيا إلى غاز النيتروجين ، والتي من خلالها وقت محددتغير الغلاف الجوي من الاختزال إلى المؤكسد. افترض أوري أنه خلال فترة تطاير الهيدروجين ، عندما كان الغلاف الجوي في حالة أكسدة متوسطة ، يمكن أن تتشكل المادة العضوية المعقدة على الأرض بكميات كبيرة. وفقًا لتقديراته ، كان المحيط ، على ما يبدو ، محلول واحد بالمائة من المركبات العضوية. كانت النتيجة الحياة في أكثر أشكالها بدائية.
2. شروط نشوء الحياة.
أولاً شرط ضرورينشأة الحياة ذات طبيعة كونية عامة. إنه متصل بأساس كيميائي واحد للكون. تتطور الحياة على هذا الأساس الفردي ، مما يعكس السمات الكمية والنوعية للعناصر الكيميائية الفردية. يؤدي هذا الافتراض إلى استنتاج مفاده أن أي كوكب في الكون مشابه لكوكبنا من حيث الكتلة والموقع بالنسبة للنجم المركزي يمكن أن يكون له حياة. "وفقًا لأفكار عالم الفلك الأمريكي البارز H. Shapley ، هناك 108 أجسامًا كونية في الكون (كواكب أو نجوم قزمة) يمكن أن تنشأ وتوجد عليها الحياة."
الشرط الرئيسي لظهور الحياة له سبب كوكبي ويتم تحديده من خلال كتلة الكوكب ، أي أن الحياة المشابهة للأرض يمكن أن تنشأ وتتطور على كوكب له كتلته قيمة محددة بدقة. إذا كانت كتلة الكوكب أكثر من 1/20 من كتلة الشمس ، تبدأ التفاعلات النووية الشديدة عليها ، مما يرفع درجة حرارته ، ويضيء مثل النجم.
من بين كواكب المجموعة الشمسية ، بالإضافة إلى الأرض ، تمتلك الزهرة والمريخ كتلة مناسبة ، لكن لا توجد شروط أخرى هناك.
خصوصاً حالة مهمةأصل الحياة هو وجود الماء. أهمية الماء للحياة استثنائية. ويرجع ذلك إلى خصائصه الحرارية المحددة: السعة الحرارية الهائلة ، والتوصيل الحراري المنخفض ، والتوسع عند التجميد ، خصائص جيدةكمذيب ، وما إلى ذلك. تحدد هذه الميزات دورة المياه في الطبيعة ، والتي تلعب دورًا مهمًا للغاية في التاريخ الجيولوجي للأرض.
يوجد الآن ما يكفي معلومات مثيرة للاهتمامحول وجود المركبات العضوية في الكون. مصادر هذه المعلومات هي الرسل الطبيعي للفضاء إلى الأرض ، النيازك.
3. النيازك وسحب الغبار بين النجوم.
النيازك هي أجسام كونية صغيرة تسقط على الأرض. إنها شظايا من الكويكبات. عادة ما تتجاوز كتلة الكويكبات 50 كجم. وفقًا للتكوين ، تتميز النيازك الحجرية والحديدية والحديدية. وفقًا للسمات الهيكلية ووجود التكوينات الكروية (chondrules) ، فإن بعض النيازك الحجرية تسمى chondrites. تحظى الكوندريت الكربوني بأهمية خاصة ، والتي تشكل 5 ٪ من الرقم الإجماليالنيازك التي تضرب سطح الأرض كل عام.
هناك سببان لهذا:
احتمالية أن توفر دراستهم بيانات عن التطور ما قبل البيولوجي للجزيئات العضوية ؛
أصل غير واضح لعدد من عناصر بنيتها - حتى وقت قريب ، اعتبر بعض الباحثين أن التكوينات المعدنية في الكوندريت كائنات دقيقة فوسفاتية.
هذه الأشياء المثيرة للاهتمام هي "شظايا من السديم الأولي" التي لم تخضع لتغيرات كبيرة. تعتبر أساسية لأنها تشكلت في نفس الوقت مع النظام الشمسي. النيازك صغيرة جدًا بحيث لا يكون لها غلاف جوي خاص بها ، لكن الكوندريت الكربوني تشبه إلى حد بعيد الشمس من حيث المحتوى النسبي للعناصر غير المتطايرة. هُم تكوين معدنييشير إلى أنها تشكلت في درجة حرارة منخفضة والعمل درجات حرارة عاليةلم تتعرض قط. تحتوي على ما يصل إلى 20٪ ماء (مرتبط على شكل هيدرات معدنية) وما يصل إلى 10٪ مواد عضوية.
في دراسة اثنين من النيازك - سقط الأول في عام 1950 بالقرب من موري (كنتاكي ، الولايات المتحدة الأمريكية) ، والثاني - بالقرب من مورشيسون (فيكتوريا ، أستراليا) في عام 1969 - تم العثور على أحماض أمينية فردية في تكوينهما - مواد البناءالبروتينات في الكائنات الحية. في نيزك مورشيسون ، تم اكتشاف الأحماض الدهنية أيضًا ، والتي تتكون منها الدهون في الأنسجة الحية.
من الأحماض الأمينية المحددة حمض الجلوتاميك، برولين ، جلايسين ، ساركوزين ، ألانين ، فالين و 2 ميثيل ألانين ، ومن أحماض دهنية- 17 نوعا.
تحتوي الأحماض الدهنية للكائنات الأرضية على عدد زوجي من ذرات الكربون ، في حين أن الأحماض الدهنية التي تحتوي على عدد فردي من ذرات الكربون ليست من سمات الأنسجة الحية على الأرض. في التفاعلات الكيميائية التي يتم إجراؤها بدون مشاركة كائنات حية أو مواد ذات أصل حيوي ، يتم تكوين كمية متساوية تقريبًا من الأحماض الدهنية مع عدد زوجي وفردي من ذرات الكربون. تظهر نتائج تحليل نيزك مورشيسون نفس الشيء.
هناك دليل قوي على أن الأحماض الأمينية والمركبات الهيدروكربونية في نيزك مورشيسون من الواضح أنها داخلية المنشأ وليست نتيجة تلوث خارجي:
غلبة الجلايسين على الأحماض الأمينية الأخرى ؛
القيم الإيجابية لمؤشر 13C ؛
وجود الأحماض الأمينية غير المميزة للبروتينات.
بين عامي 1968 و 1970 بمساعدة قياس الطيف الراديوي ، تم اكتشاف الجزيئات العضوية في الفضاء بين النجوم ، والتي ، بالطبع ، جددت معرفتنا بالكيمياء العضوية للكون. نُشرت التقارير الأولى عن اكتشاف الماء والفورمالديهايد والأمونيا في مناطق معينة من مجرتنا.
هيدروكسيل OH ، فورمالدهيد H2CO ، وأول أكسيد الكربون CO هي الجزيئات الأكثر وفرة في الوسط بين النجوم. توجد في جميع أنحاء المجرة ، بينما توجد مركبات أخرى في مناطق معينة بين النجوم. يوجد حوالي 3000 من هذه السدم في مجرتنا ، وكثافتها أكبر من كثافة الوسط النجمي ؛ تظهر الجزيئات هنا في كثير من الأحيان. ذرات الكربون تلعب دور قياديفي تكوين الجزيئات العضوية ، والتي لها أهمية أساسية في الكائنات الحية.
في هذه الحالة ، يبدو ظهور الحياة أمرًا لا مفر منه. في السدم الفضاء الخارجيبالفعل أثناء تكوين النجوم والكواكب ، تنشأ الجزيئات التي تؤدي إلى تكوين جزيئات أكثر تعقيدًا من الأحماض الأمينية والأحماض الدهنية والبيورينات والبيريميدين وغيرها من المكونات الرئيسية للحياة.
4. التطور الكيميائي.
