ביולוגיה- מדע המקור וההתפתחות של החיים, מבנהו, צורות הארגון ושיטות הפעילות שלו. ביולוגיה מודרנית היא ידע דינמי שמשתנה ממש מול עינינו. הצטברות דמוית מפולת של נתונים ניסויים חדשים עולה לפעמים על אפשרויות הפרשנות וההסבר התיאורטיים שלה. מספר המחקרים הבין-תחומיים בצומת של ביולוגיה וכימיה, ביולוגיה ופיזיקה, ביולוגיה ואנתרופולוגיה וכו' הולך וגדל במהירות. הדבר, בתורו, מצריך שימוש בשיטות ובאמצעים שבעבר היו זרים לחלוטין לביולוגיה. יש כבר יותר מ-50 מדעים בתוך המתחם ידע ביולוגי, ביניהם: בוטניקה וזואולוגיה, גנטיקה וביולוגיה מולקולרית, אנטומיה ומורפולוגיה, ציטולוגיה וביו-גיאוקנולוגיה, ביו-פיזיקה וביוכימיה, פליאונטולוגיה ואמבריולוגיה, ביולוגיה אבולוציונית ואקולוגיה וכו'. מגוון כזה של דיסציפלינות מדעיות מוסבר על ידי מורכבות האובייקט של לימוד - חומר חי.

ביולוגיה צצה ו במשך זמן רבפותח כמדע תיאורי, המבצע ניתוח וסיווג של חומר אמפירי ענק (2.5). הביולוגיה המודרנית עדיין מתמודדת עם המשימה של סיווג המגוון של אורגניזמים חיים. מאמינים שרק שני שלישים תוארו עד כה. מינים קיימים, ואלה הם 1.2 מיליון בעלי חיים, 500 אלף צמחים, מאות אלפי פטריות, כ-3 אלף חיידקים וכו'. בכל זאת, ב ביולוגיה מודרניתחלו שינויים מתודולוגיים משמעותיים. במאה העשרים. הידע הביולוגי קיבל אופי מסביר. הביולוגיה המודרנית משתמשת בגישות גנטיות ומערכת מבניות. הראשון עוסק במקור ובאבולוציה של חומר חי, בגורמים, במנגנונים ובתכונות של ביוגנזה. במסגרת השנייה נלמדות רמות שונות של ארגון יצורים חיים, עקרונות תפקודם, תכונות מערכות יחסים וכו'.

תכונה במה מודרניתפיתוח הידע הביולוגי הוא הקשר ההדוק שלו לא רק עם מדעים אחרים של מכלול מדעי הטבע, אלא גם עם מדעי הרוח ו קוגניציה חברתית. המרכיב הערכי של הידע הביולוגי רק מתגבר עם התפתחותה של דיסציפלינה מדעית זו. ההתקדמות בביופיזיקה ובביוכימיה, ביולוגיה מולקולרית וגנטיקה מאפשרות לנו לדבר על פריצת דרך בידע שלנו על מהות היצורים החיים. אולם, כשהולכת ומתקרבת לפענוח תעלומת החיים, האנושות מתמודדת עם בעיות תפיסת עולם רבות, שפתרונן הכרחי, לרבות למטרות שימור עצמי והישרדות. בהקשר זה, חלק מהנתונים של הביולוגיה המודרנית דורשים השתקפות ופרשנות פילוסופית. יחד עם זאת, מתברר כי הביולוגיה קשורה קשר הדוק לצרכים מעשיים, יתר על כן, מספר עצום של בעיות תיאורטיות מתעוררות בדיוק לפתרון בעיות מעשיות ספציפיות: רפואיות, סביבתיות, כלכליות, פוליטיות וכו'. כל השינויים הללו מצביעים על: באמצע של המאה ה-20. בביולוגיה הייתה מהפכה מדעית דומה בקנה מידה למהפכה בפיזיקה ובאסטרונומיה.

הביולוגיה המודרנית מאשרת את האחדות של החומר החי בכל הרמות, ומייצגת את עולם החיים כמערכת ענקית של מערכות שבהן לכל רכיב יש משלו. מאפיינים ספציפייםומתחבר עם אחרים על ידי סוג מיוחד של חיבור. התפתחות הידע מובילה לטרנספורמציה הדרגתית של רעיונות על מהות החיים, אחדות האבולוציה הקוסמית והביולוגית, האינטראקציה של הביולוגי והחברתי באדם וכו'. נתונים ביולוגיים חדשים משנים את תמונת העולם שהייתה. נוצר על ידי הפיזיקה במשך זמן רב. תגליות בביולוגיה קובעות את המשך ההתפתחות של כל מדעי הטבע. לכן התמונה המדעית המודרנית של העולם היא בלתי אפשרית ללא ידע ביולוגי. יתרה מכך, הביולוגיה הופכת לבסיס שעליו נוצרים עקרונות השקפת עולם חדשים הקובעים את ההבנה העצמית של אדם במאה ה-21. (7.3).

5.2. רעיונות מודרניים על מקור החיים

ההופעה והאבולוציה של מערכות ביולוגיות היא הנושא ההתחלתי של הביולוגיה. כל שאר הבעיות והשאלות המדעיות המסוימות מתרכזות סביבו, ונבנות גם הכללות ומסקנות פילוסופיות.

בהתאם לשתי עמדות השקפת העולם העיקריות - החומרני והאידיאליסטי - גם בפילוסופיה העתיקה התפתחו מושגים מנוגדים של מקור החיים: הבריאתנות והתיאוריה המטריאליסטית של מקור הטבע האורגני מאי-אורגני. תומכים בריאתנותטוענים שהחיים התעוררו כתוצאה ממעשה של יצירה אלוהית, עדות לכך היא נוכחות באורגניזמים חיים של כוח מיוחד השולט בכל התהליכים הביולוגיים. תומכי המושג מקור החיים מ טבע דומם טוענים שהטבע האורגני נוצר עקב פעולתם של חוקי הטבע. מאוחר יותר עמדה זו קונקרטית ברעיון של יצירת חיים ספונטנית. הרעיון של יצירה ספונטנית, למרות הטעות שלו, מילא תפקיד חיובי; הניסויים שנועדו לאשר אותו סיפקו חומר אמפירי עשיר למדע הביולוגי המתפתח. הדחייה הסופית של רעיון הדור הספונטני התרחשה רק במאה ה-19.

במאה ה 19 הועלתה גם השערת הקיום הנצחי של החיים ומקורם הקוסמי על פני כדור הארץ. ב-1865 הציע הרופא הגרמני ג'י ריכטר שחיים קיימים בחלל ומועברים מכוכב לכת אחד למשנהו. בשנת 1907, המדען השבדי ס. ארניוס העלה השערה דומה, לפיה חיידקי החיים קיימים לנצח ביקום, נעים בחלל החיצון בהשפעת קרני האור ומתיישב על פני כדור הארץ. לחיים. השערה זו נקראת פנספרמיה. בתחילת המאה העשרים. הרעיון של המקור הקוסמי של מערכות ביולוגיות על פני כדור הארץ ונצחיות קיומם של חיים בחלל פותח על ידי המדען הרוסי V.I. ורנדסקי.

במדע המודרני, ההשערה של מקור אביוגני (לא ביולוגי) של חיים בהשפעת סיבות טבעיותכתוצאה מתהליך ארוך של אבולוציה קוסמית, גיאולוגית וכימית - אביוגנזה.המושג האביוגני אינו שולל את האפשרות לקיומם של חיים בחלל ומקורם הקוסמי בכדור הארץ. ברור שאי אפשר לשחזר את התהליכים שהתרחשו בזמן מוצא החיים, ולכן כל מסקנות בנושא זה וכל פרשנות לנושא זה מבוססות על שיטת המידול (1.5).

השלב הראשון בהופעתם של יצורים חיים קשור לאבולוציה כימית.לאחר היווצרות כדור הארץ היה כדור חם. ההתקררות ההדרגתית של כוכב הלכת תרמה לעובדה שאלמנטים כימיים כבדים עברו למרכזו, והקלים הצטברו בהדרגה על פני השטח. יסודות קלים - חמצן, פחמן, חנקן ומימן - החלו לקיים אינטראקציה זה עם זה, ובמהלך התפתחות כימית נוספת הופיעו תרכובות אורגניות שונות. החיים היבשתיים מבוססים על פחמן, הקלות על ידי מיוחדים תכונות גשמיותיסוד כימי זה. אז, פחמן מסוגל ליצור מגוון רחב של מבנים, מספר אפשרי תרכובות אורגניותמבוסס על פחמן הוא עשרות מיליונים. תרכובות פחמן פעילות בטמפרטורות נמוכות; אפילו עם סידור מחדש קל של המולקולות, הפעילות הכימית שלהן יכולה להשתנות באופן משמעותי. לתרכובות של פחמן עם מימן, חנקן, חמצן, גופרית, ברזל וכו' יש תכונות קטליטיות גבוהות. בנוסף, תרכובות פחמן רבות מסיסות מאוד במים. עם זאת, מדענים אינם שוללים את האפשרות של הופעת חיים על בסיס אחר, למשל, סיליקון.

כאשר פני כדור הארץ התקררו, אדי המים התעבו, מה שהוביל לאחר מכן להיווצרות מאגרי ענק. התוצאה של פעילות געשית פעילה בשלבים הראשונים של האבולוציה של הפלנטה שלנו הייתה שחרור על פני השטח של קרבידים שונים - תרכובות של פחמן עם מתכות. קרבידים נשטפו לתוך האוקיינוס ​​הראשוני, שם הם קיימו אינטראקציה עם מים. כתוצאה מתגובות כימיות אלו נוצרו תרכובות פחמימנים שונות.

השלב השני של הופעת יצורים חיים קשור להופעת חומרי חלבון.נוכחות במימי האוקיינוס ​​הראשוני מספר גדולתרכובות פחמן הובילו להופעתו של "מרק אורגני" מרוכז, שבו בוצע תהליך נוסף של סינתזה של מולקולות אורגניות מורכבות - חלבונים וחומצות גרעין - מתרכובות פחמן פשוטות למדי.

אחד התנאים לסינתזה של מולקולות אורגניות מורכבות - ביופולימרים - הוא ריכוז גבוה של חומרי מוצא. ההנחה היא שהתנאים הדרושים נוצרו כתוצאה מהשקעת מולקולות אורגניות פשוטות על חלקיקי מינרלים, למשל, על חימר, של מאגרים ראשוניים. בנוסף, מולקולות אורגניות יכלו ליצור סרט דק על פני המים, אשר בהשפעת רוח וזרמי מים, הופל אל החוף ויצר שכבות עבות.

תנאי נוסף לסינתזה של ביופולימרים הוא נוכחות של סביבה נטולת חמצן, שכן חמצן, בהיותו חומר מחמצן חזק, יהרוס באופן מיידי את התרכובות האורגניות המקוריות. המדען האמריקני G. Urey הציע שהאטמוספירה הראשונית של כדור הארץ היא אכן אנוקסטית ובעלת אופי משקם. הוא היה רווי בגזים אינרטיים - הליום, ניאון, ארגון, הכיל מימן, מתאן, אמוניה וחנקן. בסביבה כזו נוצרות בקלות תרכובות אורגניות. לאטמוספירה המשנית של כדור הארץ כבר היה הרכב שונה, שהיה תוצאה של התפתחות החיים. האטמוספירה המשנית כללה 20% חמצן ובעלת אופי מחמצן. לקח לפחות מיליארד שנים לשינוי כזה של האטמוספירה של כדור הארץ. לרעיון של G. Urey הייתה השפעה משמעותית על התפתחות הרעיונות לגבי מקור החיים.

האפשרות לסינתזה אביוגנית של ביו-פולימרים - מולקולות חלבון ובסיסים חנקניים - הוכחה בניסוי באמצע המאה ה-20. בשנת 1953, המדען האמריקאי ס' מילר עיצב את האטמוספירה העיקרית של כדור הארץ וסינתז חומצות שומן, חומצות אצטית וחומצות פורמיות, אוריאה וחומצות אמינו על ידי העברת מטענים חשמליים דרך תערובת של גזים אינרטיים. לפיכך, הוכח כיצד סינתזה של תרכובות אורגניות מורכבות אפשרית תחת פעולתם של גורמים אביוגניים.

אז, בהשפעת טמפרטורה גבוהה, קרינה מייננת וקרינה אולטרה סגולה, חשמל אטמוספרי, חלבונים, שומנים, פחמימות וחומצות אמינו נוצרו מהתרכובות האורגניות הפשוטות ביותר. על פי השערתו של המדען הרוסי A.I. אופרין, שתוארה בעבודה "מקור החיים" (1924), ערבוב ב"מרק" הראשוני, בהתחלה תרכובות אורגניות שונות מסוגלות ליצור טיפות קואסרווטיות. ל-Coacervates יש כבר מספר תכונות המאחדות אותם עם היצורים החיים הפשוטים ביותר. לדוגמה, coacervates מסוגלים לספוג חומרים סביבה, אינטראקציה זה עם זה, עלייה בגודל, וכו '. עם זאת, בניגוד ליצורים חיים, טיפות coacervate אינן מסוגלות להתרבות עצמית וויסות עצמי, ולכן לא ניתן לייחס אותן למערכות ביולוגיות. ניסויים עם coacervates הראו שקצב קליטתם של חומרים מהסביבה יכול להיות שונה ותלוי ארגון כימיומבנה מרחבי של כל טיפה מסוימת. לכן, שני סוגים של coacervates באותו תמיסה יתנהגו אחרת. ניסויים אלה מהווים אישור עקיף לעובדה שבשלב זה של האבולוציה הפרה-ביולוגית, הבחירה של coacervates עשויה בהחלט להתרחש בהתאם לאופי האינטראקציה שלהם עם הסביבה.

השלב השלישי של הופעת החיים קשור להיווצרות היכולת של תרכובות אורגניות להתרבות את עצמן.תחילת החיים צריכה להיחשב הופעתה של רבייה עצמית יציבה מערכת אורגניתעם רצף נוקלאוטידים קבוע. רק לאחר הופעתן של מערכות כאלה נוכל לדבר על תחילתה של האבולוציה הביולוגית. אחת הגרסאות של המעבר מאבולוציה פרה-ביולוגית לביולוגית מוצעת על ידי המדען הגרמני M. Eigen. על פי השערתו, מקור החיים מוסבר על ידי האינטראקציה של חומצות גרעין וחלבונים. חומצות גרעין הן נושאות מידע גנטי, וחלבונים משמשים כזרזים לתגובות כימיות. חומצות גרעין מתרבות בעצמן ומעבירות מידע לחלבונים. מופיעה שרשרת סגורה - היפר-מחזור, שבו תהליכי התגובות הכימיות מואצות מעצמן עקב נוכחות זרזים. בהיפר-מחזורים, תוצר התגובה פועל בו זמנית כזרז וגם כמגיב ראשוני. תגובות דומותנקרא אוטוקטליטי.

תיאוריה נוספת שיכולה להסביר את המעבר מאבולוציה פרה-ביולוגית לביולוגית היא סינרגטיקה (8.2). הדפוסים שהתגלו על ידי הסינרגטיקה מאפשרים להבהיר את מנגנוני הופעת החומר האורגני מחומר לא אורגני במונחים של ארגון עצמי באמצעות התרחשות ספונטניתמבנים חדשים במהלך האינטראקציה של מערכת פתוחה עם הסביבה.