تعتمد نظرية التطور الكيميائي - النظرية الحديثة لأصل الحياة - أيضًا على فكرة التوليد التلقائي. ومع ذلك ، فهو لا يعتمد على الظهور المفاجئ للكائنات الحية على الأرض ، ولكن على تكوين المركبات والأنظمة الكيميائية التي تشكل المادة الحية. يدرس كيمياء أقدم الأرض ، وبشكل أساسي التفاعلات الكيميائية التي حدثت في الغلاف الجوي البدائي وفي الطبقة السطحية من الماء ، حيث ، في جميع الاحتمالات ، تركزت العناصر الضوئية التي تشكل أساس المادة الحية ، و تم امتصاص كمية هائلة من الطاقة الشمسية. تحاول هذه النظرية الإجابة على السؤال التالي: كيف يمكن أن تنشأ وتتشكل تلقائيًا في تلك الحقبة البعيدة نظام المعيشةمركبات العضوية؟
معظم المتخصصين المعاصرين مقتنعون بأن ظهور الحياة في ظروف الأرض الأولية هو نتيجة طبيعية لتطور المادة. يعتمد هذا الاعتقاد على الوحدة المثبتة للأساس الكيميائي للحياة ، والمبنية من عدد قليل من الذرات البسيطة والأكثر شيوعًا في الكون.
يتم تنفيذ التنوع المورفولوجي الاستثنائي للحياة (الكائنات الحية الدقيقة والنباتات والحيوانات) على أساس كيميائي حيوي موحد إلى حد ما: الأحماض النووية والبروتينات والكربوهيدرات والدهون وعدد قليل من المركبات النادرة مثل الفوسفات.
العناصر الكيميائية الأساسية التي تُبنى منها الحياة هي الكربون والهيدروجين والأكسجين والنيتروجين والكبريت والفوسفور. من الواضح أن الكائنات الحية تستخدم أبسط العناصر وأكثرها شيوعًا في الكون لبنيتها ، وهذا يرجع إلى طبيعة هذه العناصر. على سبيل المثال ، ذرات الهيدروجين والكربون والأكسجين والنيتروجين صغيرة وقادرة على تكوين مركبات مستقرة ذات روابط ثنائية وثلاثية أضعاف ، مما يزيد من تفاعلها. يرتبط تكوين البوليمرات المعقدة ، التي بدونها يكون ظهور الحياة وتطورها مستحيلًا بشكل عام ، بمحدودية الخصائص الكيميائيةكربون.
العنصران الآخران الحيويان ، الكبريت والفوسفور ، موجودان بكميات صغيرة نسبيًا ، لكن دورهما في الحياة مهم بشكل خاص. تسمح الخصائص الكيميائية لهذه العناصر أيضًا بتكوين مضاعفات روابط كيميائية. يوجد الكبريت في البروتينات بينما يوجد الفوسفور عنصراحماض نووية.
بالإضافة إلى هذه الستة الرئيسية العناصر الكيميائيةيشارك الصوديوم والبوتاسيوم والمغنيسيوم والكالسيوم والكلور وكذلك العناصر الدقيقة: الحديد والمنغنيز والكوبالت والنحاس والزنك وآثار صغيرة من الألومنيوم والبورون والفاناديوم واليود والموليبدينوم في تكوين الكائنات الحية بكميات صغيرة. وتجدر الإشارة أيضًا إلى أن هناك بعض الذرات النادرة للغاية التي تحدث بالصدفة وبكميات ضئيلة.
وبالتالي ، يتم تنويع الأساس الكيميائي للحياة من خلال 15 عنصرًا كيميائيًا آخر ، والتي تشارك ، إلى جانب العناصر الحيوية الستة الرئيسية ، في نسب مختلفة في بنية ووظائف الكائنات الحية. تشير هذه الحقيقة بشكل خاص إلى ناحيتين: 1) كدليل على وحدة أصل الحياة و 2) في تلك الحياة نفسها ، والتي هي نتيجة التنظيم الذاتي للمادة ، المدرجة في تطور الجزيئات البيولوجية ليس فقط جميع العناصر الأكثر شيوعًا ، ولكن أيضًا جميع الذرات المناسبة بشكل خاص لتنفيذ الوظائف الحيوية (على سبيل المثال ، الفوسفور والحديد واليود ، إلخ). كما يلاحظ العالم السوفيتي م. كامشيلوف ، "من أجل تنفيذ وظائف الحياة ، الخواص الكيميائيةذراته ، والتي تشمل على وجه الخصوص التفردات الكمية. لا يعتمد التركيب والاستقلاب فحسب ، بل حتى الإجراءات الميكانيكية للكائنات الحية على الجزيئات المكونة لها. ومع ذلك ، فإن هذا لا يعني أنه يمكن اختزال الحياة ببساطة إلى قواعد كيميائية منتظمة.
الحياة هي واحدة من أكثر الظواهر تعقيدًا ، إن لم تكن أكثرها تعقيدًا. يتميز بشكل خاص بعملية التمثيل الغذائي والتكاثر ، والميزات أكثر مستويات عاليةيرجع تنظيمها الذاتي إلى هيكل المستويات الدنيا.
تستند النظرية الحديثة لأصل الحياة على فكرة أن الجزيئات البيولوجية يمكن أن تكون قد نشأت في الماضي الجيولوجي البعيد بطريقة غير عضوية. عادة ما يتم التعبير عن التطور الكيميائي المعقد بمثل هذا المخطط المعمم: الذرات ، والمركبات البسيطة ، والمركبات العضوية الحيوية البسيطة ، والجزيئات الكبيرة ، والأنظمة المنظمة. بدأ هذا التطور عن طريق التخليق النووي في النظام الشمسيعندما تشكلت العناصر الرئيسية ، بما في ذلك العناصر الحيوية. تنتقل الحالة الأولية - التخليق النووي - بسرعة إلى عملية تكوين مركبات كيميائية مختلفة التعقيد. تحدث هذه العملية في ظروف الأرض الأولية مع التعقيد المتزايد باستمرار ، بسبب المتطلبات الأساسية الكونية العامة والخاصة بالكواكب.
5. تخليق الجزيئات العضوية.
من المعروف منذ فترة طويلة أن الكيميائيين يمكنهم تصنيع المواد العضوية ، لكن فكرة إجراء تجارب منفصلة على تخليق المواد العضوية عن طريق إعادة إنتاج ظروف الأرض الأولية لم تكن أقل روعة من العديد من الفرضيات. بالطبع ، لا أحد يعتقد أنه من الممكن إعادة إنتاج ظروف مختبر كيميائي طبيعي عملاق بدقة ، والذي كان الأرض منذ 4.5 - 5 مليارات سنة. نحن نتحدث عن نمذجة تقريبية للظروف المفترضة نظريًا للأرض الأولية: جو خالٍ من الأكسجين ، ووجود مركبات كيميائية أولية: الميثان والماء والأمونيا ومصدر للطاقة (مصادر).
تم إجراء أول تجربة هادفة على تخليق الجزيئات العضوية المناسبة لتطوير الحياة من المكونات الأولية المزعومة للغلاف الجوي للأرض المبكر بواسطة دبليو جروث و إتش سوس في عام 1938. بعد تشعيع خليط غاز من CO2 و H2O بالأشعة فوق البنفسجية ، حصلوا على الفورمالديهايد والجليوكسال. وفقًا لغروث وسويس ، فإن نتائج هذه التجارب تفسر تكوين بعض المركبات العضوية ، "والتي ربما كانت شرطًا أساسيًا ضروريًا لتطور الحياة العضوية".
لاحقًا ، أخضع دبليو هاريسون وكالفن وآخرون (1951) أفكار أوبارين وهالدين للتحقق التجريبي. قاموا بتشعيع المحاليل المائية التي تحتوي على جزيئات تحتوي على أيونات حديدية ، والتي كانت في حالة توازن مع خليط غازي من ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين. تم الحصول على حمض الفورمالديهايد والفورميك والسكسينيك.
في عام 1953 ، أجرى ستانلي ميلر ، عالِم الفيزياء الفلكية بعد التخرج من جي.أوري الشهير في جامعة شيكاغو ، تجربة سُميت فيما بعد بتجربة كلاسيكية. تعرض الخليط الغازي من الميثان والأمونيا وبخار الماء والهيدروجين (لم يكن هناك وصول للأكسجين الحر إلى القارورة) بواسطة ميلر لتفريغ كهربائي قوي ، وتم الحصول على الأحماض الأمينية والسكريات وعدد من المركبات العضوية الأخرى. تكمن الأهمية الهائلة لتجربة ميلر في إثبات إمكانية وجود مسار غير عضوي لتكوين جزيئات شبيهة بالبروتين في ظل ظروف الأرض الأولية.
لقد أثرت تجربة ميلر العلم وعملت كحافز قوي للبحث الجديد. أثبت T. Pavlovskaya و A. أ.ويلسون ، بإضافة الكبريت إلى خليط ميلر الأولي ، حصل على جزيئات بوليمر كبيرة تحتوي على 20 ذرة كربون أو أكثر. استخدم S. Ponnamperuma مصباحًا فوق بنفسجي في التجارب كمصدر للطاقة - بعد كل شيء ، في ظروف الأرض الفتية الأشعة فوق البنفسجيةقدمت الطاقة الرئيسية. تمكنت Ponnamperuma من الحصول ليس فقط على الأحماض الأمينية والبورينات (اللبنات الأساسية للبروتينات والأحماض النووية ، على التوالي) ، ولكن أيضًا توليف هذه الجزيئات في بوليمرات. قام S. Fox من معهد التطور الجزيئي في ميامي بتصنيع جميع الأحماض الأمينية تقريبًا ، والتي بدونها ستكون الحياة مستحيلة. قام فوكس "بطهي" ما يسمى بـ "البروتينات الحرارية" من الأحماض الأمينية ، والتي تتشابه في تركيبها مع البروتينات. في الوقت نفسه ، تحولت البروتينات إلى قطرات رقيقة في المرق الذي أعده فوكس ، على غرار حبيبات أوبارين. وفقًا لأوبارين ، بدأت الحياة على الأرض من مثل هذه التكوينات.
قائمة الدراسات التجريبية طويلة جدًا. تظهر نتائجهم الرئيسية أن التطور الكيميائي ليس ثمرة عقل خامل ، ولكنه عملية طبيعية منتظمة تضع أسس الحياة.
6. الظروف الجيولوجية على الأرض الأولية.
كانت أول العقبات التي واجهتها في تطوير الجزيئات العضوية هي الظروف الجديدة على الأرض الفتية. جنبا إلى جنب مع تأثير العوامل الكونية (من بدايتها إلى الوقت الحاضر لا تزال الحياة تستجيب للعواصف الشمسية!) تظهر عوامل كوكبية محددة جديدة: تطور الغلاف الصخري والغلاف الجوي والغلاف المائي.
لم يكن هذا مجرد عائق أمام التطور المبكر ؛ خلقت الحياة نفسها منطقة وجودها - المحيط الحيوي. يعتقد بعض الخبراء بحق أن سلف الحياة لم يكن الكائن الأول ، بل المحيط الحيوي الأول. "الحياة ليست ظاهرة عشوائية ظاهريًا على سطح الأرض ،" كتب في آي. فيرنادسكي ، العالم والأكاديمي السوفييتي البارز. "يرتبط ارتباطًا وثيقًا ببنية قشرة الأرض ، ويتداخل مع آليتها ويؤدي وظائف ذات أهمية قصوى في هذه الآلية." في تاريخها الذي يبلغ مليار سنة ، ترتبط الكائنات الحية بسلسلة معقدة من التفاعل مع بعضها البعض ، وفي نفس الوقت ، ككل وكوحدات منفصلة ، فهي في تفاعل وثيق مع الأرض: سطح الأرض ، وأحواض المياه ، والجو. منذ لحظة نشأتها ، تبدأ الكائنات الحية في لعب دور جيولوجي شديد الأهمية ومتنوع. إنهم يعملون ليس فقط كمصممين عظماء ، ولكن أيضًا كمحركات رائعة ومنظمين لعدد من العمليات الجيولوجية والجيوكيميائية المعقدة.
تشكلت الأرض ككوكب منفصل في المرحلة الكونية الأولى من التطور الكيميائي. يخلق المستوى الأول من التنظيم في نظام معقدأرض. استمرت هذه المرحلة لنحو مليار سنة. ترتبط المرحلة الثانية ارتباطًا وثيقًا بالمرحلة الكونية ، والتي يصعب فصلها عنها. في بداية هذه المرحلة (المائة مليون سنة الأولى) تشكل الأرض أكثر من 80٪ من كتلتها. هذه المرحلة ليست مجرد وقت ، ولكن بالمعنى الكامل للكلمة حقبة مهمة عندما تتشكل المعادن الأولى والطبقات الأولى وتتشكل البنية الكلية للكوكب مع غلافاته الأرضية.
لذلك ، فإن قشرة الأرض صلبة بالفعل ، لكنها لا تزال رقيقة وعرضة لللين في مناطق معينة بسبب الضغوط التكتونية. يتكون أساسًا من مركبات السيليكون والألمنيوم والحديد والكالسيوم والمغنيسيوم والصوديوم والبوتاسيوم ، بالإضافة إلى عدد من المركبات الثانوية ، بما في ذلك المواد العضوية. في الوشاح تحت القشرة ، بسبب فصل الجاذبية ، تتراكم سيليكات الحديد والمغنيسيوم بشكل أساسي.
دور قشرة الأرض في التطور الجزيئي كبير جدًا. الكائنات الحية ترسم المعادن وغيرها من المواد غير العضوية و المكونات العضويةاللازمة لبناء الجسم والتمثيل الغذائي.
توفر قشرة الأرض دعماً للحياة ، لكن أحواض المياه الأولى أصبحت مهدها. في الواقع ، هناك بعض الفرضيات التي تفيد بأن الحياة لم تنشأ في حوض الماء ، ولكن على سطح الأرض في الغبار الذي شكله "المطر" النيزكي الدقيق.
الحياة كما نعرفها لا يمكن أن تنشأ بدون مياه مجانية. بالنسبة للمادة الحية ، فهي خالية تمامًا ، وليست مياهًا أو جليدًا مائيًا ، والتي توجد في النيازك أو على الكواكب الأخرى ، وهذا ضروري.
يشير وجود الماء في أجسام الكائنات الحية إلى أهميتها الكبيرة في عمليات الحياة. الكائنات الحية السفليةتحتوي على 95-99٪ ماء ، وأعلى منها - 75-80٪. مع انخفاض كميته إلى مستوى معين ، يحدث الموت.
من الصعب وصف حالة الغلاف المائي في أول 100-200 مليون سنة من وجود الأرض. وفقًا للكثيرين ، كان للأرض الفتية حوالي عُشر كتلة الماء الموجودة في المحيط الحديث. تم تشكيل التسعة أعشار المتبقية في وقت لاحق بسبب التفريغ الأجزاء الداخليةأرض. نتيجة لانطلاق الغاز والبخار من الوشاح تشكل الغلاف المائي والغلاف الجوي. تحتوي مادة الوشاح على 0.5٪ ماء ، ولكن حتى 10٪ من هذه الكمية تكفي لتشكيل الحجم الكامل لمحيطات اليوم. ربما كانت مياه المحيط مالحة منذ البداية. أثناء التفريغ ، كانت مواد عباءة الماء مشبعة بأنيونات الكلور والبروم وعناصر أخرى ، بالإضافة إلى ثاني أكسيد الكربون ، كبريتيد الهيدروجين ، ثاني أكسيد الكبريت. خلق هذا طابعًا حمضيًا طفيفًا للمحيط البدائي ، والذي تم تحييده بسبب المكونات القلوية التي تسببها الأمطار من القشرة البازلتية والتي تنقلها الأنهار إلى المحيط. هذه هي كاتيونات الصوديوم والمغنيسيوم والكالسيوم والبوتاسيوم وعناصر أخرى.
استمر التطور المبكر للغلاف المائي (المحيطات والبحار والأحواض القارية) في غياب الأكسجين الغازي. في ظل هذه الظروف وفي ظل وجود جو نقص الأكسجين ، يمكن أن تظهر الكائنات اللاهوائية فقط.
وجد علماء المحيطات أن المادة العضوية تحدث في حالة تعليق على شكل جزيئات فردية في كثير من الأحيان أكثر مما كان يعتقد سابقًا. من المعتقد أن تكون الرغوة في المحيط تلعب دورًا رئيسيًا في تكوين مثل هذه التراكمات من المواد العضوية. تشكل المادة العضوية غشاءً رقيقًا أحادي الجزيء على سطح المحيط ، تدمره الأمواج. عند جلدها بهذه الموجات ، تكتسب شكلًا كرويًا وتهبط مرة أخرى في الماء ، بينما يمكن أن تغوص إلى عمق معين وتبقى هناك على شكل قطرات صغيرة متقاربة.