5.3. השלבים העיקריים של האבולוציה של העולם האורגני

עוסק בחקר השלבים העיקריים של האבולוציה של החיים פָּלֵאוֹנטוֹלוֹגִיָההמדע של אורגניזמים מאובנים. מאחר שלאבולוציה הביולוגית קדמה אבולוציה פרה-ביולוגית ארוכה, המדע המודרני מקשר בין שלבים בודדים של ביוגנזה לגיאוגנזה. בהיסטוריה הגיאולוגית של כדור הארץ מובחנים תקופות שונות שבהן התרחשו טרנספורמציות גיאולוגיות משמעותיות, יבשה וים חולקו מחדש, האקלים השתנה וכו'. בנוסף, לאחר הופעת החיים, כל עידן התאפיין במקוריות של חי וצומח.

תקופות גיאולוגיות:

קטארכיאן (לפני 5 מיליארד - 3.5 מיליארד שנים);

Archean (לפני 3.5 מיליארד - 2.6 מיליארד שנים);

פרוטרוזואיקון (2.6 מיליארד - לפני 570 מיליון שנים);

פליאוזואיקון (570 מיליון - לפני 230 מיליון שנים);

מזוזואיקון (לפני 230 מיליון - 67 מיליון שנים);

קנוזואיקון (לפני 67 מיליון שנים ועד היום).

גיל כדור הארץ הוא כ-5 מיליארד שנים. החיים על הפלנטה שלנו מקורם ב ארכאה,לפני כ-3.5 מיליארד שנים. בשלב זה, התאים החיים הראשונים מופיעים - פרוקריוטי.פרוקריוטים הם אורגניזמים פשוטיםבעל יכולת רבייה מהירה, מסתגל בקלות לתנאי סביבה משתנים. תכונה אופייניתפרוקריוטים - היעדר גרעין בולט. אורגניזמים אלו היו אנאירוביים, כלומר יכלו לחיות ללא חמצן (נזכיר שהאטמוספרה העיקרית של כדור הארץ הייתה מורכבת מתערובת של הליום, ניאון, ארגון, מימן, מתאן וחנקן). האורגניזמים האלה היו הטרוטרופים,כלומר, כל החומרים הדרושים לחיים הושגו בצורה מוגמרת מהסביבה. אולם, דלדול ה"מרק האורגני" הראשוני הצריך שינוי קיצוני בדרך האכילה. בשלב זה של ביוגנזה, אותם אורגניזמים שיכולים לקבל רובהאנרגיה הדרושה לחיים באמצעות קרינת השמש. אנרגיית האור מואצת תגובה כימית, שבמהלכו סונתזו החומרים הדרושים לחיים. תהליך פיתוח חומרים חיונייםעל ידי ספיגת אנרגיה סולארית נקרא פוטוסינתזה.לפיכך, ההטרוטרופים הוחלפו ב אוטוטרופיה- אורגניזם חי! הקיימים עקב אנרגיית השמש ומייצרים לבד את החומרים הדרושים לחיים. האוטוטרופים הראשונים ב ^1 אם ציאניד, אז אצות ירוקות. פוטוסינתזה מילאה תפקיד משמעותי בביוגנזה ותרמה להאצה הכוללת של התפתחות החומר האורגני. בשלב זה, היתרון הושג על ידי אורגניזמים אירוביים, המסוגלים לחיות רק בנוכחות חמצן.

הופעתם של אורגניזמים אוטוטרופיים השפיעה קשות על הרכב האטמוספירה של כדור הארץ. העובדה היא שבמהלך חייהם, אורגניזמים אוטוטרופיים מפרישים מספר גדול שלחמצן ובשל כך, האטמוספירה הראשונית של כדור הארץ הפכה בהדרגה למשנית, נוצרה שכבת אוזון המגנה על אורגניזמים חיים מפני הפעולה הקטלנית של קרניים אולטרה סגולות, הרכב המים במאגרים השתנה וכו'. כך, ביוגנזה הייתה השפעה משמעותית על האבולוציה של הפלנטה שלנו ו"השתלבה" בצורה הרמונית בגיאוגנזה, והפכה להמשכה ולפיתוח שלה. מאמינים שתכולת החמצן הנוכחית באטמוספרה (21%), ב ^1 זה הושג בפליאוזואיקון, לפני 250 מיליון שנה, אבל התהליך הזה התחיל כבר בארכאאן.

IN פרוטרוזואיקון(לפני 1.8 מיליארד שנים) מופיעים טיג אוקריוטי- אורגניזמים חיים שהתאים שלהם מכילים גרעין בולט. אוקריוטים התאימו יותר לתנאים החדשים. שלא כמו פרוקריוטים, DNA אוקריוטי מורכב לכרומוזומים ומסוגל להתרבות ללא שינויים משמעותיים. קיימות שתי השערות עיקריות למקורם של האוקריוטים: אוטוגני וסימביוטי. על פי ההשערה האוטוגנית, אוקריוטים נוצרו על ידי סיבוך של תאים בעלי מבנה גרוע בדומה לפרוקריוטים. תומכי ההשערה הסימביוטית מאמינים כי אוקריוטים הופיעו כתוצאה מסימביוזה של מספר תאים פרוקריוטיים, שהגנום שלהם אוחד לכדי שלמות חדשה.

הצעד המשמעותי הבא באבולוציה הביולוגית היה הופעת הרבייה המינית לפני 900 מיליון שנה. מנגנון הרבייה המינית הוא היתוך והפצה לאחר מכן של החומר הגנטי של שני אורגניזמים. רבייה מיניתמגדיל באופן משמעותי את מגוון המינים, מה שמצד אחד מאפשר לאורגניזמים חיים להסתגל טוב יותר לתנאי הסביבה, ומאידך מאיץ משמעותית את התהליך האבולוציוני.

הופעתם של האורגניזמים הרב-תאיים הראשונים התרחשה לפני כ-800 מיליון שנים. אורגניזם רב תאי פיתח איברים ורקמות, כלומר, הוא מובחן יותר מאורגניזם חד תאי. ספוגים, פרוקי רגליים ו-coelenterates היו האורגניזמים הרב-תאיים הראשונים.

IN פליאוזואיקון,לפני 500 מיליון - 440 מיליון שנים, הופיעו הטורפים הגדולים (10–11 מ') הראשונים והחולייתנים הקטנים הראשונים (כ-10 ס"מ). לפני כ-410 מיליון שנים, אורגניזמים חיים מתחילים לכבוש אדמה. צמחים יבשתיים קיבלו יתרונות משמעותיים על פני מימיים, שכן תהליכי הפוטוסינתזה ביבשה מתנהלים בצורה אינטנסיבית יותר מאשר במים. צמחי היבשה הראשונים - פסילופיטים - תפסו עמדת ביניים בין צמחי כלי דם יבשתיים לאצות. בעקבות הצמחים עברו גם בעלי חיים ליבשה. חיות היבשה הראשונות דמו לעקרבים מודרניים, הם היו דגי ריאה, כלומר, מותאמים לנשימה הן במים והן ביבשה. מיצורים נושמים ריאות הגיעו תחילה דו-חיים, ולאחר מכן חולייתנים יבשתיים. החיות הראשונות שהותאמו באופן מלא לחיים ביבשה היו זוחלים עתיקים, אשר במראה דמו ללטאות מודרניות. חרקים הופיעו בערך באותה תקופה. לפני כ-300 מיליון שנה, חרקים החלו לעוף ולאחר מכן שלטו באוויר במשך כמעט 100 מיליון שנה.

IN מזוזואיקון(לפני 230 מיליון - 67 מיליון שנים) ישנה התפתחות נוספת של עולם החי והצומח. בהדרגה נוצר גוף קומפקטי בצמחים יבשתיים, הוא מובחן לשורשים, גבעולים, עלים, רקמות מבנה משתפרות, מתפתחת מערכת מוליכות המספקת לצמחים מים ו חומרים מזיניםשינוי שיטות רבייה. נבגים וזרעים מתאימים יותר למטרות רבייה ביבשה, ולכן אותם צמחים שהתרבו בצורה זו קיבלו יתרון אבולוציוני. המשך האבולוציה של עולם הצמחים קשור לשיפור הזרעים.

גם ממלכת החיות מתפתחת. בתחילת תקופת המזוזואיקון, זוחלים כבשו לחלוטין את הארץ, ולכן עידן המזוזואיקון נקרא לרוב עידן הזוחלים. זוחלים עתיקים משתלטים בהדרגה על יותר ויותר בתי גידול חדשים, ומתרחקים יותר ויותר מהמים. בהדרגה, במהלך האבולוציה, צפים, עפים ונעים ביבשה, קמו זוחלים טורפים ואוכלי עשב. 195 מיליון - לפני 137 מיליון שנה, מהזוחלים המעופפים העתיקים, מקורם של הציפורים הראשונות, ששילבו את תכונותיהם של ציפורים וזוחלים. 230 מיליון - לפני 195 מיליון שנים הופיעו היונקים הראשונים.

קנוזואיקון(לפני 67 מיליון שנים - הווה) - זמן הדומיננטיות של יונקים, ציפורים, חרקים וצמחים פורחים. בסוף עידן המזוזואיקון חלה התקררות קשה, שהובילה למותם של מספר לא מבוטל של מיני צמחים ולצמצום כללי של המרחבים התפוסים בצמחייה. בתנאים אלה, נצבר היתרון האבולוציוני אנגיוספרים, שבו תהליך הרבייה לא רק שאינו תלוי בנוכחות סביבה מימית, אך אפשרי גם בתנאי אקלים חדשים. אנגיוספרמים – פורחים – צמחים ומהווים כיום חלק גדול מממלכת הצמחים. כמובן, במהלך 67 מיליון השנים של עידן הקנוזואיקון, שינויים בממלכת הצמחים התרחשו יותר מפעם אחת, אבל צמחים פורחיםעדיין שולטים.

ההתקררות בסוף עידן המזוזואיקון ומותם של מיני צמחים רבים הביאו להכחדה של דינוזאורים אוכלי עשב, ולאחר מכן טורפים, שניזונו מהם. בתנאי קירור, בעלי חיים בעלי דם חם - יונקים וציפורים - השיגו יתרון אבולוציוני משמעותי. במהלך מיליוני שנים, הופיעו מינים חדשים של יצורים חיים, שהתפשטו על פני כדור הארץ, תופסים קרקע, אוויר וסביבות מים. לפני כ-8 מיליון שנים החלו להיווצר משפחות מודרניות של יונקים. באותה תקופה, שונים סוגים שוניםפרימטים ובכך היוו את התנאים המוקדמים לתחילת האנתרופוגנזה. לפני 2-3 מיליון שנים החלה הכחדה נוספת של יערות. אחת מקבוצות הקופים האנתרופואידים החלה להתפתח בהדרגה ענקית חדשה שטחים פתוחים. יש להניח כי מקופים אלו מקורם של בני האדם (6.3).

כעת החיים על פני כדור הארץ מיוצגים על ידי אורגניזמים תאיים וקדם-תאיים. יצורים חיים פרה-תאיים הם וירוסים ופאג'ים. אורגניזמים תאייםבאופן מסורתי מחולקים לארבע ממלכות: מיקרואורגניזמים, פטריות, צמחים ובעלי חיים. הקבוצות העיקריות של הטבע האורגני הן צמחים ובעלי חיים. נכון לעכשיו, ממלכת הצמחים מיוצגת על ידי יותר מ -500 אלף מינים, ממלכת החי - יותר מ -1.2 מיליון מינים.

5.4. מהות ומאפיינים עיקריים של מערכות חיים

בביולוגיה הקלאסית התחרו שתי עמדות מנוגדות, שהסבירו את מהות היצורים החיים באופן עקרוני. בדרכים שונות, – רדוקציוניזם וויטליזם. תומכים רדוקציוניזםהאמין כי ניתן לצמצם את כל התהליכים של פעילות חיונית של אורגניזמים לקבוצה של תגובות כימיות מסוימות. המונח "רדוקציוניזם" מגיע מהמילה הלטינית reductio - לדחוף לאחור, לחזור. רעיונות הרדוקציוניזם הביולוגי התבססו על רעיונות המטריאליזם המכניסטי הוולגרי, שקיבלו הנפוצה ביותרבפילוסופיה של המאות XVII-XVIII. המטריאליזם המכניסטי הסביר את כל התהליכים המתרחשים בטבע בעזרת חוקים מכניקה קלאסית. ההתאמה של העמדה המטריאליסטית המכניסטית לידע ביולוגי הובילה להיווצרות הרדוקציוניזם הביולוגי. מנקודת מבטו של מדע הטבע המודרני, ההסבר הרדוקציוניסטי אינו יכול להיחשב מספק, שכן הוא מחסל את עצם מהות החיים. עם זאת, בביולוגיה של המאה ה- XVIII. רדוקציוניזם נפוץ.

ההפך מרדוקציוניזם הוא ויטאליזם,שתומכיו מסבירים את הפרטים הספציפיים של אורגניזמים חיים על ידי נוכחותם של חיוניות מיוחדת. המונח "ויטליזם" מגיע מהמילה הלטינית ויטה - חיים. הבסיס הפילוסופי של הוויטליזם הוא האידיאליזם. תומכי הוויטליזם השתמשו במגבלות של הפרדיגמה הרדוקציונית כטיעון בעד צדקתם. עם זאת, הוויטליזם לא הבהיר את הפרטים והמנגנונים של תפקודם של החיים, והפחית את כל ההבדלים בין האורגני לא-אורגני לפעולה של "כוח חיים" מסתורי ובלתי ניתן לדעת. למרות העובדה שהוויטליזם לא הסביר את מהות החיים, היו תומכים רבים בעמדה זו בביולוגיה הקלאסית.

הביולוגיה המודרנית רואה בחילוף חומרים עצמאי, עצבנות, ניידות, צמיחה, יכולת רבייה והתאמה לסביבה כמאפיינים העיקריים של יצורים חיים. בשילוב של תכונות אלה, יצורים חיים שונים מדברים שאינם חיים. מערכות ביולוגיות G- אלו הן מערכות פתוחות אינטגרליות המחליפות כל הזמן חומר, אנרגיה ומידע עם הסביבה ומסוגלות להתארגנות עצמית. מערכות חיות מגיבות באופן פעיל לשינויים סביבתיים, מסתגלות לתנאים חדשים. מערכות ביולוגיות מסוגלות להתרבות עצמית, וכתוצאה מכך, שימור והעברה של מידע גנטי לדורות הבאים. תכונות אינדיבידואליות של יצורים חיים יכולים להיות טבועים גם במערכות אנאורגניות, אך לאף מערכת אנאורגנית אחת אין את כל המאפיינים המפורטים לעיל.

ישנן צורות מעבר המשלבות את התכונות של יצורים חיים ושאינם חיים, כמו וירוסים. המילה "וירוס" נגזרת מהנגיף הלטיני - רעל. וירוסים התגלו בשנת 1892 על ידי המדען הרוסי ד' איבנובסקי. מצד אחד, הם מורכבים מחלבונים וחומצות גרעין ומסוגלים להתרבות עצמית, כלומר יש להם סימנים של אורגניזמים חיים, אבל מצד שני, מחוץ לאורגניזם או תא זרים, הם אינם מראים סימנים של אורגניזם חי - אין להם חילוף חומרים משלהם, אינם מגיבים לחומרים מגרים, חסרי יכולת צמיחה ורבייה. במבנה שלהם, וירוסים דומים מאוד לגנים, מחקרים בביולוגיה מולקולרית מודרנית אישרו נסיבות אלו. בהקשר זה אף נידונה שאלת התפקיד האבולוציוני של הנגיפים, המכונים לעתים "גנים זועמים" (5.6).