تم تطوير فرضية coacervate في عام 1924 بواسطة Oparin. التماسك هو الانفصال التلقائي محلول مائيالبوليمرات إلى مراحل بتركيزات مختلفة. قطرات Coacervate لها تركيز عاليالبوليمرات. تم امتصاص بعض هذه القطرات من الوسط بواسطة مركبات ذات وزن جزيئي منخفض: أحماض أمينية ، جلوكوز ، ومحفزات بدائية. كان تفاعل الركيزة الجزيئية والمحفزات يعني بالفعل ظهور أبسط عملية التمثيل الغذائي داخل البروتوبيونات ("protobionts" في مصطلحات Oparin هي الهياكل البروتينية الأولى). تضمنت القطرات التي كان لها أيض مركبات جديدة من البيئة وازداد حجمها. عندما يصل coacervates إلى الحد الأقصى للحجم المسموح به في البيانات الحالة الجسدية، انقسموا إلى قطرات أصغر ، على سبيل المثال ، تحت تأثير الموجات. استمرت القطيرات الصغيرة في النمو مرة أخرى ثم شكلت أجيالًا جديدة من الحشائش.
تم إجراء المضاعفات التدريجية للبروتوبيونات عن طريق اختيار مثل هذه القطرات المتساقطة ، والتي كانت لها ميزة في أفضل استخداممادة وطاقة البيئة. الاختيار كسبب رئيسي لتحسين الكائنات الحية الأولية هو المكانة المركزية في فرضية أوبارين.
تكوين قطيرات متقاربة في طبقة دهنية أحادية الجزيء في واجهة الهواء والماء تحت تأثير الموجات.
يمكن أن تحدث عملية تركيز المواد العضوية أثناء المد المنخفض ، وتبخر الماء في البحيرات ، وكذلك أثناء الأمواج (كما هو مذكور أعلاه). تؤكد الأدلة العلمية بشكل متزايد أن الحياة لم تنشأ محيط مفتوح، وفي منطقة الجرف للبحر أو في البحيرات ، حيث أكثر الظروف المواتيةلتركيز الجزيئات العضوية وتشكيل أنظمة جزيئات معقدة.
7. تطور مركبات الكربون على الأرض الأولية.
يبدأ التطور الكيميائي الحيوي بتكوين قشرة الأرض ، أي منذ حوالي 4.5 مليار سنة. تعود جذوره إلى المرحلة الكونية المبكرة للتطور الكيميائي. تظهر نتائج أقدم الحفريات الجزيئية التي تتراوح أعمارها بين 3.5 و 3.8 مليار سنة أن التطور الكيميائي الحيوي الذي أدى إلى تكوين الخلية الأولى استمر حوالي مليار سنة. كان تكوين الخلية هو الأصعب في هذه الرحلة الطويلة.
كما لوحظ بالفعل ، تم إعداد مصدر المواد للتطور الكيميائي الحيوي في وقت سابق ، في المرحلة الكونية من التطور وفي بداية تكوين الغلاف الصخري الأساسي والغلاف المائي والغلاف الجوي. كانت هناك مصادر طاقة كافية لهذا: الإشعاع الشمسي ، طاقة حراريةباطن الأرض ، إشعاع عالي الطاقة ، تصريفات كهربائية (برق ورعد ، حيث تحدث موجات صدمة قوية). ربما ، في نفس الوقت ، نشأت أسس الانتقاء الطبيعي لجزيئات الكيمياء الحيوية المهمة.
يؤدي العدد المتاح من العناصر الكيميائية ووجود مصادر طاقة قوية إلى تكوين عدد كبير من الجزيئات. عن طريق تكثيف (تركيز) هذه الجزيئات البسيطة (الميثان ، الأمونيا ، الماء ، إلخ) ، تتشكل الجزيئات الكيميائية الحيوية الرئيسية: بعض الأحماض الأمينية ، التي تشكل أساس البروتينات ؛ بعض القواعد العضوية ، مثل الأدينين ، وهي مكونات الأحماض النووية ؛ بعض السكريات مثل الريبوز وفوسفاتها ؛ جزيئات بسيطة تحتوي على النيتروجين ، مثل البورفيرينات ، والتي تعد مكونًا مهمًا من الإنزيمات (الإنزيمات) ، إلخ. على الخطوة التاليةهناك تضخم في الجزيئات وتشكيل جزيئات كبيرة معقدة ، العناصر الحاسمةما يسمى ب "المرق الأولي" ، حيث تحدث البلمرة وربط المركبات ذات الوزن الجزيئي المنخفض بالوزن الجزيئي العالي. هذه المركبات الجزيئية المعقدة ، تسمى بروبيونات ، لها بنية مكانية مفتوحة ، مما يضمن نموها ، وكذلك الانقسام إلى تكوينات ابنة تحت تأثير القوى الميكانيكية. في هذه المرحلة ، عندما تظهر البوليمرات البيولوجية ، ظهرت أيضًا آلية التكاثر المتطابق (النسخ المتماثل) ، وهي السمة الرئيسية للحياة.
لقد ثبت أن القدرة على التكاثر الذاتي للكائنات الحية تعتمد على تكرار الأحماض النووية ، حيث لا يحدث فقط تكوين جزيئات جديدة ، ولكن أيضًا فصلها. غالبًا ما تمر المرحلة السابقة للبيولوجيا الكيميائية إلى مرحلة التنظيم الذاتي ، حيث تنشأ مجمعات جزيئية معقدة ذاتية التكاثر. هذه المجمعات الجزيئية تؤدي إلى الحياة. إن الحدود بين المرحلتين - مرحلة التطور الكيميائي البحت ومرحلة التنظيم الذاتي للجزيئات البيولوجية - تعسفية للغاية ولم يتم تحديدها في الوقت المناسب.
وفقًا لأوبارين ، مع ظهور التكاثر الذاتي للجزيئات العضوية ، بدأ التطور البيولوجي. هذا جمع اثنين خصائص مهمة: القدرة على التكاثر الذاتي للعديد من النيوكليوتيدات والنشاط التحفيزي لعديد الببتيدات. كانت أفضل احتمالات البقاء على قيد الحياة في اختيار ما قبل علم الأحياء هي تلك الأنظمة الجزيئية الفائقة التي تم فيها الجمع بين التمثيل الغذائي والقدرة على التكاثر الذاتي.
في هذه المرحلة ، أدت العمليات التطورية إلى تكوين نوع جديد من العلاقات الضرورية لمزيد من التطوير والتكاثر. لفهم أهمية هذا النوع من الاتصال في الطبيعة ، من الضروري تقديم مفهومين أساسيين - المعلومات والتعليمات: التعليمات "من" والمعلومات "لمن". من الضروري قول بضع كلمات عن المعلومات.
تعتبر نظرية المعلومات الحديثة مشكلة معالجة المعلومات ، وليس "إنتاجها". يجب إرسال المعلومات في شكل محدد بدقة. يمكن كتابتها برمز مناسب ، وعند إرسالها عبر القنوات ، تكون مصحوبة بضوضاء ، والتي يجب ترشيحها في جهاز الاستقبال. تعتقد النظرية الحديثة للمعلومات ، المستندة إلى بيانات علم الحفريات والجيولوجيا والفيزياء ، أن زيادة التعقيد الهيكلي وثراء المعلومات هي أهم سمة للتقدم التطوري.
"من من" و "لمن"؟ يتعلق هذان السؤالان بتفاعل الأحماض النووية والبروتينات كمكونات أساسية للحياة. في كتابه عن التطور الكيميائي ، يلاحظ M.Calvin أن مجموعة مكونات البروتين الموجودة حاليًا قد تم تحديدها مسبقًا في بداية التطور بواسطة المجموعة الأولية من الأحماض الأمينية. يتم تحديد هذه المجموعة من الأحماض الأمينية في البروتين من خلال تسلسل معين في بنية الأحماض النووية. تؤدي الأحماض والبروتينات النووية ثلاث وظائف بالغة الأهمية: التكاثر الذاتي ، والحفاظ على المعلومات الوراثية ، ونقل هذه المعلومات في عملية ظهور خلايا جديدة. ومن ثم ، فإن الأحماض النووية والبروتينات تتفاعل بشكل وثيق في التكاثر. ما الذي جاء أولاً: الحمض النووي أم البروتين؟ خيار جديدسؤال الدجاج والبيض القديم.
يُنظر إلى هذا السؤال على أنه عائق أمام محاولة تفسير أصل الحياة. حمض الديوكسي ريبونوكلييك (DNA) ، جنبًا إلى جنب مع الحمض النووي الريبي (RNA) ، مسؤولان عن تخليق البروتين. تذكر أحد الأحكام المركزية للبيولوجيا الجزيئية: بروتين DNA RNA. من هذا الموقف ، الذي يصف العملية الكيميائية لتخليق البروتين ، خلص بعض الباحثين إلى أن "pra-DNA كان على الأرجح أول كائن حي على وجه الأرض." لكن الحمض النووي لا حول له ولا قوة بدون بروتين ، وهذا هو السبب في أن فرضية DNA pra غير قابلة للتطبيق. كتب برنال: "إن بداية الحياة كجزيء DNA واحد على شاطئ المحيط البدائي ، هي حتى أقل منطقية مما كانت عليه في شكل آدم وحواء في الجنة."
في فهم مسألة أصل الحياة ، يمكن استبدال مفهومي "الحمض النووي" و "البروتين" بمفهومي "المعلومات التي تحتوي على تعليمات" و "الوظيفة". ثم السؤال "ما الذي يأتي أولاً؟" يصبح سخيفًا ، لأنه لا يمكن تنفيذ وظيفة معينة إذا لم تكن هناك معلومات. و "المعلومات" لا تكتسب معنى إلا من خلال الوظيفة التي تشفرها. لذلك ، في الطبيعة الحية ، يتم توجيه الانتقاء الطبيعي في نهاية المطاف إلى الحفاظ على وظيفة مفيدة للكائن الحي.
"مثل هذا النظام (المعلومات - الوظيفة) - يكتب إم. إيجن - يمكن مقارنته بعقدة مغلقة. على الرغم من أنه من الواضح أن الخيط الذي تتكون منه العقدة يجب أن يبدأ في مكان ما ، فإن نقطة البداية تفقد معناها ، لأن العقدة مغلقة. تتوافق العلاقات بين الأحماض النووية والبروتينات مع تسلسل هرمي معقد لـ "عقدة مغلقة".
في عملية تطوير الفرائض ، ولدت القدرة على نقل المعلومات. لقد وفرت مزايا هائلة لناقلاتها - مجمعات جزيئية معقدة. في المستقبل ، تؤدي هذه القدرة إلى تكوين تشبع معلوماتي ضخم للخلية الحية ، والذي يتم ضمانه بواسطة آليات دقيقة تم تشكيلها في عملية التطور. في هذه الحالة ، يتم تسجيل المعلومات على المستوى الذري. في مساحة صغيرة للغاية (على سبيل المثال ، يبلغ قطر الحيوان المنوي حوالي 0.1 مم) ، يمكن تسجيل كمية هائلة من المعلومات. تتضمن هذه المعلومات أدق التفاصيل ، حتى تلك ، وفقًا لـ J. Watson ، مثل "قدرتنا المتأصلة على ترفيه الآخرين".
يتم تسجيل السمات الرئيسية المكتسبة نتيجة لأي كائن حي نتيجة لتطور سابق طويل في برنامجها الوراثي. من المعروف منذ فترة طويلة أن الجزء الرئيسي من المعلومات الجينية موجود في أجسام رقيقة تشبه الخيوط - الكروموسومات الموجودة داخل الخلية. في الخمسينيات من القرن الماضي ، ثبت أن الجزء الأكثر أهمية من الكروموسومات يتكون من الحمض النووي. على ما يبدو ، فإن المادة الوراثية لجميع الكائنات الحية هي الحمض النووي ، باستثناء بعض الفيروسات التي تحتوي على الحمض النووي الريبي الأصلي. لا توجد حالات معروفة عندما تعمل جزيئات أخرى غير الأحماض النووية كمواد وراثية.
كشفت دراسات حيود الأشعة السينية التي أجراها M. Wilkins ، وخاصة عمل J. Watson و F. Crick ، عن بنية الحمض النووي. إنها سلسلة طويلة من المتواليات المتكررة: سكر - فوسفات - سكر - فوسفات - سكر - فوسفات ... وهكذا. يحتوي كل سكر (يسمى أيضًا deoxyribose) على مجموعة دائرية مستوية من مركب يحتوي على النيتروجين يسمى قاعدة النيتروجين المرتبطة به. هذه هي البيورينات ، التي لها حلقة مزدوجة كربون-نيتروجين ، وبيريميدين ، التي لها حلقة واحدة من هذا القبيل. الأكثر شيوعًا هي البيورينات - الأدينين (A) والجوانين (G) - والبيريميدين - الثايمين (T) واليوراسيل (U). تنتقل المعلومات الجينية بالتناوب بين هذه القواعد الأربعة في تسلسل معين. وبالتالي ، فإن جميع المعلومات الوراثية مكتوبة بلغة تحتوي على أربعة أحرف فقط. هل هذه اللغة فقيرة؟ إذا نظرتم إلى العالم، المليء بالتنوع والجمال ، يمكنك التأكد من أنه لا يتعارض مع تنوع الحياة ، بل يوفر الاستقرار. لكي "تقرأ" الخلية الرمز بسهولة وسرعة بدون تكاليف طاقة عالية ، يجب أن يعتمد على عدد صغير من الأحرف. في عملية التطور ، تم تشكيل مثل هذا الرمز الجيني. بالرغم من "تواضعه" إلا أنه يحمل الكثير من المعلومات.
يتم لف جزيء الحمض النووي بأكمله على شكل حلزون مزدوج. ترتبط سلسلتا اللولب بواسطة روابط هيدروجينية ، وتشكل ما يسمى بالنصفين التكميلي (الإضافي) ، والذي يمكن مقارنته بالنصفين الموجبين والسالبين. هذا يجعل من الممكن للجينات ، عند تكرارها ، تكوين نسخ سلبية إضافية ، يرتبط شكلها بـ "الموجب" الأصلي مثل مفتاح القفل. يعمل هذا "السلبي" الإضافي كمصفوفة (قالب) في تكوين نسخ إيجابية جديدة. وهكذا ، يتشكل زوجان من السلاسل المتطابقة حيث كان يوجد في السابق زوج واحد فقط. يبدو أن عملية النسخ هذه مميزة لأي كائن حي.
في تنفيذ تفاعلات كيميائية متنوعة في المادة الحية ، إضافة إلى الأحماض النووية ، مادة أخرى مجموعة كبيرةالجزيئات بروتينات.
تتكون البروتينات من 20 نوعًا من الأحماض الأمينية ، والتي ترتبط ببعضها البعض فيما يسمى بسلسلة البولي ببتيد.
قدرة البروتينات على التكون الهياكل المعقدةيسمح لهم بتوفير التنظيم الدقيق للتفاعلات الكيميائية الحيوية. لديهم تنوع وظيفي هائل وقدرة هائلة على التعرف.
ضع في اعتبارك بعض الأحكام الأساسية للشفرة الجينية. هل يمكن لأربعة عناصر (أربعة قواعد DNA) التحكم في تسلسل 20 حمضًا أمينيًا في البروتين؟ تظهر نتائج البحث أن أي حمض أميني مكتوب (مشفر) بمزيج من ثلاث قواعد ، ما يسمى بالشفرة الثلاثية. لذلك ، على سبيل المثال ، يتم ترميز الفينيل ألانين بواسطة UUU الثلاثي - سلسلة من ثلاثة uracils. الحمض النووي نفسه ، وهو جوهر الكود ، يشارك في تخليق البروتين ليس بشكل مباشر ، ولكن بشكل غير مباشر من خلال نوعين من الحمض النووي الريبي: المصفوفة أو المعلوماتية (mRNA) والنقل (الحمض الريبي النووي النقال). إنهم قادرون على بناء ليس فقط مجموعات عشوائية من الأحماض الأمينية ، لكنهم أيضا قادرون على بناء بوليمرات البروتين المطلوبة. ربما تكون الريبوسومات الأولية تتكون فقط من الحمض النووي الريبي. يمكن لمثل هذه الريبوسومات الخالية من البروتين تصنيع الببتيدات المرتبة بمشاركة جزيئات الحمض الريبي النووي النقال التي ترتبط بـ mRNA من خلال الاقتران الأساسي. مركب-
يستنسخ la RNA الشفرة الوراثية المسجلة في DNA وينقل السجل إلى الريبوسومات الموجودة في السيتوبلازم. هذه جسيمات داخل الخلايا تحت المجهرية يتم فيها "تجميع" البروتينات من الأحماض الأمينية. الشفرة الجينية هي نفسها لجميع الكائنات الحية.