לכל היצורים החיים על פני כדור הארץ יש אותו דבר הרכב ביוכימי: 20 חומצות אמינו, 5 בסיסים חנקניים, גלוקוז, שומנים. יש לציין כי יותר מ-100 חומצות אמינו ידועות לכימיה האורגנית המודרנית. ככל הנראה, מספר כה קטן של תרכובות היוצרות את כל היצורים החיים הוא תוצאה של ברירה שהתרחשה בשלב האבולוציה הפרה-ביולוגית. החלבונים המרכיבים את מערכות החיים הם תרכובות אורגניות בעלות מולקולריות גבוהה. בכל חלבון ספציפי, סדר חומצות האמינו תמיד זהה.

רוב החלבונים פועלים כאנזימים - זרזים לתגובות כימיות המתרחשות במערכות חיות.

5.5. רמות הארגון של חיות הבר

החיים על פני כדור הארץ הם מערכת אינטגרלית המורכבת מרמות שונות. ישנן ארבע רמות עיקריות של ארגון החומר החי:

גנטיקה מולקולרית;

אונטוגנטי;

אוכלוסייה-מינים;

ביוגאוקנוטי.

יחידה רמה גנטית מולקולריתהגן פועל כיסוד מבני של מולקולת ה-DNA, הנושא מידע תורשתי המועבר מדור לדור, והתופעה היסודית היא רבייה של קודים גנטיים על פי עקרון המטריצה ​​(5.6).

יחידה רמה אונטוגנטיתארגון החיים הוא אינדיבידואל נפרד, והתופעה היסודית היא אונטוגנזה. פרט ביולוגי יכול להיות גם אורגניזם חד-תאי וגם רב-תאי, אבל בכל מקרה מדובר במערכת אינטגרלית, מתרבה מעצמה. אונטוגנזה- תהליך ההתפתחות האינדיבידואלית של האורגניזם מלידה דרך מורפולוגי, פיזיולוגי ורציף שינויים ביוכימייםלפני המוות, תהליך מימוש המידע התורשתי. המונח "אונטוגנזה" הוכנס למדע על ידי הביולוג הגרמני E. Haeckel, אשר ניסח את חוק החזרה באונטוגנזה – התפתחות אינדיבידואלית של אורגניזם – השלבים העיקריים של הפילוגנזה – התפתחות המין שאליו משתייך האורגניזם הנתון. . "אונטוגניה", כתב א' האקל, "היא סיכום קצר ומהיר של הפילוגניה, בשל פונקציות פיזיולוגיותתורשה (רבייה) והסתגלות (תזונה). הפרט האורגני חוזר במהירות וב מסלול קצרשל התפתחותו האינדיבידואלית הם החשובים מבין השינויים בצורה שדרכם עברו אבותיו במהלך האיטי והארוך של התפתחותם הפליאונטולוגית על פי חוקי התורשה וההסתגלות. סדירות זו נקראת החוק הביוגנטי הבסיסי. תיאוריה מאוחדת של אונטוגנזה עדיין לא נוצרה, מאחר והגורמים והגורמים הקובעים את התפתחותו האינדיבידואלית של אורגניזם וכו' לא הובהרו. כעת נותר רק לומר שאונטוגנזה היא תוצאה של יישום מורכב מתואם תוכנית לפריסה של תכונות תורשתיות של אורגניזם.

יחידה רמת אוכלוסיה-מיןהיא אוכלוסייה, ותופעה אלמנטרית היא שינוי מכוון בהרכב הגנטי שלה. אוּכְלוֹסִיָההוא אוסף של פרטים ממין אחד, מבודדים יחסית מקבוצות אחרות מאותו מין, תופסים טריטוריה מסוימת, משכפל את עצמו לאורך זמן ובעל קרן גנטית משותפת. האוכלוסייה נחשבת למערכת פתוחה אינטגרלית, שכל מרכיביה מקיימים אינטראקציה זה עם זה ועם הסביבה. המונח "אוכלוסיה" הוצג על ידי אחד ממייסדי הגנטיקה, V. Johansen. אוכלוסיות קיימות במשך זמן רב ומסוגלות להתפתחות אבולוציונית עצמאית, הן נחשבות כ"אטומים" של תהליך האבולוציה. ביולוגיה של אוכלוסייה היא חקר אוכלוסיות. בנוסף, אוכלוסיות הן מושא לבחינה של תורת האבולוציה הסינתטית, במסגרתה ניתן הסבר על מנגנונים אבולוציוניים בטבע החי (5.7).

מכלול האוכלוסיות של צמחים, בעלי חיים, פטריות ומיקרואורגניזמים החיים יחד ומקיימים אינטראקציה זה עם זה המאכלסים טריטוריה מסוימת נקראת ביוקנוזה. Biocenoses הם מרכיב אינטגרלי של מערכת biogeocenosis מורכבת יותר. Biogeocenosis פועלת כיחידה רמה ביו-גיאוקנוטית.תופעה אלמנטרית ברמה זו היא המעברים של ביוגאוצנוזים ממצב אחד של שיווי משקל דינמי לאחר. Biogeocenoses נקראים אחרת מערכות אקולוגיות. המונח "ביוגאוצנוזיס" הוצג על ידי המדען הרוסי V.N. סוקאצ'ב ב-1940, והמונח "מערכת אקולוגית" - מאת הבוטנאי האנגלי א' טנסלי ב-1935.

ביוגאוקנוזה- מורכב מערכת דינמית, שהיא קבוצה של ביוטי (אוכלוסיות סוגים שוניםצמחים, בעלי חיים ומיקרואורגניזמים) ואלמנטים אביוטיים (אטמוספירה, אדמה, מים, אנרגיה סולארית) המחוברים ביניהם על ידי חילופי חומר, אנרגיה ומידע. Biogeocenosis היא מערכת מתפתחת אינטגרלית, האינטראקציות שבה מתוארות על ידי עקרונות ישיר ומשוב. האיזון של המערכת האקולוגית נשמר על ידי הכוחות הפנימיים של המערכת עצמה. לכן, מדברים על biogeocenoses כמו מערכות פתוחותבעל יכולת ארגון עצמי כתוצאה מחילופי אנרגיה, חומר ומידע עם הסביבה, כלומר עם ביוגאוצנוזים אחרים. ניתן לתאר את דפוסי ההתפתחות של biogeocenoses במונחים של סינרגיה (7.2).

Biogeocenosis היא מערכת יציבה שיכולה להתקיים לאורך זמן. שיווי המשקל במערכת חיה הוא דינמי, כלומר הוא תנועה מתמדתסביב נקודת יציבות מסוימת. לתפקוד יציב של מערכת חיה, יש צורך לקבל משוב בין תתי-מערכות הבקרה שלה לביצוע. דרך זו של שמירה על איזון דינמי נקראת הומאוסטזיס.הומאוסטזיס במערכות חיות יכול להיחשב באנלוגיה לתהליכי הבקרה בקיברנטיקה (7.1).

ככל שמערכת אקולוגית מגוונת יותר, כך יותר מספר נוסףמהמינים המרכיבים אותו, ככל שהוא בר-קיימא יותר, יציב בזמן ובמרחב. בתנאים נוחים, מערכות אקולוגיות מסוגלות לסבך את הארגון המבני שלהן, ולהגביר את התנגדותן להשפעות הרסניות. אבל אפילו הביוגאוצנוזות המורכבות והמגוונות ביותר אינן נצחיות. שינויים דרסטיים פתאומיים תנאים חיצונייםלהפחית את היציבות של המערכת האקולוגית ולגרום להפרה של המבנה הפנימי שלה. אובדן אפילו של אחד ממרכיבי הביוגאוצנוזה עלול להוביל לשינויים באחרים ולגרום לחוסר איזון בלתי הפיך ולקריסת המערכת האקולוגית. לכן לתפקוד תקין של ביו-גאוצנוזיס יש צורך לשמר את כל או את הרוב המכריע של האלמנטים שלה.

הפרה של האיזון הדינמי בין המרכיבים השונים של הביוגאוצנוזה, הקשורים לרבייה המונית של מינים מסוימים והפחתה או היעלמות של אחרים, המובילה לשינוי באיכות הסביבה, נקראת קטסטרופה אקולוגית. התפתחות של מערכות אקולוגיות שאינן קשורות לשינוי רציני בסביבה, שהוא שינוי עוקב של קהילות ביולוגיות, נקראת רצף.

לסיכום, יש לציין כי כל רמת ארגון של יצורים חיים מאופיינת בתכונות ודפוסים משלה, ובכלל, כל ההיררכיה של הטבע החי מאפשרת לנו להציג אותו כמערכת מארגנת עצמית אינטגרלית הנמצאת בקביעות. אינטראקציה עם חומר אנאורגני.

5.6. גנטיקה וביולוגיה מולקולרית

גנטיקה- מדע החוקר את מנגנוני התורשה והשונות בחיות הבר. המילה "גנטיקה" באה מהיוונית בראשית – מוצא. את היסודות של דיסציפלינה מדעית זו הניח המדען האוסטרי ג' מנדל, שגילה את חוקי התורשה. ג' מנדל הראה שהורשה של תכונות מתרחשת באופן דיסקרטי. המדען חצה זנים חלקים ומקומטים של אפונה, כתוצאה מכך, בדור הראשון הוא קיבל רק זרעים חלקים, ובשני - רבע זרעים מקומטים. בניתוח הנתונים הניסויים הללו הגיע ג' מנדל למסקנה שמידע משני ההורים נכנס לתא הנבט, אך בדור הראשון מופיעה רק תכונה אחת, דומיננטית, ובשני תכונה דומיננטית ורצסיבית מתפזרות ביחס של 3 : 1. תופעה זו כונתה פיצול תכונות. תוצאות הניסויים של ג' מנדל הפריכו את התזה לפיה יש למחוק את הסימנים הרצסיביים של אורגניזם חי בהדרגה בשורה של דורות. סדירות פתוחה העידה: מוטציות רצסיביות אינן נעלמות ללא עקבות, אלא נשארות בקרן הגנטית של האוכלוסייה ומופיעות לאחר דור. המשמעות של גילויו של ג' מנדל, שנעשה עוד במאה ה-19, הוערכה רק במאה ה-20, אשר לא בכדי נקרא עידן הגנטיקה.

בשנת 1900, חוקי התורשה התגלו מחדש על ידי שלושה מדענים בבת אחת - X. de Vries (הולנד), K. Korrens (גרמניה) ו-E. Chermak (אוסטריה). כדי להסביר את הסדירות שהתגלתה במהלך הניסויים, X. de Vries הציע את תיאוריית המוטציות. מוּטָצִיָה- זהו שינוי פתאומי במבנים תורשתיים, הנגרם באמצעים טבעיים או מלאכותיים. המונח "מוטציה" מגיע מהמילה הלטינית mutatio - שינוי. כפי שהראו ניסויים, תכונת המוטציה אינה נעלמת, אלא מצטברת בהדרגה במאגר הגנים של האוכלוסיות, המהווה את הבסיס לשונות בחיות הבר. H. de Vries הציע שמינים חדשים נוצרים בדיוק כתוצאה ממוטציות. בתחילה התנגד המדען ההולנדי למוטציות לברירה הטבעית, וקבע כי "ערך הברירה מוגבל, האבולוציה ממשיכה בקפיצות חדות, מוטציות". עם זאת, מאוחר יותר הסכים H. de Vries כי הברירה הטבעית היא זו שמקדמת את איחודן של מוטציות מועילות, וכתוצאה מכך, את תהליך האבולוציה.

לאחר גילויו של H. de Vries, במשך 20-30 שנה, הצטבר חומר אמפירי חדש בגנטיקה כמו מפולת שלגים והשערות תיאורטיות הסבירו זאת. בשנות ה-20 A. Weisman, T. H. Morgan, A. Sturtevant, G. J. מלר פיתח את תורת התורשה הכרומוזומלית, שהבהירה את מבנה הכרומוזומים, את סידור הגנים - נשאי מידע תורשתי, כלומר את המנגנונים והגורמים לשינויים מוטציוניים. ג'י. מולר, בפרט, הראה שמוטציות יכולות להיגרם מצילומי רנטגן, חשיפה לכימיקלים, שינויים דרסטייםטמפרטורה וכו'.

בשנות הארבעים אופיו הגרעיני של הגן התגלה ותפקידן של חומצות הגרעין באחסון והעברת מידע תורשתי הובהר. מחקרים אלו בוצעו על ידי בית הספר של הגנטיקאי האמריקאי T. H. Morgan. על בסיסם קמה דיסציפלינה מדעית חדשה - ביולוגיה מולקולרית, ששילבה ביוכימיה וגנטיקה.

בשנת 1944, הביוכימאי האמריקאי או. אייברי וצוותו קבעו כי ה-DNA הוא נושא המידע התורשתי, ובשנת 1953 פיענחו פ. קריק וד. ווטסון את המבנה שלו. התברר שמולקולת ה-DNA מורכבת משתי שרשראות פולינוקליאיות, שכל אחת מהן פועלת כתבנית לסינתזה של שרשראות חדשות. התברר גם שתכונת ההכפלה העצמית של מולקולות ה-DNA היא הבסיס למנגנון התורשה.

בעשורים הבאים, מדענים ביססו את התלות של סינתזת חלבונים במצב הגנים, ביצעו סינתזת גנים מלאכותית, פענחו את רצף חומצות האמינו של חלבונים רבים וכו'. עד המחצית השנייה של המאה ה-20. חומר אמפירי ותיאורטי אדיר הצטבר בגנטיקה. המדע התקרב לפרום אחד מהם הסודות הגדולים ביותר- רבייה עצמית של החיים. הבהרת המנגנונים המולקולריים של העברת מידע גנטי פתחה אפשרויות חדשות לחלוטין יישום מעשיהידע הזה.

הרבייה של כל היצורים החיים נקבעת על ידי סינתזה של חלבונים באמצעות חומצות גרעין. DNA(deoxyri-bonucleic) ו RNA(ריבונוקלייק). כפי שכבר הוזכר, 20 חומצות אמינו מתוך 100 המוכרות לכימיה האורגנית המודרנית מעורבות ביצירת חלבונים. נשאי המידע הגנטי הן מולקולות DNA הממוקמות בכרומוזומים של גרעיני התא. ה-DNA מורכב משתי שרשראות פולינוקלאוטידים מזווגות המפותלות לתוך סליל. נוקלאוטידים הם היחידות של מולקולת ה-DNA. נוקלאוטידהוא תרכובת של בסיס חנקני, סוכר ושארית חומצה זרחתית. ההרכב של מולקולת DNA יכול לכלול אחד מארבעה סוגי נוקלאוטידים, שהספציפיות שלהם נקבעת על ידי הבסיס החנקני: אדנין (A), תימין (T), ציטוזין (C), גואנין (G). ניתן לייצג את מולקולת ה-DNA כטקסט ענק המורכב מרצף של ארבע אותיות A, T, C, G ב שילובים שונים. מודל DNA דומה הוצע בשנת 1953 על ידי הביוכימאי האמריקאי ג'יי ווטסון והביו-פיזיקאי האנגלי פ. קריק. ובשנת 1962, המדענים והביו-פיזיקאי האלה מ' וילקינס קיבלו את פרס נובל על הפענוח קוד גנטי.

שרשראות דנ"א קשורות ביניהן בקשרי מימן, ואדנין נקשר תמיד לטימין, וציטוזין לגואנין. חיבור כזה של בסיסים חנקניים התואמים זה לזה מבחינה מבנית נקרא עקרון ההשלמה. נדרש שילוב של שלושה נוקלאוטידים כדי לקודד חומצת אמינו אחת. הקטע של מולקולת ה-DNA המשמש כתבנית לסינתזה של חלבון אחד נקרא גן. שינוי רצף הנוקלאוטידים בשרשרת ה-DNA מוביל למוטציות.

מנגנון הרבייה של יצורים חיים הוא סינתזה מטריצה ​​של חלבונים, המתרחשת במספר שלבים. ראשית, קשרי המימן של מולקולת ה-DNA הכפול נשברים ונוצרים גדילים בודדים, הפועלים כמטריקס. ואז כל אחד מהחוטים בונה אחד חדש על פני השטח שלו. רשתות חדשות מוצמדות לישנות על פי עקרון ההשלמה. כתוצאה מכך נוצרות שתי מולקולות DNA זהות.

מולקולות RNA ממלאות תפקיד חיוני בתהליך סינתזת החלבון. מולקולת ה-RNA היא גדיל חד-גדילי של נוקלאוטידים. מולקולת ה-RNA כוללת גם ארבעה בסיסים חנקניים: שלושה מהם - אדנין, ציטוזין וגואנין - דומים לבסיסים החנקניים המרכיבים את מולקולת ה-DNA, והרביעי - אורציל (U) שונה. ממולקולת ה-DNA, הקוד הגנטי מועבר למולקולת ה-RNA שליח, שהיא העתק של חלק מה-DNA, כלומר גן אחד או יותר סמוכים. סינתזת חלבון מתבצעת בריבוזומים המבוססים על הקוד הגנטי של RNA שליח. חומצות אמינו הנחוצות לסינתזת חלבון מועברות לריבוזום באמצעות RNA העברה. כל תהליך סינתזת החלבון אורך לא יותר מ-6 דקות. המנגנון של סינתזת מטריצת חלבון אינו העתקה פשוטה, אלא העתקה בשינויים חלקיים, המאפשרת גם לרשת תכונות וגם סטיות בדידות מהמצב ההתחלתי.

אחד החשובים ו המשימות המעניינות ביותרמוּל מדע מודרני, הוא הפענוח של הגנום האנושי גנוםהוא קבוצה של גנים המרוכזים בקבוצה אחת של כרומוזומים אורגניזם נתון. בשנת 1988, כדי לפתור בעיה זו, ביוזמת ג'יי ווטסון, הוקם הארגון הבינלאומי "הגנום האנושי". על פי הערכות שונות, הגנום האנושי מכיל בין 50,000 ל-100,000 גנים. הצלחה גם בשלב הראשון של הפענוח (קביעת רצף זוגות הנוקלאוטידים) תוביל להבנת הגורמים והמנגנונים של מחלות תורשתיות, זיהומיות וכו' שונות ותאפשר התפתחות שיטות יעילותהטיפול שלהם.

נפתחות הזדמנויות חדשות הנדסה גנטית.הנדסה גנטית, או טכנולוגיית DNA רקומביננטי, התפתחה בשנות ה-70. מבוסס על סינתזה של שיטות של ביולוגיה מולקולרית וגנטיקה. הנדסה גנטית היא ענף בביולוגיה מולקולרית החוקר את האפשרויות לבנייה ממוקדת של מבנים ביולוגיים חדשים בעלי תכונות קבועות מראש באמצעות התערבות ישירה במנגנון הגנטי ושילוב של חומר גנטי טבעי או מלאכותי.

IN לָאַחֲרוֹנָה V הנדסה גנטיתמכלול שלם של נושאים הקשורים לשונות של הגנום נחקר. התברר שבכרומוזומים ובציטופלזמה של התא יש שורה שלמהתרכובות ביוכימיות שנמצאות במצב כאוטי ומסוגלות לקיים אינטראקציה עם מבני חומצת גרעין של אורגניזם אחר. תרכובות ביוכימיות אלו נקראו פלסמידים. פלסמידים מסוגלים להיות משולבים בתא הנמען ומופעלים תחת פעולתם של מסוימים גורמים חיצוניים. המעבר ממצב סמוי למצב פעיל פירושו שילוב החומר הגנטי של התורם עם החומר הגנטי של הנמען. אם המבנה המתקבל פונקציונלי, אז מתחילה סינתזת חלבון. ברור ששימוש המנגנון הזה, אתה יכול לשנות את ה-DNA על ידי תכנותו לסנתז חלבונים מסוימים. בהתבסס על טכנולוגיה זו, אינסולין סונתז בשנת 1978, חלבון שעוזר להילחם בסוכרת.

אלמנטים גנטיים מהגרים מראים קווי דמיון משמעותיים עם וירוסים. גילוי תופעת הטרנסדוקציית הגנים, כלומר העברת מידע גנטי לתאי צמחים ובעלי חיים בעזרת וירוסים הכוללים חלק מהגנים של התא המארח המקורי, מצביע על כך שנגיפים ותצורות ביוכימיות דומות תופסות. מקום מיוחדבאבולוציה. כמה מדענים סבורים שנדידה של תרכובות ביוכימיות עלולות לגרום לשינויים חמורים אף יותר בגנום התא מאשר מוטציות. אם הנחה זו תתברר כנכונה, אזי הרעיונות הנוכחיים לגבי מנגנוני האבולוציה יצטרכו לעבור תיקון מהותי. כעת מועלות השערות לגבי תפקידם המשמעותי של וירוסים בערבוב המידע הגנטי של אוכלוסיות שונות, הופעת קפיצות בתהליך האבולוציוני, במילה אחת, אנחנו מדברים על התפקיד החשוב ביותר של וירוסים בתהליך האבולוציוני.

ללא ספק, הנדסה גנטית מספקת את המפתח לפתרון בעיות מדעיות, רפואיות ואפילו תעשייתיות רבות העומדות בפני האנושות, בפרט, יצירת אורגניזמים עם תכונות קבועות מראש, טיפול מחלות תורשתיותעל ידי "השתלת" גנים בודדים (ריפוי גנטי), יצירת חיסונים בטוחים ויעילים ביותר תרופות, מסביר את האימונוגנזה והסרטן, שיאפשרו לאנושות להילחם במחלות שעדיין נחשבות חשוכות מרפא ( מחלות אונקולוגיות, איידס וכו'). בנוסף, נתונים חדשים בביולוגיה מולקולרית ואפשרויות ההנדסה הגנטית יעלו משמעותית את תוחלת החיים של האדם.

יחד עם זאת, התפתחות ההנדסה הגנטית קשורה בסכנה, שאת קווי המתאר והיקפה עדיין קשה להעריך. ראשית, ניתן ליצור אותו אורגניזמים שעברו שינויעם מאפיינים לא רצויים או בלתי צפויים. שנית, הכנסת טכנולוגיות גנים כבר הביאה ליצירת מיקרואורגניזמים רקומביננטיים רבים, שהתפשטותם עוררה את הופעתן של מחלות חדשות. שלישית, גם ההשלכות של טיפול גנטי (התערבות ישירה בגנוטיפ האנושי), שמתבצעת כבר כמה שנים, עדיין לא ידועות. מדענים יוכלו לדבר בביטחון על האופן שבו הגן המוכנס לתא יתנהג בעוד 10-20 שנה. רביעית, יש סכנה אמיתיתשימוש במוצרי הנדסה גנטית למטרות צבאיות. לכן כל מחקר תיאורטי ובעיקר ניסויים מעשיים בתחום זה דורשים זהירות, הכנה רצינית ורגולציה קפדנית. אף על פי כן, הפדרציה של האגודות המיקרוביולוגיות האירופיות סיכמה במזכר משנת 1996: "אם נעשה שימוש זהיר בטכנולוגיות הגנים, היתרונות שלהן יעלו בהרבה על הסיכון להשלכות שליליות; טכנולוגיות לבניית DNA רקומביננטי יתרמו תרומה משמעותית לבריאות הציבור, לפיתוח בר-קיימא חַקלָאוּת, לייצור מזון, לניקיון סביבתי".

האפשרויות המעשיות של מדע הביולוגיה המודרני מעידות גם על ידי ניסויים בשיבוט, שתוצאותיהם פורסמו ב השנים האחרונות. המונח "שיבוט" מגיע מהקלון היווני - ענף, יורה. שיבוט- זוהי רבייה מדויקת (ברמה הגנטית) של עצם חי ב p-אוהםמספר עותקים. במהלך השיבוט, הגנים של פרט תורם נשמרים ומועברים במלואם לצאצא שנולד. במקרה זה, הגנים של ההורים התורמים ושל ילדי המשובטים אינם רק דומים, כמו במקרה של רבייה מינית, אלא זהים לחלוטין.

מקרים של שיבוט טבעי ידועים כבר זמן רב. זו, למשל, לידתם של תאומים זהים הנושאים את אותן קבוצות של גנים. שיבוט מלאכותי של צמחים על ידי ייחורים, ניצנים או פקעות לא רק ידוע, אלא נמצא בשימוש כבר יותר מ-4,000 שנה. האפשרות של שיבוט מלאכותי של בעלי חיים הופיעה רק במאה ה-20. בשנות החמישים מדענים אמריקאים החלו לערוך ניסויים בשיבוט של עוברי דו-חיים, תוך שימוש בשיטה של ​​השתלת גרעינים של תאים עובריים לתוך ביצים נטולות גרעינים. בשנות השבעים החלו ניסויים בשיבוט עכברים, שעם זאת לא היו מוצלחים במיוחד - עוברים של בעלי חיים משובטים מתו בשלבים הראשונים.

המידע הראשון על שיבוט מוצלח של בעלי חיים הופיע בשנות ה-80. אלה היו ניסויים על ארנבות, חזירים, פרות וכבשים. בשנים 1993–1995 המדען האנגלי ג'יי ווילמוט וקבוצתו, שעבדו במכון הביולוגי של אדינבורו, השיגו חמישה כבשים (נקבות) על ידי שיבוט. שני פרטים משובטים מתו זמן קצר לאחר הלידה, השלישי - בגיל 10 ימים, והשניים הנותרים הגיעו לגיל 8-9 חודשים. ניסויים אלה, לעומת זאת, לא יצרו תחושה כזו כמו הופעתה של הכבשה דולי באביב 1997. מנגנון השיבוט של דולי היה כדלקמן. ביצים בודדו מכבשים מגזע שחור-פנים סקוטי והונחו במצע תזונתי מלאכותי. לאחר מכן, גרעינים משלהם הוסרו מהתאים ו"מולאו" בחומר הגנטי של הפרט התורם המשובט. לצורך כך נעשה שימוש בתאי בלוטות החלב של כבשה בהריון בן שש מגזע דורסט הפיני. לאחר מכן, העוברים תורבו בביצית הקשורה של הכבשה המקבלת. באופן פנוטיפי, דולי התבררה כדומה לחלוטין לכבשת דורסט הפינית, שתפקדה כתורמת, והייתה שונה מאוד מהכבשה הסקוטית השחורה-הפנים.

לאחר הצלחה זו, כמה מדענים החלו לדבר על העובדה שהטכנולוגיה שהביאה להופעתה של הכבשה דולי יכולה להיות מיושמת על בני אדם. מידע זה עורר דיון סוער, שחשף כי עולות שאלות אתיות ומשפטיות רבות בקשר לאפשרות של שיבוט אנושי. העובדה היא שמתוך 277 ניסויים שנערכו עם עוברי כבשים, רק אחד הצליח, מה שאומר ששיבוט אדם באמצעות טכנולוגיה זו אינו מבטיח מפני הופעת פריקים, וההסתברות לבנות אותם היא לפחות 276: 1. עובדה לבדה יכולה לשמש בסיס להקפאה על ניסויים בשיבוט אנושי, שכן ההשלכות השליליות האפשריות של ניסויים כאלה חורגות בהרבה מהחיוביות.

תיאורטית, שיבוט אנושי יכול להיות צדדים חיוביים: פתרון בעיית הפוריות, יצירת בנק של תאים ורקמות מיותרות וכו' אבל הם מינימליים על רקע סיכון עצום לתוצאות שליליות שעלולות לגרום לנזק עצום לבריאות, לרווחה ולבטיחות של אנשים. שיבוט אנושי, כמובן, פותח הזדמנויות עצומות שאף קשה לדמיין במלואן, אך הוא גם מעלה שאלות חדשות, שחיפוש התשובות להן מצריך הרהור פילוסופי ובמקרים מסוימים אף רצון פוליטי. פתרונות אינטואיטיביים בתחום השיבוט האנושי מתבררים כלא מספקים, שכן עתידה האבולוציוני של האנושות תלוי ישירות בתוכן התשובות.

במצב זה, רוב המדענים והפוליטיקאים מדברים על הצורך להנהיג איסורים על ניסויי שיבוט אנושיים. אז, באוקטובר 1997, כמעט מיד לאחר פרסום התוצאות של שיבוט הכבשה דולי, הכריזה הפדרציה האמריקאית של אגודות מדעיות של ביולוגים ניסויים על הקפאת חמש שנים על ניסויי שיבוט אנושיים. שיבוט בני אדם אסור על פי חוק בבריטניה, ארה"ב ורוסיה. עם זאת, באפריל 2002, סוכנויות הידיעות בעולם דיווחו כי בני האדם המשובטים הראשונים יכולים ללדת שתי נשים ב ברית המועצות לשעברואזרח אחד של מדינה אסלאמית ללא שם שנמצאת בשבוע שישה עד תשעה להריון עם שיבוטים.

מידע זה התקבל ממומחה איטלקי בתחום הפרייה מלאכותיתס.אנטינורי. עובדה זו, גם אם לא אושרה, מעידה על כך שהמאבק בין תומכים ומתנגדי שיבוט אנושי נמשך.

5.7. תיאוריה סינתטית של אבולוציה

הקשיים בהם נתקלה תורת האבולוציה הקלאסית, בפרט בהסברת תופעת התורשה, התגברו על ידי סינתזה של התיאוריה האבולוציונית של צ'ארלס דרווין ושל הגנטיקה של ג' מנדל. כתוצאה מכך, בשנות ה-30 נוצר תיאוריה סינתטית של אבולוציה,שהפך לא רק לליבה של גנטיקה של אוכלוסיות, אלא גם אפשר להיווצר מערכת בודדתמכל הידע הביולוגי המודרני. יצירת תיאוריה סינתטית של אבולוציה קשורה בשמותיהם של ס' צ'טבריקוב, ר' פישר, ס' רייט, ג'יי האלדן, נ' דובינין.