من المفترض أن الكود كان في البداية أكثر بدائية ، لكن تم تحسينه في عملية التطور من خلال الانتقاء الطبيعي ، أي وفقًا للقوانين البيولوجية. لذلك ، فإن عالمية الكود لا تفسر بحقيقة أن كود آخر لا يمكن أن يوجد لأسباب كيميائية ، ولكن من خلال حقيقة أن أي تغيير فيه سيكون قاتلاً. من المعروف أن المعلومات الجينية يتم تسجيلها على المستوى الذري وأي "خطأ" حتى في عدد قليل من الذرات يمكن أن يؤدي إلى عواقب وخيمة. اللولب المزدوج الأنيق لجزيء الحمض النووي رقيق للغاية (عرضه 10 ذرات) ، لكن الحياة تعتمد عليه.
مع تكوين أنظمة جزيئية معقدة (الأحماض النووية ، والبروتينات ، بما في ذلك الإنزيمات) وآلية التكاثر المتطابق (الشفرة الجينية) ، يضيء فجر الحياة على الأرض. في بداية المرحلة التالية ، التي لا يمكن تحديد حدودها بدقة ، تتشكل أغشية - عضيات بيولوجية تكون مسؤولة عن شكل الخلية وبنيتها ونشاطها. أغشية بيولوجيةمصنوعة من مجاميع من البروتينات والدهون القادرة على فصل المواد العضوية عن البيئة وتكون بمثابة غلاف جزيئي واقي. من المفترض أن تكوين الأغشية يمكن أن يبدأ حتى في عملية تكوين الأوتاد. ولكن من أجل الانتقال من المواد الحية المتزامنة إلى المادة الحية الحقيقية ، لم تكن هناك حاجة إلى الأغشية فحسب ، بل كانت هناك حاجة أيضًا إلى محفزات للعمليات الكيميائية - الإنزيمات (الإنزيمات). أدى الانتقاء البريبيولوجي للحوامل المصاحبة إلى زيادة تراكم البوليمرات الشبيهة بالبروتينات المسؤولة عن تسريع التفاعلات الكيميائية. تم تسجيل نتائج الاختيار في بنية الأحماض النووية. تم تحسين نظام سلاسل العمل الناجحة (ذات المغزى) للنيوكليوتيدات في الحمض النووي بدقة من خلال الاختيار. يعتمد ظهور التنظيم الذاتي على كل من المتطلبات الأولية الكونية (الكيميائية) والظروف المحددة لبيئة الأرض. نشأ التنظيم الذاتي كرد فعل لظروف معينة.
مرحلة ما قبل علم الأحياء هي مرحلة كيميائية ويمكن وصفها بالمبادئ ميكانيكا الكم. يتميز بتطور متباين (متعدد الاتجاهات). في الوقت نفسه ، تم "استبعاد" العديد من الخيارات المختلفة غير الناجحة ، إلى أن تلقت السمات الهيكلية الرئيسية للأحماض النووية والبروتينات "تقييمًا" ممتازًا للانتقاء الطبيعي. ربما كانت هناك خيارات أخرى ، في تنفيذ الحياة التي كانت ستكتسب ميزات أخرى.
تم تشكيل الشفرة الجينية ، على ما يبدو ، في اخر خطوةتطور النظم العضوية المعزولة طورًا (بروبيونات). اكتسبت هذه الأنظمة القدرة على تحسين تنظيمها من خلال ما قبل علم الأحياء
اختيار الأنظمة نفسها ، وليس فقط الجزيئات الفردية. كان هذا بالفعل هو المستوى التالي من التطور الكيميائي الحيوي ، والذي ضمن ثبات البنية المكانية والديناميكية للأنظمة فوق الجزيئية وزيادة قدراتها المعلوماتية. ربما ، في نفس الوقت ، تم وضع بداية تخصص نوعين من الأحماض النووية - DNA و RNA. برز الحمض النووي باعتباره "المبرمج والمفتش" الرئيسي للتكاثر الذاتي الجزيئي. تولى الجيش الملكي النيبالي دور "المخبر" والناقل للبرنامج الجيني. يعتقد عدد من العلماء أن الأشكال الأولى من الأحماض النووية تم تمثيلها بواسطة بوليمرات تشبه الحمض النووي الريبي ، والتي جمعت بين القدرة على تجميع ونقل المعلومات الجينية والمشاركة في تخليق البروتين. فتح تقسيم الوظائف بين نوعي الأحماض النووية آفاقًا جديدة للتطور. كتب أوبارين: "في عملية تطور البروبيونات ، تمت تجربة ورفض خيارات تنظيمية لا تقل عن ذلك ، وربما أكثر من ذلك ، على سبيل المثال ، الخطوات بين زعانف القرش ويد الإنسان."
بعد تكوين الشفرة الجينية ، يصبح التطور موضوعًا متنوعًا. كلما تقدمت في الوقت المناسب ، كلما كانت الاختلافات أكثر عددًا وتعقيدًا. ومع ذلك ، لا يزال التطور في البداية. 1-1.2 مليار سنة مرت منذ تشكل الأرض. تم تطوير Probionts بلا شك في بيئة لاهوائية. لقد استخدموا مركبات عضوية جاهزة تم تصنيعها في سياق التطور الكيميائي لنموها ، أي أنها كانت غيرية التغذية. احتاجت البروبيونات إلى أنواع مختلفة مركبات كيميائية- نيوكليوتيدات وأحماض أمينية وما إلى ذلك. إذا سلمت البروبيونات نفسها للاستهلاك دون إنتاج أي شيء ، فسيتم استنفاد المادة العضوية بسرعة. امتلك بروبيونتس أيضًا معاق(درجة منخفضة من المعلومات الوراثية) من أجل التعامل بسهولة مع العقبات الناشئة في الظروف التي تضمن وجودها عن طريق الانتشار. من المستحيل أن نتخيل أن الحياة في هذه المرحلة المبكرة كانت موجودة في شكل نوع واحد من الكائنات الحية: سوف تستنفد بسرعة "حساءها البدائي". كما أظهر التطور اللاحق ، اختار الفرسان المسار بآفاق متفائلة. في المرحلة الأولى ، كان هناك ميل لاكتساب مجموعة متنوعة من الخصائص ، أولاً وقبل كل شيء ، إلى ظهور القدرة على تصنيع المواد العضوية من المركبات غير العضوية باستخدام ضوء الشمس، وهذا هو ، لظهور التغذية الذاتية. تمت "تجربة" العديد من الخيارات قبل الوصول إلى نتيجة مهمة للغاية - ظهور العضيات. وتشمل هذه: الميتوكوندريا المسؤولة عن التمثيل الغذائي للخلايا. البلاستيدات الخضراء التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي ؛ الريبوسومات - المكان الذي تتم فيه عملية تخليق البروتين وفقًا لتعليمات الحمض النووي ؛ الكروماتين وتماثله المتأخر للكروموسوم ، وهما المسؤولان عن النقل الدقيق للصفات الوراثية. يعترف J.Bernal منطقيا أنه قبل عزل الخلايا ، اجتازت العضيات مرحلة الحياة المستقلة.