בניגוד לתפיסה האבולוציונית הקלאסית של צ'ארלס דרווין, הרואה במין יחידה של אבולוציה, התיאוריה הסינתטית של האבולוציה קובעת שהאוכלוסייה (5.5) היא המבנה האבולוציוני היסודי. לאוכלוסיה יש תכונות של מערכת אינטגרלית מתארגנת עצמית הנחוצות לשינויים תורשתיים. שינוי יציב בגנוטיפ של אוכלוסייה נחשב לתופעה אלמנטרית בתהליך האבולוציוני. "יחידת התורשה" היא גן - קטע של מולקולת DNA האחראית על התפתחות סימנים מסוימים של אורגניזם. המנגנון העיקרי של התהליך האבולוציוני הוא בחירת אורגניזמים עם מוטציות המועילות להסתגלות לסביבה.

שינויים תורשתיים מתרחשים בהשפעת מספר גורמים אבולוציוניים, ביניהם העיקריים:

תהליך מוטציה - שינויים מוטציות המספקים חומר לאבולוציה;

גלי אוכלוסייה - תנודות אוכלוסיה סביב רמה ממוצעת מסוימת;

בידוד - בידוד של אוכלוסייה כדי לגבש תכונה חדשה;

הברירה הטבעית היא הגורם המוביל באבולוציה - הישרדותם של האנשים החזקים ביותר והולדת צאצאים בריאים.

גורמים אבולוציוניים מינוריים הם תדירות חילופי דורות באוכלוסיות, קצב תהליכי המוטציה ואופיים וכו'. כל הגורמים האבולוציוניים פועלים הן בשילוב והן בנפרד, וגורמים לשינוי בהרכב הגנטי של אוכלוסייה.

מוטציות- אלו הם שינויים בתכונות התורשתיות של אורגניזמים בתוך אוכלוסייה, הנובעים באופן טבעי או מלאכותי ומספקים את החומר העיקרי לאבולוציה. גורמים גורם למוטציותנקראים מוטגנים. מוטגנים הם משטר טמפרטורה, השפעת חומרים רעילים, קרינה, הרגלי תזונה וכו'. הביולוגיה המולקולרית המודרנית כוללת וירוסים בין המוטגנים המסוכנים ביותר (5.6). מוטציות מופיעות באופן אקראי, רובן ניטרליות או מזיקות. מוטציות מזיקות גורמות לעתים קרובות למוות של אורגניזם, וככלל, בשלבים מוקדמים למדי של אונטוגניה. מוטציות מזיקות שלא הובילו תוצאה קטלנית, בוטלו במהלך ברירה טבעית. מוטציות חיוביות הן נדירות ביותר, אבל הן מה שנותנות לאורגניזם יתרון אבולוציוני. הופעתה של מוטציה מועילה מאפשרת לאורגניזם חי להסתגל טוב יותר לסביבה, להילחם בהצלחה רבה יותר על הקיום ולהשאיר צאצאים ברי קיימא ורבים. לכן שינויים אקראיים חיוביים מצטברים בהדרגה באוכלוסייה, קבועים במספר דורות ותורמים לאבולוציה של המין.

גלים של מספרים,הנקראים לפעמים "גלי חיים", קובעים את התנודות בגודל האוכלוסייה סביב ערך ממוצע מסוים. מחקר מודרניהראה כי אוכלוסיות בינוניות הן הנוחות ביותר להופעתם של מאפיינים חדשים ולהופעתם של מינים חדשים. באוכלוסיות גדולות מדי, קשה יותר להופיע שינויים תורשתיים. באוכלוסיות קטנות מדי, הופעתן של תכונות חדשות תלויה בתהליכים אקראיים שיכולים לשנות באופן דרמטי את מספר המוטציות החיוביות הנדירות ממילא.

בִּדוּד- גורם נוסף בתהליך האבולוציוני, הכרחי כדי להבטיח שהאוכלוסייה לא תוכל להכליל עם קבוצות אחרות של אורגניזמים ולהחליף איתם מידע גנטי. הבידוד של אוכלוסייה מאפשר לגבש את ההתמיינות של מאגר הגנים שלה. הצורך בבידוד להיווצרות סוגים חדשים של אורגניזמים הצביע על ידי צ'ארלס דרווין בתורת האבולוציה הקלאסית (2.5), אך הוא לא הצליח להסביר תופעה זו.

כדאיות בחיות בר היא תוצאה ברירה טבעית,מי מדבר כוח מניעוגורם מוביל באבולוציה. הברירה הטבעית היא תוצאה של האינטראקציה של אוכלוסייה עם הסביבה. הברירה פועלת בכל שלבי ההתפתחות של אורגניזם חי, כל המאפיינים ללא יוצא מן הכלל נתונים לו. בתורת האבולוציה הקלאסית, הברירה הטבעית הוגדרה כתהליך ההישרדות של האורגניזמים החזקים ביותר. הביולוגיה האבולוציונית המודרנית מתמקדת בצד השני של תופעה זו. הברירה הטבעית מובנת כיום כסילוק מהרבייה של אותם פרטים שפחות מותאמים לתנאי הסביבה. בהקשר זה הציע הביולוג האנגלי ג'יי האקסלי את המונח "השמדת הבלתי מותאמים", אשר מנקודת מבטו מאפיין ביתר דיוק את מנגנון הברירה הטבעית.

גורמי האבולוציה המפורטים לעיל פועלים הן ברמת המיקרו והן ברמת המאקרו-אבולוציונית. ההבדל בין מושגי המיקרו-מאקרו-אבולוציה הוא הישג מדעי נוסף שהתאפשר על ידי תיאוריית האבולוציה הסינתטית. המונחים עצמם הוכנסו לשימוש מדעי בשנת 1927 על ידי הגנטיקאי הרוסי יו.א. פיליצ'נקו. מיקרו-אבולוציההוא קבוצה של שינויים אבולוציוניים בתוך אוכלוסיות על פני תקופה קצרה יחסית של זמן, המובילים להופעתם של מינים חדשים של אורגניזמים חיים. מאקרו אבולוציה- קבוצה של טרנספורמציות אבולוציוניות לאורך כל הדרך תקופה ארוכהזמן, המוביל להופעתם של צורות על-ספציפיות חדשות של ארגון החיים.

5.8. אקולוגיה ותורת הביוספרה

המכלול של כל הביוגאוצנוזים על פני כדור הארץ, מחובר באמצעות חילופיןחומר, אנרגיה ומידע נקראים ביוספרה. ביוספירה- זוהי מערכת מארגנת עצמית אינטגרלית, המורכבת ממרכיבים שונים (מערכות אקולוגיות, ביוקנוזות, אוכלוסיות, אורגניזמים וכו'), אשר בתורה יכולות להיחשב כמערכות מתארגנות עצמאיות. הביוספרה כוללת חלק מהאטמוספרה, ההידרוספירה, חלק עליוןליתוספרה. הגבול העליון של הביוספרה ממוקם כ-30 ק"מ מעל פני כדור הארץ, התחתון - עד 10 מ' בקרום כדור הארץ. במקביל, כמה אורגניזמים חיים נמצאו בעומק של עד 11 ק"מ. טווחי הטמפרטורות שבהם יכולים להתקיים חיים מוגבלים גם הם: מ-2520 עד +180 מעלות צלזיוס. יצורים חיים על פני כדור הארץ מוגנים מפני קרניים אולטרה סגולות על ידי שכבת האוזון. הביוספרה נחשבת למערכת אחת שבה מסת החומר החי, למרות כל השינויים והמעברים ממצב אחד למשנהו, נשארת באותה רמה. המבנה, ההרכב והאנרגיה של הביוספרה נקבעים על ידי פעילויות העבר וההווה של כל האורגניזמים החיים, כולל בני אדם. ההבנה המודרנית של הביוספרה מדגישה את התלות ההדדית וההשפעה ההדדית של הטבע החי והדומם; הביוספרה היא אורגניזמים חיים וסביבתם. טרנספורמציות איכותיות של הביוספרה כבר התרחשו יותר מפעם אחת במהלך האבולוציה הגיאולוגית והביולוגית, אשר לוותה בהעלמות של מינים ביולוגיים מסוימים ובהופעת אחרים.

המונח "ביוספירה" שימש לראשונה בשנת 1875 על ידי המדען האוסטרי א' סואס, שהבין את הביוספרה כ"קבוצה של אורגניזמים מוגבלים במרחב ובזמן וחיים על פני כדור הארץ". לפיכך, בתחילה המושג "ביוספירה" סימן את מכלול היצורים החיים בלבד. הקשר בין הטבע החי והדומם התפרש באופן חד-צדדי: התלות של אורגניזמים חיים בגורמים כימיים, פיזיקליים, גיאולוגיים וכו' צוינה, אך ההשפעה ההפוכה נותרה מחוץ לעיני המדענים. המדען והפילוסוף הרוסי V.I. ורנדסקי.

הרעיון המרכזי של V.I. ורנדסקי היה הרעיון של חומר חי - המכלול של כל היצורים החיים על הפלנטה. בתהליך החיים אורגניזמים מקבלים מהסביבה את הדרוש חומרים כימיים, ואחרי המוות הם מחזירים אותם בחזרה, ובכך, חיים ושאינם חיים נמצאים באינטראקציה מתמדת. IN AND. מדגיש ורנדסקי השפעה פעילהאורגניזמים חיים לתוך חומר אינרטי. לדעתו, חומר חימהווה חלק לא משמעותי מהביוספירה מבחינת נפח ומשקל, אך הוא המרכיב המגדיר שלה. אורגניזמים חיים הם הכוח הגיאוכימי הממלא תפקיד מוביל בעיצוב המראה של כוכב הלכת שלנו.

בְּמַהֲלָך אבולוציה גיאולוגיתההשפעה של חומר חי על חומר אינרטי רק גוברת, מה שמתבטא, כמו V.I. ורנאדסקי, "בזרימה הביוגנית המתמשכת של אטומים מחומר חי לחומר האינרטי של הביוספרה ובחזרה". המדען הרוסי הדגיש את היושרה וההרמוניה של הביוספרה: "אפשר לדבר על כל החיים, על כל החומר החי כמכלול אחד במנגנון של הביוספרה^ הכל נלקח בחשבון והכל מסתגל באותה דיוק, עם אותה מכאניות ובאותה כפיפות למדידה והרמוניה, שאנו רואים בתנועות הרמוניות של גרמי השמים ומתחילים לראות במערכות אטומי החומר ואטומי האנרגיה.

האנושות, יחד עם צמחים ובעלי חיים, היא חלק מהחומר החי. עם זאת, בניגוד למרכיבים אחרים של הביוספרה, האנושות משפיעה לא רק על החומר הדומם, אלא גם על החומר החי עצמו, ויוצרת סוגים חדשים של צמחים ובעלי חיים. עם הופעתו של יצור חי שניחן בהיגיון, V.I. ורנדסקי, כדור הארץ נכנס לשלב חדש מבחינה איכותית בתולדותיו. שלב ההתפתחות של הביוספרה הקשור להופעת האדם נקרא נואספירה.המילה "נואספירה" באה מהיוונית noos - mind. מושג הנואספירה הוצג על ידי המדען הצרפתי E. Leroy בשנת 1927. הנואספירה היא תחום הנפש, תחום האינטראקציה בין האדם לטבע, שבו פעילות רציונלית היא הגורם העיקרי באבולוציה.

תורתו של V.I. ורנאדסקי על הנואספירה, שנוצרה בשנות השלושים של המאה ה-20, לא התפתחה לתיאוריה שלמה, יתר על כן, המדען הרוסי אפילו השתמש בעצם המושג של הנואספירה ב משמעויות שונות. להבנתו, הנוספרה היא: תופעה גיאולוגית חדשה, שמהותה טמונה ביכולתו של אדם להפוך את כדור הארץ בעמלו ובמחשבתו;

תחום הביטוי של המחשבה המדעית: "התהליך האבולוציוני מקבל משמעות גיאולוגית מיוחדת בשל העובדה שהוא יצר כוח גיאולוגי חדש - המחשבה המדעית של האנושות החברתית";

הגורם העיקרי בטרנספורמציה ובאבולוציה נוספת של הביוספרה: "האדם, באמצעות פעילותו, יוצר טבע חי חדש".

ההגדרה האחרונה רכשה משמעות חדשהורלוונטיות במיוחד עשרות שנים מאוחר יותר - לאחר הופעת הביולוגיה המולקולרית, פיתוח הנדסה גנטית, ניסויים בשיבוט וכו'.

מושג הנואספירה פותח גם על ידי המדען הרוסי א.ל. צ'יז'בסקי. לדעתו, הנואספירה אינה רק תופעה ארצית, אלא גם קוסמית, והאדם, כחלקיק מהנואספירה, הוא ישות קוסמית. הנואספירה היא אחדות של חיים, אינטליגנטיים וקוסמיים. כדי להוכיח רעיון זה, א.ל. צ'יז'בסקי השתמש בנתונים מהתצפיות שלו. בסיכום כמות עצומה של חומר עובדתי, הוא הפנה את תשומת הלב לסנכרון מסוים בין פעילות השמש - היווצרות כתמי שמש - לבין הלחימה בחזיתות מלחמת העולם הראשונה. א.ל. צ'יז'בסקי העלה את הרעיון של מקצבים קוסמיים, שעליהם תלויים לא רק תהליכים ביולוגיים, אלא גם חברתיים על פני כדור הארץ. לפי החישובים שערך המדען הרוסי, עד 5% מכלל הפעולות החברתיות המשמעותיות מתרחשות בתקופת הפעילות הסולארית המינימלית, ועד 60% במהלך התקופה המקסימלית. עשרות שנים מאוחר יותר, הרעיונות של א.ל. צ'יז'בסקי עדיין רלוונטיים, יתר על כן, הם משמשים בסיס למחקר תיאורטי ומעשי בביולוגיה ורפואה.

מושג הנואספירה פותח בעבודותיו של המדען והפילוסוף הצרפתי פ' טיילהרד דה שרדן. לדעתו, הנואספירה היא אחד השלבים באבולוציה של העולם, שבהם מתבטאת "תודעה תכליתית". "תודעה תכליתית" היא המוח והרצון של אדם, שפעולתם מאפשרת לך להחליק בהדרגה את הסתירות בין האדם לטבע ולשלוט בכיוון האבולוציה העתידית של הפלנטה. כפי שכותב טיילהרד דה שרדן, הופעתה של אינטליגנציה פירושה "טרנספורמציה המשפיעה על מצב כדור הארץ כולו".

בהקשר של המחשבה הפילוסופית המודרנית, מושגי הנואספירה הם ספקולטיביים. כמה הוראות של תיאוריות נוספריות הן למען האמת אוטופיות, מכיוון שהן מצמצמות אדם רק למצב אחד, אם כי חיוני - סביר.

התפתחות הרעיון של הביוספרה הובילה ליצירה מדע חדש אֵקוֹלוֹגִיָה.המילה "אקולוגיה" באה מהיוונית oikos - מגורים, מגורים ולוגו - הוראה. המשמעות המילולית של המושג "אקולוגיה" היא תורת הדיור, תורת הבית. אקולוגיה היא מדע החוקר את האינטראקציה של אורגניזמים חיים זה עם זה ועם הסביבה, כלומר את כל מכלול הקשרים והאינטראקציות בביוספרה ודרכים לשמור על איזון במערכת זו. המונח "אקולוגיה" הוצג בשנת 1866 על ידי הביולוג הגרמני E. Haeckel.

אקולוגיה צמחה כדיסציפלינה מדעית בתחילת המאה ה-20. – בשנת 1913 התקיימה בשווייץ הוועידה הבינלאומית הראשונה בנושאי איכות הסביבה. עם זאת, האיום הסביבתי נשקל ברצינות רק בשנות ה-70. חברי מועדון רומא, שהתכנסו ב-1968 כדי לדון בבעיות הגלובליות העומדות בפני האנושות, היו הראשונים שדיברו על הבעיה הסביבתית. בשנת 1972 התקיימה ועידת האו"ם הראשונה שהוקדשה לבעיות הסביבה, שבה הוכרה עובדת המשבר האקולוגי העולמי. לאחר מכן, לא רק מומחים, אלא גם הציבור הרחב החל לדבר על האיום הסביבתי, שבתורו הוביל לשינוי בסטטוס של מדעי הסביבה והתפתחותו המהירה. מדיסציפלינה תלותית במסגרת הביולוגיה, האקולוגיה הפכה למכלול של לימודים בינתחומיים עם מרכיב אידיאולוגי בולט. האקולוגיה חרגה מהגבולות לא רק של הביולוגיה, אלא גם של מדעי הטבע בכלל. בתוך מדעי הסביבה, ישנם חלקים רבים שיכולים להיחשב כתחומי מחקר עצמאיים לחלוטין: אקולוגיה גלובלית, חברתית, רפואית, היסטורית, אתית, תעשייתית וכו'. הרעיונות והעקרונות של מדע זה הם אידיאולוגיים באופיים, ולכן אקולוגיה קשורה לא רק עם מדעי האדם והתרבות, אלא גם עם הפילוסופיה. שינויים רציניים כאלה מאפשרים לנו לומר שלמרות היסטוריה של מאה שנים, אקולוגיה היא עדיין מדע צעיר מאוד. שיטות לפתרון הבעיות הסביבתיות והבעיות הדמוגרפיות והביו-רפואיות הנובעות מכך הן הנושא המרכזי של האקולוגיה.

במהלך האבולוציה האנושית מהצריכה הראשונית משאבים טבעייםעבר להתערבות פעילה בחיות הבר והפיכתן. הוא יצר בית גידול מלאכותי: חפצים של תרבות חומרית ורוחנית, מערכות אקולוגיות מלאכותיות, ציוד וכו'. כרגע האנושות כבר הרסה כ-70% מהמערכות האקולוגיות הטבעיות. ברור שפעילות נמרצת כזו משפיעה באופן משמעותי על אופי התהליכים בביוספרה: צמיחת הסביבה המלאכותית מובילה להרס של הסביבה הטבעית. חי את הטבעלא נשאר פסיבי. לפעמים קשה לחזות את התגובה.

ברור שאדם אינו יכול לנטוש את פעילותו, שהיא בסיס קיומו, כלומר, הוא ימשיך בהכרח להשפיע על התהליכים המתרחשים בביוספרה. לכן, אקולוגים מדברים על הצורך בהרמוניה ביחסים בין הביו-, נו-וטכנו-ספירות. עם זאת, ההשפעה על הטבע אינה יכולה להישאר ספונטנית ובלתי מבוקרת, אחרת האנושות תאבד כמו מִין. משחרר את עצמו מהטבע, אדם מוצא את עצמו באופן פרדוקסלי יותר ויותר קשור אליו. בעיות סביבתיות מתגברות דוחפות לממש את הנסיבות הללו.

אחד ההיבטים המיוחדים בעיה סביבתיתהוא אפקט החממה. התרחשות של השפעה זו קשורה לשימוש בדלקים מאובנים: פחם, נפט, גז, שכבר קיימים הרבה זמןלא נכללו במחזור החומרים. שריפת דלקים מאובנים מביאה לכך שעד 20 מיליארד טון נפלטים לאטמוספירה מדי שנה. פחמן דו חמצני. פליטות תעשייתיות של פחמן דו חמצני כבר אינן מתוגמלות על ידי תהליכי הפוטוסינתזה, שבמהלכם נוצר חמצן. פחמן דו חמצני משפיע באופן משמעותי על מאזן החום של הפלנטה שלנו, שכן פחמן דו חמצני מעביר את אור השמש לכדור הארץ, אך סופג קרינה אינפרא - אדומההולך בכיוון ההפוך. התוצאה של אפקט החממה היא התחממות כדור הארץ. עליית הטמפרטורה העולמית מובילה להמסת קרח הקוטב והיבשתי ולעלייה במפלס הים. החריפות של בעיה זו ניתנת על ידי העובדה כי על מנת לשנות הרכב הגזהאטמוספירה של כדור הארץ וחזרתה אליה מצב רגילזה ייקח אפילו לא עשרות, אלא מאות שנים. האו"ם כבר שקל להכניס מס על פליטת פחמן דו חמצני לאטמוספירה - מה שנקרא מס סביבתי - על מנת להשתמש במשאבים הכספיים שהתקבלו לצורך ייעור מחדש.

מרכיב נוסף במשבר האקולוגי העולמי הוא הרס שכבת האוזון. האוזון נמצא בסטרטוספירה (מ-10 עד 50 ק"מ מעל פני הים) ופועל כמסנן טבעי הסופג קרניים אולטרה סגולות שמזיקות לחיים. הרס שכבת האוזון הוא תוצאה של זיהום הסטרטוספירה, שבו חומרים מסוכנים נעים די מהר לאורך פני כדור הארץ ומתפשטים למרחקים ארוכים.

מפגע סביבתי משמעותי מיוצג גם על ידי תרכובות חומציות הנפלטות לאטמוספירה יחד עם גזי הובלה מנועיים, עשן מתחנות כוח תרמיות וכו'. הזיהום החומצי של האטמוספירה מביא למשקעים חומציים, אשר בתורם מזהמים את הקרקע ואת גופי המים.

בשנים האחרונות הלך והחריף נושא סילוק הפסולת הרדיואקטיבית, וזה גם חלק מהבעיה הסביבתית העולמית. מנגנוני ההגירה של חומרים רדיואקטיביים בקרקע עדיין אינם מובנים, ולכן, האמינות של קבורה של פסולת רדיואקטיבית מתחת לאדמה (טכנולוגיה זו נחשבת ל"נקייה" ביותר) אינה מוחלטת.

במונחים ספציפיים, יחסית החלטות מהירותכדי להוציא את האנושות מהמבוי הסתום האקולוגי, מוצע לכפות מחקר מדעילחפש מקורות חלופייםאֵנֶרְגִיָה. שמש, רוח, תרמו-גרעיני וגרעיני נחשבים לסוגי אנרגיה חלופיים. כמובן, השימוש בסוגי אנרגיה חדשים אינו פותר את כל הבעיות הסביבתיות של האנושות. כך, לאחר האסון בתחנת הכוח הגרעינית בצ'רנוביל באפריל 1986, התבררו הסכנות הכרוכות בייצור ושימוש באנרגיה גרעינית. השימוש באנרגיית השמש והרוח אינו מסיר את נושא השינוי מסדר היום איזון חוםכדור הארץ. באשר לאנרגיה של היתוך תרמו-גרעיני, שהסיכוי להשתמש בה נראה מאוד מפתה, זה נדון כעת באופן היפותטי למדי. ישנן מספר בעיות תיאורטיות ומעשיות הקשורות ליצירת התנאים הדרושים לביצוע תגובת היתוך תרמו-גרעיני מבוקרת.

מרכיב נוסף בפתרון הבעיה הסביבתית הוא יצירת טכנולוגיות נטולות פסולת ומחזורים סגורים לשימוש בחומרים. בנוסף, נערכים חיפושים אחר דרכים לפינוי פסולת באמצעות נטרול או נטרול ביו-תרמי בהשתתפות קבוצות שונות של אורגניזמים חיים.

החמרה של בעיות גלובליות מאלצת את האנושות לחפש דרכים חדשות לאינטראקציה עם העולם. פילוסופים מודרנייםועתידנים מדברים על הצורך לשנות את דרכי פיתוח הציוויליזציה. בכל התחזיות, האויב העיקרי של האנושות הוא הוא עצמו. התגברות על בעיות גלובליות, כולל סביבתיות, קשורה לשינוי של עמדות ערכיות, חיפוש אחר קווים מנחים חדשים של השקפת עולם, היווצרות סוג אחר של תודעה המונית. IN פילוסופיה מודרניתוהמדע מחפש עקרונות חדשים של אינטראקציה אנושית עם הסביבה.

אחורה קדימה

תשומת הלב! התצוגה המקדימה של השקופית היא למטרות מידע בלבד וייתכן שאינה מייצגת את מלוא היקף המצגת. אם אתה מעוניין בעבודה זו, אנא הורד את הגרסה המלאה.

מטרת השיעור: ליצור מערכת ידע בקרב התלמידים על השקפות שונות על מקור החיים על פני כדור הארץ.

מטרות השיעור:

א. חינוכי:

1. הראה את תפקיד הניסוי בפתרון מחלוקות מדעיות על מקור החיים.
2. למד לנתח את ההשערות המדעיות העיקריות לגבי מקור החיים.

II. מתפתח:

1. המשך לפתח את הרצון לפעילות קוגניטיבית עצמאית.
2. המשך היווצרות מיומנויות פורמליות-לוגיות של הסבר, קונקרטיזציה, הגדרה, הכללה.

III. חינוכי:

1. אינטלקטואלי - להמשיך בגיבוש תפיסת עולם מדעית.
2. אקולוגי - איחוד ידע על הקשר בין הטבע החי והדומם.
3. מוסרי - היווצרות הידע והאמונות של התלמידים לגבי האחריות האנושית לשמירה על שלמות הביוספרה של הפלנטה שלנו.

מוֹטִיבָצִיָה:

מקור החיים על הפלנטה שלנו הוא נושא לדיונים בני מאות שנים שבהם השתתפו יותר מדור אחד של האנושות. זהו תחום ידע מעניין, בעל משמעות מדעית, פילוסופית ואידיאולוגית, עדיין מושך את תשומת לבם של חוקרים מתחומים שונים.

חקר תיאוריות שונות על מקור החיים על פני כדור הארץ הכרחי כדי להרכיב השקפה הוליסטית על הדרך ההיסטורית של התפתחות הטבע החי, היווצרות תפיסת עולם מדעית.

על הלומדים לדעת:

1. ההוראות העיקריות של תיאוריות על מקור החיים;
2. נופים מודרנייםעל מקור החיים על פני כדור הארץ (תיאוריה אבולוציה ביוכימית).

הלומדים צריכים להיות מסוגלים:

1. לחשוף את הוראות המפתח של התיאוריות העיקריות על מקור החיים על פני כדור הארץ;
2. תן תיאור של הניסויים של F. Redi, L. Spallanzani, L. Pasteur, S. Miller, חשפו את משמעותם לפתרון סוגיית מקור החיים;
3. לחשוף את ההוראות העיקריות של רעיונות מודרניים על מקור החיים על פני כדור הארץ (תיאוריות של אבולוציה ביוכימית);
4. נסח את ההוראות העיקריות של התיאוריה של A.I. Oparin.

ציוד שיעור:

• מערך שיעור;
• תַקצִיר;
• נְדָבָה;
• משימות לבקרה;
• הַצָגָה;
• מחשב נייד;
• מקרן מולטימדיה;
• מָסָך.

קשרים בין-תחומיים:

א) פיזיקה (עיצוב מכשירים, תופעות פיזיקליות);
ב) כימיה (הרכב האטמוספירה, כימיקלים);
ג) היסטוריה (פיתוח המדע);
ד) פילוסופיה (גיבוש השקפה מדעית);
ה) שפה זרה(תרגום מונחים).

ספרות למורה:

1. Sivoglazov V.I., Agafonov I.B. ביולוגיה כללית 10-11. - M .: Bustard, 2005
2. Sivoglazov V.I., Sukhova T.S., Kozlova T.A. ביולוגיה כללית. מדריך למורה. – מ.: IRIS PRESS, 2004
3. סוכובה ט.ס. שיעור ביולוגיה. טכנולוגיית למידה התפתחותית. – מ.: ונטנה-גרף, 2001

ספרות לסטודנטים:

1. Sivoglazov V.I., Agafonov I.B. ביולוגיה כללית 10-11.– מ': בסטרד, 2005

ציר הזמן של השיעור:

1. רגע ארגוני

ברכה, בדיקת הנוכחים לפי הרשימה, רצון עבודה מוצלחתבכיתה.

2. שליטה ברמת הידע הראשונית (סטנדרטים של תשובות נכונות מסומנים בסוגריים)

מטרות:

• קבע את רמת הידע של התלמידים.
• התאם את רמת המורכבות של הצגת חומר חדש.

1. לפי אילו תכונות עיקריות (קריטריונים) ניתן להבחין בין עצם חי לבין דומם?

(אַחְדוּת תרכובת כימיתאורגניזמים חיים, חילוף חומרים, עצבנות, צמיחה, רבייה, התפתחות, הסתגלות לסביבה, ויסות עצמי).

2. היכן ומתי התעוררו האורגניזמים החיים הראשונים? איך הם היו? (האורגניזמים הראשונים הופיעו לפני כ-3 מיליארד שנים בסביבה המימית, הם היו פרוקריוטים חד-תאיים, שניזונו מהחומר האורגני של האוקיינוס, אנאירובים).

3. אילו שלבים בהתפתחות הצמחים על פני כדור הארץ תוכל למנות? (חד תאיים, רב תאיים; הופעת הפוטוסינתזה, התהליך המיני; גישה לאדמה, התפתחות צמחייה יבשתית.)

4. אילו שלבים בהתפתחות של בעלי חיים על פני כדור הארץ תוכל למנות? (חד-תאיים, קולוניאליים, רב-תאיים; הופעת התהליך המיני; הופעת חסרי חוליות וחולייתנים; גישה לאדמה; סיבוך במבנה עקב אורח החיים היבשתי).

5. אילו חומרים הם חלק מאורגניזמים חיים?

(אי-אורגני (מים, מלח מינרלי) ואורגניים (חומצות אמינו, חלבונים, שומנים, פחמימות וכו'))

3. לימוד חומר חדש (הסבר על חומר חדש מלווה במצגת, מספרי שקופיות מצוינים בטקסט)

3.1. ניסוח הבעיה

חיים קיימים על פני כדור הארץ כבר מיליארדי שנים. זה ממלא את כל פינות הפלנטה שלנו.

מימי קדם ועד ימינו, נאמר כמות גדולההשערות לגבי מקור החיים. הספציפיות של יצורים חיים קובעת מספר שאלות שיש לענות עליהן בעת ​​פתרון בעיית מקור החיים:

• כיצד נוצרו והתפתחו חיים על הפלנטה שלנו?
• כיצד נוצר התא? יחידה מבניתבחיים?
• איך נוצרו כל החומרים והמבנים הספציפיים ליצורים חיים?
• כיצד נוצר המטבוליזם הקיים? וכו.

עלינו להכיר את ההשערות של מקור החיים, לנתח אותן ולגבש מושג כיצד החיים התעוררו והתפתחו על פני כדור הארץ.