في وقت من الأوقات ، اقترح هالدين أن العاثيات والفيروسات الأخرى ، على ما يبدو ، هي الرابط بين ما قبل الحياة (بروبيونات) والحياة. لكن الفيروس ليس كائنًا حيًا ، وليس له أيض خاص به ويمكن أن يتكاثر فقط عندما يدخل الخلية. من الواضح أن هذه أشكال متدهورة (مبسطة بشكل ثانوي) ، والتي تشبه في كثير من النواحي
أكثر الكائنات الحية بدائية هي ما يسمى بالميكوبلازما. لديهم عناصر موجودة في الخلايا ، ولكن بشكل مبسط للغاية. قد يشير هذا إلى البدائية ، ولكن قد يكون أيضًا بسبب الانحطاط الثانوي المرتبط
في عام 1977 ، أعلن عالم الكيمياء الحيوية الأمريكي سي. فوس على نطاق واسع عن نتائج إحدى دراساته ، والتي أعلن عنها اكتشاف الشكل الأول للحياة. في الينابيع الساخنة (65-70 درجة مئوية) في حديقة يلوستون ، وجد كائنات دقيقة تمتص ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين وتطلق غاز الميثان. نظرًا لأن شكلين رئيسيين للحياة معروفان اليوم - النباتات والحيوانات ، فقد أُعلن أن الكائنات الحية المنتجة للميثان هي الشكل الثالث لها. ولكن من حيث الجوهر ، هل هو الشكل الثالث للحياة أم الشكل الأول ، الذي أدى لاحقًا إلى ظهور الآخرين.
من المقبول عمومًا الآن أن البروبيونات لها سمات "البكتيريا" المنتجة للميثان في يلوستون وتعيش بدون أكسجين ، عن طريق التخمير. لا جدال في اكتشاف فوز فيما يتعلق بتطوير الكائنات الحية الدقيقة المنتجة للميثان. ولكن ما إذا كانوا يمثلون الكائنات الحية الأولى أم أنهم نتيجة للتكيف الثانوي وانحلال البكتيريا غير معروف.
قبل العديد من الخبراء رسالة K. البكتيريا اللاهوائيةالتي تعيش من خلال أنواع مختلفة من التخمر أو التمثيل الضوئي أو العمليات الكيميائية. يستشهد K. Grobshtein ، عالم الأحياء والكيمياء الحيوية الأمريكي أمثلة مميزةتكيف البكتيريا مع المحاليل الساخنة (حتى 80 درجة مئوية) عن طريق "الاستعمار" المتتالي من قبل أجيال مختلفة من مناطق درجة الحرارة الفردية ، والتي تتراوح من 30 إلى 80 درجة مئوية.
خاتمة.
من الواضح أن الحياة الحقيقية تبدأ بظهور الخلية. تساعد الأغشية البيولوجية على توحيد العضيات الفردية (العضيات الغشائية والعضيات الجسيمية) في كيان واحد. يتكون الأساس الحقيقي للحياة ، مما يمثل قفزة في التطور. من الواضح أن الخلايا الأولى بدائية ، وليس لديها نواة (بدائيات النوى). البكتيريا وبعض الكائنات الحية الدقيقة الأخرى موجودة حاليًا. ظهرت منذ حوالي 3.2-3.5 مليار سنة. ثم بدأ تطور الخلية بنواة (حقيقيات النوى) تحتوي على الكروموسومات - وهي عضيات تخزن بمساعدة الحمض النووي وتنقل الصفات الوراثية للخلية.
كانت الخلايا الأولى هي النموذج الأولي لجميع الكائنات الحية: النباتات والحيوانات والبكتيريا. في وقت لاحق ، في عملية التطور ، تحت تأثير قوانين الانتقاء الطبيعي الداروينية ، يتم تحسين الخلايا ، بعد بدائيات النوى وحقيقيات النوى ، يتم فصل فئة ثالثة - خلايا متخصصة ذات خلايا ونباتات وحيوانات أعلى - الميتافيتات والميتازوا.
العمليات المعقدة للتطور الكيميائي ، والتي تتحول إلى الكيمياء الحيوية و التطور البيولوجي، يمكن التعبير عنها في شكل مخطط بسيط: الذرات ، والجزيئات البسيطة ، والجزيئات الكبيرة المعقدة والأنظمة فوق الجزيئية (بروبيونات) ، والكائنات أحادية الخلية.
تم اتخاذ الخطوة الأولى. كان هذا هو الأصعب. في مرحلة تطور ما قبل علم الأحياء ، تمت "تجربة" العديد من الخيارات لمزيد من التطوير لمركبات الكربون الأولية. يمكن تخيل البداية على أنها تشابك معقد لمسارات مختلفة تتباعد تدريجيًا ، وتختار الحياة مسارًا واحدًا. يبقى البعض الآخر طرقًا إلى أي مكان.
قائمة الأدب المستخدم.
1. Goldsmith D.، Owen T. "البحث عن الحياة في الكون"، M.، 1983
2. كالفين م. "التطور الكيميائي" ، م ، مير ، 1971
3. Nikolov T. "Long way of life"، M.، Mir، 1986
4. Ponnamperuma S. "The Origin of Life"، M.، Mir، 1977
5. فوكس س ، دوز ك. "التطور الجزيئي وظهور الحياة" ، م ، مير ، 1975
6. هورويتز ن. "البحث عن الحياة في النظام الشمسي" ، م. ، مير ، 1988
7. Shklovsky I. S. "الكون. حياة. Mind "، M. ، Nauka ، 1987
8. Yugay G. A. " النظرية العامةالحياة "، M. ، الفكر ، 1985
الطرق الرئيسية لتطور النباتات والحيوانات والبشر.
أصل الحياة على الأرض.
تعد مشكلة أصل الحياة من أكثر الأسئلة إثارة للاهتمام وفي نفس الوقت الأقل دراسة. لم يتم حل لغز الألغاز هذا بعد ، ومن غير المرجح أن نقول بيقين تام أن الحياة نشأت بهذه الطريقة وليس بطريقة أخرى. ستتميز أحكامنا دائمًا بإمكانية إثبات غير كاملة ، ونسبة كبيرة من الافتراضات والتحقق الضعيف من البيانات الواردة. هناك العديد من التخمينات والأحكام المتعلقة بأصل الحياة على الأرض. دعونا ننظر في أهمها.
نظرية الخلق- الحياة خلقها الخالق في زمن معين. وفقا لفلسفة الخلق (من اللات. كريسيو- الخلق) ظهور الحياة يشير إلى حدث معين في الماضي يمكن حسابه. لذلك ، في عام 1650 رئيس الأساقفة أشيرمن أيرلندا حسبت أن الله خلق العالم في أكتوبر 4004 قبل الميلاد ، وفي الساعة 9 صباحًا يوم 23 أكتوبر والإنسان. حصل على هذه الأرقام من تحليل الأعمار والروابط العائلية لجميع الأشخاص المذكورين في الكتاب المقدس. ومع ذلك ، بحلول ذلك الوقت ، كانت الحضارة قد تطورت بالفعل في الشرق الأوسط ، وهو ما أثبتته الحفريات الأثرية. ومع ذلك ، فإن مسألة خلق العالم والإنسان ليست مغلقة ، حيث يمكن تفسير نصوص الكتاب المقدس بطرق مختلفة.
نظرية الأصل العفوي للحياةموجودة في بابل ومصر والصين كبديل لنظرية الخلق. لقرون عديدة ، كان الناس يؤمنون بالجيل التلقائي للحياة ، معتبرين ذلك بالطريقة المعتادةظهور الكائنات الحية من مادة غير حية. على سبيل المثال ، كتب أرسطو أن الضفادع والحشرات تتكاثر في الأرض الحية. يعتقد أناكسيماندر أن الحياة نشأت من طمي البحر. هيلمونتتوصلنا إلى وصفة للحصول على الفئران من القمح والغسيل المتسخ. مع انتشار المسيحية ، تم إعلان أفكار الجيل التلقائي بدعة ، ولم يتم تذكرها لفترة طويلة.
في عام 1688 ، أثبت عالم الأحياء والطبيب في فلورنسا فرانشيسكو ريدي أن الديدان البيضاء الصغيرة التي تظهر على اللحوم المتعفنة هي يرقات ذبابة. قام بتجربة وجهت أول ضربة ملموسة لنظرية التوليد التلقائي للحياة. وضع ريدي ثعابين ميتةفي عبوات زجاجية. ترك جزء مفتوح ، وجزء مغطى بشاش. سرعان ما ظهرت يرقات الذباب في جرار مفتوحة ، ولكن ليس في أوعية مغلقة. كما صاغ المبدأ: Omne vivum e vivo (كل شيء حي من حي).تطرح نظرية التولد الحيوي مشكلة. "إذا كان كائن حي آخر ضروريًا لظهور كائن حي ، فمن أين أتى أول كائن حي؟"
كانت التجارب دليلاً آخر على تناقض نظرية التوليد التلقائي للحياة لويس باستور(1860) أظهر أن البكتيريا يمكن أن تكون في كل مكان ويمكن أن تصيب مادة جامدة. للتخلص منها ، التعقيم (البسترة) ضروري.
نظرية بانسبيرميا(إمكانية نقل الحياة في الكون من جسم كوني إلى آخر) لا توفر أي آلية للظهور الأولي للحياة وتنقل المشكلة إلى مكان آخر في الكون. يعتقد السويدي أ. أرهينيوس أن "بذور الحياة" يمكن أن تكون قد ألقيت على الأرض من كواكب أخرى. يمكنهم السفر مع النيازك أو على جزيئات الغبار الكوني ، ولكن من الصعب شرح كيف يمكن للكائنات الحية الدقيقة البقاء على قيد الحياة مثل هذه الرحلات الطويلة دون الحماية من الأشعة فوق البنفسجية. ومرة أخرى ، كيف نشأت الحياة من شخص آخر جسم الفضاءالتي "هاجرت" منها هذه الخلافات؟
في أواخر الستينيات ، استؤنفت شعبية هذه النظرية. كان هذا بسبب حقيقة أنه في دراسة النيازك والمذنبات ، تم اكتشاف العديد من "سلائف الكائنات الحية" - المركبات العضوية ، حمض الهيدروسيانيك ، الماء ، الفورمالديهايد ، السيانوجين. في عام 1975 ، تم العثور على سلائف الأحماض الأمينية في تربة القمر والنيازك. أنصار البانسبيرميا يعتبرونها "بذور زرعت على الأرض".
نظرية A.I. أوبارينا.في عام 1924 ، عالم سوفيتي أ. أوباريننشر أعمالًا أوجز فيها أفكارًا حول كيفية نشأة الحياة على الأرض ("من العناصر المتباينة إلى المركبات العضوية" و "من المادة العضوية إلى كائن حي"). كان يعتقد أن المواد العضوية (الهيدروكربونات) يمكن أن تتشكل في المحيط من مركبات أبسط. من المحتمل أن تكون طاقة تفاعلات الاندماج هذه تأتي من مكثفة اشعاع شمسي(الأشعة فوق البنفسجية) ، التي سقطت على الأرض قبل تشكل طبقة الأوزون ، والتي بدأت بعد ذلك في حبس معظمها. وفقًا لأوبارين ، (1) تنوع المركبات البسيطة الموجودة في المحيط ، (2) مساحة سطح الأرض ، (3) توافر الطاقة ، و (4) المقاييس الزمنية تشير إلى تراكم المواد العضوية تدريجيًا في تشكل المحيط و "الحساء البدائي" - حل متماسكحيث يمكن أن تنشأ الحياة.
إن لحظة الانتقال من الجماد إلى الحي هي لحظة حاسمة من وجهة نظر منهجية وفلسفية. وفقًا لأوبارين ، تنشأ الحياة على مستوى الهياكل متعددة الأبعاد - تتساقط في "لحظة سقوط الهلام أو تكوين الهلام الأصلي". مع بعض التحفظات ، يمكن اعتبار هذه القطعة من المخاط العضوي ، التي ظهرت لأول مرة ، هي الكائن الأساسي. هذا هو جوهر نظرية أوبارين.
تم التعبير عن أفكار مماثلة في عام 1928 من قبل عالم الأحياء الإنجليزي J. هالدين(قبل ترجمة أعمال Oparin إلى اللغة الإنجليزية). كان يعتقد أن الغلاف الجوي للأرض كان غنيًا بثاني أكسيد الكربون حتى قبل ظهور الحياة. كواحد من العوامل الحاسمةلظهور الحياة ، اعتبر الأشعة فوق البنفسجية للشمس. تحت تأثير هذا النوع من الطاقة ، تشكلت مجموعة متنوعة من المركبات العضوية في الغلاف الجوي الأساسي للأرض. يمكن أن تشمل هذه السكريات وبعض الأحماض الأمينية اللازمة لبناء البروتين. وفقًا لهلدان ، ربما كانت الكائنات الحية الأولى عبارة عن جزيئات ضخمة.
في عام 1953 ستانلي ميلرجهازًا كان من الممكن من خلاله إعادة إنتاج الظروف التي كانت موجودة على الأرض البدائية في صورة مصغرة ، بما في ذلك المحيط والغلاف الجوي الأساسي. كان الغلاف الجوي في النموذج عبارة عن خليط من الهيدروجين الغازي والأمونيا والميثان. تم تركيب أقطاب كهربائية في الحجرة لاستقبال شحنات كهربائية تحاكي البرق - مصدر محتملالطاقة للتفاعلات الكيميائية على الأرض البدائية. استغرق الأمر أسبوعًا واحدًا فقط لإيجاد العديد من المركبات العضوية المختلفة في الإعداد التجريبي. كان من الأمور ذات الأهمية الخاصة حقيقة أنه تم العثور على سلائف بعض الأحماض الأمينية في هذا الخليط. لذلك ، أثبتت تجربة ميلر أن المواد العضوية يمكن أن تتشكل على الأرض البدائية دون مشاركة الكائنات الحية. في حالة عدم وجود الأكسجين لتدميرها ، والبكتيريا والفطريات لاستخدامها كغذاء ، يجب أن تكون هذه المواد قد تراكمت بالفعل في المحيط البدائي لتتماشى مع المرق.
سيدني فوكسكما أجرى تجارب مثيرة للاهتمام. قام بتسخين خليط جاف من الأحماض الأمينية وحصل على سلاسل من الأحماض الأمينية ، والتي تم تسميتها البروتينات(أي مواد شبيهة بالبروتين). يمكن أن تتحد أنواع مختلفة من البوليمرات المختلطة في الماء وتشكل هياكل أكبر. على الأرض البدائية ، يمكن أن يحدث تكوين مثل هذه المركبات في البرك المتروكة بعد انخفاض المد ، عندما يتبخر الماء فيها في الأيام المشمسة الحارة. بعض البروتينات قادرة على تحفيز تفاعلات كيميائية معينة. ربما كانت هذه القدرة هي السمة الرئيسية التي حددت تطورها اللاحق حتى ظهور الإنزيمات الحقيقية.
نظرية أوبارينحصل على اعتراف في جميع أنحاء العالم ، ولكن لا يزال من غير الواضح كيفية الانتقال من المواد العضوية المعقدة إلى الكائنات الحية البسيطة. حتى الآن ، لا توجد وجهة نظر واحدة حول هذه المسألة. تتجه معظم الآراء إلى الاعتراف بهذه العملية على أنها عشوائية - أي. نتيجة لتفاعل أبسط المواد ، تشكل فجأة جزيء قادر على التكاثر. عالم الوراثة الأمريكي المشهور الحائز على جائزة جائزة نوبل 1937 هيرمان ميلر. وفقًا لميلر ، نشأت الحياة في شكل جين - الوحدة الأولية للوراثة - عن طريق مزيج عشوائي من المجموعات الذرية والجزيئات الموجودة في مياه المحيط البدائي. ومع ذلك ، في عام 1966 عالم الكيمياء الحيوية الألماني شرامحسبت احتمالية توليفة عشوائية من 6000 نيوكليوتيد تشكل الحمض النووي الريبي لفيروس موزاييك التبغ وحصلت على رقم رائع - 1/10 2000. هذا يعني أنه من المستحيل عمليا الحصول على مثل هذا الجزيء في الكون. لذلك ، فإن فرضية الاتصال العشوائي لا تتمتع بالاعتراف. عالم الفلك الشهير فريد هويلعلق على هذا على النحو التالي: "هذه الفكرة سخيفة وغير قابلة للتصديق مثل التأكيد على أن إعصارًا اجتاح مكبًا للقمامة يمكن أن يؤدي إلى تجميع طائرة بوينج 747."