3.2. פיתוח רעיונות על מקור החיים על פני כדור הארץ (שקופית מספר 1)

מאז ומתמיד, מקור החיים היה תעלומה לאנושות. מרגע הופעתו, הודות לעבודה, אדם מתחיל להתבלט בין יצורים חיים אחרים.

אבל היכולת לשאול את עצמך את השאלה "מאיפה אנחנו?" אדם מקבל יחסית לאחרונה - לפני 7-8 אלף שנה.

עד לאותה תקופה, האדם התקשה להפריד את עצמו משאר החיות (האדם היה גם צייד וגם סוג של משחק), אך בהדרגה הוא החל לתחום את עצמו מהטבע עם עולמו הרוחני הפנימי. הצורות הפרימיטיביות הראשונות של אמונה בכוחות לא אמיתיים, על טבעיים או אלוהיים התעוררו כבר לפני 35-40 אלף שנה.

3.3. התיאוריות העיקריות על מקור החיים על פני כדור הארץ (שקופית מס' 2)

• בריאתנות
(שקופית מס' 3)

על פי תיאוריה זו, החיים התעוררו כתוצאה מאירוע על טבעי כלשהו בעבר, שמשמעותו לרוב יצירה אלוהית. הרעיון של בריאת העולם כ"מעשה יצירה" של אלוהים עלה, והמיתוס הזה עומד בבסיס כל הדתות.

תֵאוֹרִיָה דור ספונטני

תומכי תיאוריה זו טענו שאורגניזמים חיים צצו שוב ושוב מחומר דומם על ידי יצירה ספונטנית. - מושג האביוגנזה (מיוונית "א" - לא, "ביוס" - חיים, "בראשית" - מקור). (שקופית מספר 4)פילוסופים יווניים עתיקים קיבלו את הרעיון של הופעת יצורים חיים ממים או מחומרים רטובים או מתכלים שונים. אבל אפילו תאלס (624-547 לפנה"ס) חלק על רעיונות מיתולוגיים ויצר השקפת עולם חומרנית ספונטנית עם אלמנטים של דיאלקטיקה. על פי תאלס וחסידיו, הופעתם של יצורים חיים מהמים התרחשה ללא כל התערבות של כוחות רוחניים; החיים הם נכס של חומר. לפי אריסטו (384-322 לפנה"ס), חלקיקי חומר מסוימים נושאים "עיקרון פעיל" המסוגל ליצור אורגניזם חי בתנאים מתאימים. ניתן למצוא את ה"התחלה" הזו בביצית מופרית, בשר נרקב, בוץ ואור שמש:

"אלה העובדות - יצורים חיים יכולים להתעורר לא רק כתוצאה מהזדווגות של בעלי חיים, אלא גם מפירוק האדמה... צמחים מסוימים מתפתחים מזרעים, בעוד שאחרים מתעוררים באופן ספונטני בהשפעת איתני הטבע מ. האדמה הנרקבת או חלקים מסוימים של צמחים..."

עם זאת, עם הופעת הנצרות, במיוחד בימי הביניים, התיאוריה של הדור ספונטני נכנסה לעול הכנסייה. היא נחשבה לתכונה של כישוף וביטוי של השטן. עם זאת, היא המשיכה להתקיים.

בתחילת המאות XVI-XVII. ואן הלמונט (1579 - 1644) תיאר ניסוי שבו הצליח להביא עכברים מפשתן מלוכלך ומחיטה מלוכלכים בארון חשוך. ואן הלמונט ראה בזיעה אנושית את ההתחלה הפעילה של לידתו של עכבר. (שקופית מספר 5)- ל מושג של ביוגנזה (מיוונית "ביוס" - חיים, "בראשית" - מוצא). (שקופית מספר 6)

בשנת 1668 הרופא האיטלקי פרנצ'סקו רדי (1626-1698) הוכיח שהתולעים הלבנות המצויות בבשר הן זחלי זבובים; אם בשר או דגים סגורים כשהם טריים, ונמנעת גישה של זבובים, הם, למרות שהם נרקבים, לא ייצרו תולעים. מכאן הסיק פ' רדי שהופעת החיים רק מהחיים). (שקופית מספר 7)בשנת 1765, Lazzardo Spallanzani (1729-1799) מבושל תבשילי בשר וירקות ומיד חתם אותם. כמה ימים לאחר מכן, הוא בדק את המרתחים ולא מצא סימני חיים. מכאן הוא הסיק שהחום הרס את כל היצורים החיים, ושום דבר חדש לא יכול להתעורר. (שקופית מספר 8)

J. Needham - תומך ויטאליזם (מלטינית vita - חיים), הסביר את התוצאות השליליות שהשיג ל' ספאלנצאני בכך שהוא העביר את העירויים שלו לעיבוד קשה מדי, וכתוצאה מכך הם הושמדו " כוח החיים". (שקופית מספר 9)לטענת הוויטליסטים, "כוח החיים" נוכח בכל מקום. די רק "לנשום" אותו, והדומם יהפוך לחיים.

בשנת 1862 המדען הצרפתי הגדול לואי פסטר (1822-1895) מפרסם את תצפיותיו על בעיית היצירה הספונטנית השרירותית. הוא מוכיח שההופעה הפתאומית ("היווצרות ספונטנית ספונטנית") של חיידקים בסוגים שונים של תמציות או תמציות נרקבות אינה הופעת החיים. ריקבון ותסיסה הם תוצאה של פעילות חיונית של מיקרואורגניזמים המוכנסים מבחוץ. המחקר שלו הרס לבסוף את הדעות הקדומות עתיקות יומין על יצירה ספונטנית ספונטנית.

איור.1. ניסיון של ל. פסטר בצלוחיות עם צוואר בצורת S:

1 - בקבוק עם מי שמרים מסוכרים; לאחר עיקור וקירור נשאר סטרילי במשך זמן רב;

2 - אותה בקבוק 48 שעות לאחר הסרת הצוואר המעוקל; נצפית צמיחה של מיקרואורגניזמים. (שקופיות №10,11)

• תיאוריית מצב יציב
(שקופית מספר 12)

לפי תיאוריה זו, כדור הארץ היה קיים לנצח, מעולם לא קם, תמיד היה מסוגל לתמוך בחיים, וכל השינויים בו הם חסרי משמעות לחלוטין. תיאוריה זו אינה עומדת בבדיקה כיום.

• תורת הפנספרמיה
(שקופית מספר 13)

במאה ה-5 לִפנֵי הַסְפִירָה. הפילוסוף היווני אנקסגורס ביטא את הרעיון של זריעה קוסמית - פנספרמיה(מה"פאן" היוונית - הכל ו"זרע" - זרע). לדבריו, חיים צצו מזרע שקיים "תמיד ובכל מקום". לפי תיאוריה זו, חיידקי החיים מובאים לכדור הארץ על ידי מטאוריטים או אבק קוסמי. תיאוריה זו אינה מציעה שום מנגנון להופעתם של חיים, אלא רק מציגה את ההנחה של מקורם החוץ-ארצי. טוענים שחיים יכולים להתעורר שוב ושוב ב זמנים שוניםובחלקים שונים של היקום.

4. רעיונות מודרניים על מקור החיים

(שקופית 14)

תיאוריה מודרניתמקור החיים מבוסס על הרעיון שמולקולות ביולוגיות יכלו להיווצר בעבר הגיאולוגי הרחוק בצורה לא אורגנית.

התפוצה הגדולה ביותר במאה העשרים. קיבל את תורת האבולוציה הביוכימית, שהוצעה באופן עצמאי על ידי הכימאי הרוסי A.I. Oparin (1894 - 1980) והביולוג האנגלי D. Haldane (1892 - 1964).

• תורת האבולוציה הביוכימית
(שקופית מספר 15)

שלב 1 - התרחשות אביוגנית של מונומרים אורגניים כוכב הלכת שלנו קם לפני כ-4.6 מיליארד שנים. הדחיסה ההדרגתית של כוכב הלכת לוותה בשחרור של כמות עצומה של חום, תרכובות רדיואקטיביות התפרקו וזרם של קרינה אולטרה סגולה קשה הגיע מהשמש. לאחר 500 מיליון שנה, החלה ההתקררות האיטית של כדור הארץ. חינוך קרום כדור הארץמלווה בפעילות וולקנית פעילה. מאמינים שהאטמוספרה הראשונית מורכבת בעיקר מאמוניה, מים, מתאן, פחמן חד חמצני ופחמן דו חמצני. היעדר חמצן העניק לו תכונות מפחיתות. ב-3 במאי 1924, בפגישה של החברה הבוטנית הרוסית, הביע המדען הצעיר A.I. Oparin את הדעה כי בתנאי האטמוספירה הראשונית של כדור הארץ, השונה באופן משמעותי מהנוכחית, סינתזה של כל החומרים המבשרים הנחוצים עבור מקור החיים יכול להתרחש.

בתנאים כאלה ניתן היה ליצור חומרים אורגניים הרבה יותר בקלות וניתן היה לשמר אותם מבלי לעבור ריקבון לאורך זמן. א.י. אופרין האמין בכך חומרים מורכביםיכול להיות מסונתז מפשוטים יותר באוקיינוס. האנרגיה הדרושה לתגובות הובאה על ידי קרינת השמש, מאז. מסך האוזון המגן עדיין לא היה קיים; סינתזה התרחשה גם בתנאים של פריקות ברק.

תנאים על כדור הארץ הקדמוני (שקפים מס' 16,17):

מגוון התרכובות הפשוטות המצויות באוקיינוס ​​וקנה המידה הגדול של הזמן מרמזים על אפשרות של הצטברות כמות גדולה של חומר אורגני באוקיינוס, שיצר "מרק קדמון" שבו יכלו להיווצר חיים.

ערכת היווצרות "המרק העיקרי"

תיאוריה זו אושרה בניסויים של ס. מילר שנערך ב-1953. (שקופית 18)

איור 2. תכנית המכשיר S. Miller:

1 - בקבוק תגובה; 2 - אלקטרודות טונגסטן; 3 - פריקת ניצוץ; 4 - בקבוקון עם מים רותחים; 5 - מְקָרֵר; 6 - מַלכּוֹדֶת; 7 - ברז שדרכו מסופקת תערובת גז למכשיר

דרך תערובת גז המכילה מתאן, אמוניה, מימן מולקולרי ואדי מים, כלומר, המדמה את ההרכב האטמוספרי של כדור הארץ הפרימיטיבי, הוא העביר פריקות חשמליות, ולאחר מכן ניתח את תוצרי התגובה שנוצרו. אלקטרודות טונגסטן הותקנו בבקבוק תגובה שהכיל תערובת של גזים. במהלך השבוע עברו פריקות ניצוץ במתח של 60,000 V. בבקבוק אחר (קטן) נשמרו מים במצב של רתיחה. אדי מים עברו דרך בקבוק התגובה והתעבו במקרר. בתהליך המחזור הם לכדו את תוצרי התגובה מבקבוק התגובה והעבירו אותם למלכודת, שם רוכזו. בעת זיהוי תוצרי התגובה, נמצאו תרכובות אורגניות: אוריאה, חומצה לקטית וכמה חומצות אמינו.

שלב 2 - יצירת פולימרים ביולוגיים וקואסרבטים (שקופית מס' 19)

א.י. אופרין האמין שהתפקיד המכריע בהפיכת הדומם לחיים שייך לחלבונים. מולקולות חלבון יצרו קומפלקסים עם מולקולות מים המקיפות אותן. מיזוגם של מתחמים כאלה זה עם זה הוביל להפרדתם מהסביבה המימית; coacervates(מ-lat. "coacervus" - קריש). טיפות-קואסרבטים הצליחו: להחליף חומרים עם הסביבה, לצבור תרכובות שונות. ספיגת יוני מתכת על ידי coacervates הובילה ליצירת אנזימים. חלבונים ב-coacervates הגנו על חומצות גרעין מפני ההשפעות המזיקות של קרינה אולטרה סגולה. בטיפות עצמן התרחשו טרנספורמציות כימיות נוספות של החומרים שהגיעו לשם. על גבול הטיפות סביבה חיצוניתמולקולות שומנים התייצבו, ויצרו קרום פרימיטיבי שהגביר את היציבות של המערכת כולה.

שלב 3 - היווצרות מבני ממברנה ואורגניזמים ראשוניים (פרוביונטים) מסביב לקואסרבטים, העשירים בתרכובות אורגניות, התעוררו שכבות של שומנים שהפרידו בין הקואצרבטים מהסביבה המימית שמסביב. ליפידים הפכו במהלך האבולוציה לממברנה החיצונית, מה שהגדיל משמעותית את הכדאיות וההתנגדות של אורגניזמים. כך קמו פרוביונטים - אורגניזמים הטרוטרופיים פרימיטיביים שניזונו מחומרים אורגניים של המרק הראשוני. זה קרה לפני 3.5 - 3.8 מיליארד שנים. האבולוציה הכימית הסתיימה.

מהות התיאוריה של A.I. ניתן לגבש אופרין ב שְׁלוֹשָׁהמניח:

1. החיים הם אחד השלבים בהתפתחות היקום. 2. הופעת החיים היא תוצאה טבעית של האבולוציה הכימית של תרכובות פחמן. 3. לצורך המעבר מאבולוציה כימית לביולוגית, נחוצים היווצרות וברירה טבעית של מערכות מולטימולקולריות אינטגרליות המבודדות מהסביבה, אך מקיימות עמה אינטראקציה מתמדת, אשר נקראו פרוביונטים.

מסקנות. (שקופית מספר 20)

שאלת מקור החיים היא אחת הקשות ב מדעי הטבע המודרניים. קודם כל, כי היום אנחנו לא יכולים לשחזר את תהליכי מקור החיים כפי שהיו לפני מיליארדי שנים. אחרי הכל, אפילו הניסוי המבוים בקפידה ביותר יהיה רק ​​מודל, קירוב, ללא ספק נטול מספר גורמים שליוו את הופעת החיים על פני כדור הארץ. עם זאת, המדע פותר בהצלחה את שאלת מקורם של יצורים חיים, עורך מחקרים רבים ומרחיב ללא הרף את הבנתנו את מקור החיים. זה די מובן: בעיית החיים נמצאת בבסיס כל מדעי הביולוגיה ובמידה רבה של כל מדעי הטבע.

תרומה משמעותית לפתרון סוגיית מקור החיים נתנה על ידי האקדמיה של האקדמיה למדעים של ברית המועצות, הביוכימאי A.I. אופרין (1894–1980), חוקרי הטבע האנגלים J. Bernal (1901–1971) וב.ס. Haldane (1892–1964) ומדענים רבים אחרים.

ההיסטוריה של החיים וההיסטוריה של כדור הארץ אינן ניתנות להפרדה זו מזו. בתהליכי התפתחות כוכב הלכת שלנו הונחו התנאים לקיומם העתידי של חיים - טווחי הטמפרטורות, הלחות, הלחץ, רמות הקרינה וכו'. לדוגמה, טווח הטמפרטורות שבו יש באר- ידוע חיים פעילים, מרכיב פס צר למדי (ראה איור 7.8).

אחת ההשערות לגבי מקור כדור הארץ ומערכת השמש כולה, כפי שכבר צוין, היא שכדור הארץ שלנו וכל כוכבי הלכת התעבו מאבק קוסמי שנמצא בקרבת השמש. סביר להניח שחלקיקי האבק היו מורכבים מברזל מעורב בניקל או סיליקטים (חומרים המכילים סיליקון, הנפוץ על פני כדור הארץ), כמו סיליקטים מגנזיום, וכל חלקיק היה מוקף בקרח. כמובן, בנוסף לאבק, גז היה בכל מקום. גם חלקיקי גז וגם אבק חדרו על ידי קרינת השמש. יחד עם זאת, סביר מאוד שבחלקים החיצוניים של מערכת השמש גזיםיכול להתעבות וליצור חומרים נדיפים שונים תרכובות אורגניות,שבו המרכיב העיקרי של כל האורגניזמים החיים קיים - פַּחמָן.בהדרגה השמש חיממה אותם, הגזים התאדו שוב, אך חלקם, בהשפעת הקרינה, הפכו לגזים פחות נדיפים. פחמימנים(תרכובות של פחמן עם מימן) ו תרכובות חנקן.

ייתכן שמדובר בחלקיקי אבק המוקפים בקונכיות של תרכובות אורגניות שהתאחדו ויצרו תחילה אסטרואידים ואחר כך כוכבי לכת. ידוע, למשל, שענקי מערכת השמש - צדק, שבתאי, אורנוס - מורכבים בעיקר מתאן, מימן, אמוניה וקרח - חומרים המשמשים כבסיס לכל התרכובות האורגניות המורכבות ביותר.

יחד עם זאת, פני השטח הכוללים של גרגרי האבק היו גדולים מאוד. וזה אומר שתרכובות שונות של פחמן וחנקן, מבשרי חיים ישירים, עלולות להיווצר עליו.

הנחה זו מוכחת על ידי העובדה שמספר תרכובות אורגניות נמצאות במטאוריטים, למשל אדנין -בסיס חנקני חשוב מאוד מבחינה ביולוגית. הוא הופק באופן מלאכותי במעבדה בתנאים המחקים את האטמוספירה הקדמונית של כדור הארץ. ונאמר, תרכובות אורגניות הממלאות תפקיד גדול בחילוף החומרים של אורגניזמים חיים - אוקסלי, פורמי ו חומצה סוציניתהושג באופן מלאכותי על ידי הקרנת תמיסות מימיות של פחמן דו חמצני.

האטמוספרה העיקרית של כדור הארץ, כמו גם כוכבי לכת אחרים, הכילה כמובן מתאן, אמוניה, אדי מים ומימן. על ידי השפעה על תערובת של גזים אלו במעבדה עם פריקות חשמליות המחקות ברק וקרינה אולטרה סגולה, המדענים השיגו חומרים אורגניים מורכבים שהם חלק מחלבונים חיים - גליצין, אלנין וכו'.

לפיכך, כעת אין ספק שבהשפעת פריקות חשמליות, אור וקרינה אולטרה סגולה עוד לפני היווצרות כדור הארץ או בשלב הראשון של קיומו מ. תרכובות אנאורגניותמספר מורכבים למדי חומר אורגני. החומר האורגני שנוצר הוא הצעד הראשון בדרך לחיים.

אילו מרכיבים הם המרכיבים העיקריים של החיים, ה"לבנים" שלו? זה קודם כל חמצן, פחמן, מֵימָןו חַנקָן. הם נקראים אורגנוגנים. בתא חי, למשל, לפי משקל הוא מכיל כ-70% חמצן, 17% פחמן, 10% מימן, 3% חנקן, ואחריהם זרחן, אשלגן, כלור, גופרית, סידן, נתרן, מגנזיום וברזל. מספרם בתא אינו עולה על עשיריות האחוז. לאחר מכן מופיעים נחושת, אבץ, יוד, פלואור ואלמנטים נוספים הנמצאים באלפיות ועשרת אלפיות האחוז.

לפחמן תפקיד מיוחד באורגניזמים חיים. אומרים שהחיים על הפלנטה שלנו הם "פחמן" מכיוון שפחמן הוא הבסיס לכל התרכובות והחומרים האורגניים של אורגניזמים.

לתרכובות פחמן יש מספר תכונות שהופכות אותן לחיוניות ביצירת מערכות חיות. קודם כל, מספר התרכובות האורגניות המבוססות על פחמן הוא עצום - עשרות מיליונים. הם פעילים בטמפרטורות נמוכות יחסית. אטומי פחמן במולקולות יכולים ליצור שרשראות ארוכות צורות שונות. עם סידור מחדש קטן יחסית של המולקולות של תרכובות פחמן, הפעילות הכימית שלהם משתנה באופן משמעותי, אשר עולה בנוכחות זרזים.

כל היסודות החיים שייכים לחומרים היציבים והנפוצים ביותר ביקום. הם מחוברים ביניהם בקלות ויש להם מסה אטומית נמוכה. התרכובות הנוצרות על ידי יסודות כאלה צריכות להיות מסיסות בקלות במים. תכונה זו מצויה, למשל, על ידי תרכובות של אשלגן ונתרן וכו'.

הפלנטה שלנו עשירה במים. הוא ממוקם במרחק כזה מהשמש שעיקר המים הדרושים לחיים הוא במצב נוזלי, ולא במצב מוצק או גזי, כמו בכוכבי לכת אחרים. בכדור הארץ נשמר טווח הטמפרטורות האופטימלי, הדרוש למקורם וקיומם של החיים.

האם כדור הארץ הוא הגוף הקוסמי היחיד שבו אפשר חיים? כנראה שלא. רק בגלקסיה שלנו יש כ-150 מיליארד כוכבים. סביר להניח שיש בו גופים קוסמיים, שעליהם יתכנו חיים.

הצעד הראשון לקראת הופעת החיים הוא היווצרות חומרים אורגניים מחומרי גלם בחלל אנאורגניים.תהליך כזה התרחש ב טמפרטורה מסוימת, לחץ, לחות, קרינה וכו'. בשלב הראשון של תהליך זה, כנראה החל לפעול בחירה ראשוניתאותן תרכובות שמהן יצאו אורגניזמים מאוחר יותר. מבין החומרים הרבים שנוצרו, שרדו רק החומרים היציבים ביותר ומסוגלים לסיבוך נוסף.

כדי לבנות כל תרכובת אורגנית מורכבת של אורגניזמים חיים, יש צורך בקבוצה קטנה של אבני בניין - מונומרים (תרכובות במשקל מולקולרי נמוך). לדוגמה, עם רק 29 מונומרים פשוטים יחסית, אפשר לתאר את המבנה הביוכימי של כל אורגניזם חי. הם כוללים 20 חומצות אמינו,שממנו בנויים כל החלבונים, 5 בסיסים חנקן(מהם, בשילוב עם חומרים אחרים, נוצרים נשאים של תורשה - חומצות גרעין), וכן גלוקוז - המקור החשוב ביותראנרגיה הדרושה לחיים שומנים(חומר מבני המשמש לבניית ממברנות בתא ולאגירת אנרגיה).

מספר קטן יחסית של תרכובות הוא תוצאה של פעולת הברירה הטבעית לאורך תקופה של כמעט מיליארד שנים, שייחדה אותם ממספר עצום של חומרים שהתעוררו פעם וקבעו את התאמתם להופעתם של יצורים חיים. אפשר לומר זאת אבולוציה של אורגניזמיםקדם לו ארוך מאוד אבולוציה כימית.

תרכובות שנוצרו על בסיס פחמן שנוצר "מרק ראשוני"הידרוספירה. קיים השערה מדעית, לפיה חומרים המכילים פחמן וחנקן התעוררו במעמקי כדור הארץ המותכים והועלו אל פני השטח במהלך פעילות געשית. כשהם נשחקים על ידי מים, הם יכלו להיכנס לאוקיינוס, שם הם השתתפו ביצירת "המרק העיקרי".

הצעד השני בחשיבותו ביצירת אורגניזמים חיים היה שממולקולות אינדיבידואליות רבות של חומרים אורגניים שהתקיימו באוקיינוס ​​הראשוני של כדור הארץ, נוצרו חומרים מורכבים מסודרים - ביופולימרים:חלבונים וחומצות גרעין. כבר היה להם הכי חשוב תכונה ביולוגית- לשכפל מולקולות הדומות לעצמן.

כיצד התבצעה יצירת ביופולימרים? במהלך התקופה הנסקרת, כל התרכובות האורגניות היו באוקיינוס ​​הראשוני של כדור הארץ. על מנת שיתרחשו תגובות בין תרכובות שיובילו ליצירת מולקולות מורכבות חשובות ביולוגית, ריכוז התרכובות האורגניות היה צריך להיות גבוה יחסית. ריכוז כזה של חומרים יכול להיווצר כתוצאה ממשקעים של תרכובות על חלקיקי מינרלים שונים, למשל, על חלקיקי חימר או הידרוקסיד של ברזל, היוצרים סחף במים רדודים שחוממו על ידי השמש. חומר אורגני יכול ליצור סרט דק על פני האוקיינוס, שנדחף על ידי רוח וגלים אל החוף, שם הם נאספים בשכבות עבות עם ריכוז גבוה של חומר אורגני.

חינם חַמצָןהופיע הרבה יותר מאוחר כתוצאה מפעילות הפוטוסינתזה הראשונה - אצות, ולאחר מכן צמחי יבשה. סביבה נטולת חמצן הקלה ככל הנראה את הסינתזה של ביו-פולימרים מתרכובות אנאורגניות - חמצן, כחומר מחמצן חזק, יהרוס את המולקולות שנוצרו.

תרכובות אורגניות פשוטות נפרדות החלו להתאחד למולקולות ביולוגיות גדולות. נוצר אנזימים -זרזי חלבון המעודדים היווצרות או פירוק של מולקולות. כתוצאה מפעילותם של אנזימים ראשוניים, נוצרו כמה מהתרכובות האורגניות החשובות ביותר - חומצות גרעין. מונומרים בחומצות גרעין מסודרים בצורה כזו שהם נושאים מידע מסוים על סינתזה של חלבונים וחילופי חומר ואנרגיה עם הסביבה החיצונית. בנוסף, מולקולות חומצת גרעין רכשו את התכונה של רבייה עצמית מסוגן. אפשר לחשוב שמאותו רגע קמו חיים על כדור הארץ.

החיים -זֶה צורה מיוחדתקיומו של החומר. מאפייניםחיים - החלפה עם הסביבה החיצונית, רבייה מהסוג שלהם, התפתחות מתמדת.

לקראת הסוף שלב ביוכימיהופעת החיים, תצורות מבניות הופיעו - ממברנות,מי שיחק תפקיד חשובבבניה תאים.כפי שכבר צוין, האורגניזמים הראשונים על פני כדור הארץ היו חד-תאיים פרוקריוטים.חלפו מאות מיליונים, אפילו מיליארדי שנים, שבמהלכן נוצרו פרוקריוטים איקריוטים,נוצר גרעין בתא שלהם עם חומר המכיל את קוד סינתזת החלבון, הגרעין הממוקם בגרעין ואחרים אלמנטים מבניים(איור 7.9).

עם הופעת האאוקריוטים, הייתה בחירה בין אורח חיים צמחי או בעלי חיים, שההבדל ביניהם טמון בשיטת התזונה וקשור בהופעתו של התהליך החשוב ביותר עבור כל היצורים החיים - פוטוסינתזה.כתוצאה מהפוטוסינתזה נוצרים כ-200 מיליארד טון של חומר אורגני מדי שנה על פני כדור הארץ, 90% ממנו מיוצרים על ידי אצות ורק 10% על ידי צמחי אדמה.

הופעת הפוטוסינתזה לוותה בכניסה לאטמוספירה חַמצָן.ההערכה היא שבזכות הפוטוסינתזה, כל הפחמן הדו-חמצני של כוכב הלכת - הן באטמוספירה והן מומס במים - מתחדש בעוד כ-300 שנה, וכל החמצן - תוך 2,000 שנה. ההנחה היא שתכולת החמצן הנוכחית באטמוספרה (21%) הושגה לפני 250 מיליון שנה כתוצאה מהתפתחות אינטנסיבית של צמחים.

ראשון אורגניזמים רב תאיים נוצר על ידי שילוב אורגניזמים חד תאייםועשו דרך ארוכה באבולוציה. כך התפתחו והשתפרו החיים, כפי שמעיד התיעוד הפליאונטולוגי, שעמודיו המאובנים נקראים בהדרגה על ידי מדענים.

ביאור.

בעיית מקור החיים על פני כדור הארץ רדפה זה מכבר מדענים רבים. שנים רבות חלפו מאז שהאדם החל לתהות מהיכן הגיעו כל היצורים החיים, ובמשך כל הזמן הזה נשקלו השערות והנחות רבות לגבי מקור החיים. תיאוריה דתית, תיאוריית הדור הספונטני, תיאוריית הפנספרמיה, תיאוריית הקיום הנצחי של החיים... האנושות עדיין לא יכולה לפתור את החידה הזו במלואה. אף על פי כן, התיאוריה שהציע א.י. אופרין במחצית הראשונה של המאה ה-20 מקובלת בתור התיאוריה העיקרית של מקור החיים. היא מבוססת על ההנחה של אבולוציה כימית, שעוברת בהדרגה לאבולוציה ביוכימית ולאחר מכן לאבולוציה ביולוגית. היווצרות תאים הייתה התופעה המורכבת ביותר. אבל היא הניחה את היסוד להתפתחות החיים ולכל מגווןם.

אז איך הכל התחיל?

מבוא.

החיים ממלאים את כל פינות הפלנטה שלנו. אוקיינוסים, ימים, אגמים, נהרות, הרים, מישורים, מדבריות, אפילו האוויר מאוכלסים ביצורים חיים. במשך מיליארדי שנים, החיים מהלכים על פני כדור הארץ כמערכת מארגנת עצמית ייחודית. היא ידעה תקופות של שגשוג, ניסיונות היסטוריים ומשברים קשים, לפני שהגיעה לעושרה המפואר בימינו. כיום המדע מכיר כ-4.5 מיליון מינים של בעלי חיים וצמחים. ההנחה היא שבכל ההיסטוריה של החיים על פני כדור הארץ היו כ-4.5 מיליארד מינים של בעלי חיים וצמחים.

כיצד הופיעו המינים הללו? בכל התקופות של ההיסטוריה של כדור הארץ, החי והצומח היו זהים כפי שהם עכשיו?

ברור למדע שהחיה המודרנית ו עולם הירקותהוא רק הכריכה של הספר הגדול ההוא שחוקר פליאונטולוגיה. השרידים המאובנים של יצורים חיים פעם, הכלולים בשכבות כדור הארץ, תיעדו את ההיסטוריה של האבולוציה שלהם ואת הקשר שלה עם שינויים סביבתיים.

מאז ומתמיד, מקור החיים היה תעלומה לאנושות. מרגע הופעתו, הודות לעבודה, אדם מתחיל להתבלט בין יצורים חיים אחרים. אבל היכולת לשאול את עצמך את השאלה "מאיפה אנחנו?" אדם מקבל יחסית לאחרונה - לפני 7-8 אלף שנה, בתחילת תקופת האבן החדשה (ניאוליתית). הצורות הפרימיטיביות הראשונות של אמונה בכוחות לא אמיתיים, על טבעיים או אלוהיים, שהתקיימו כבר לפני 35-40 אלף שנה, מתרחבות ומתחזקים. אדם מבין שהוא בן תמותה, שחלקם נולדים ואחרים מתים, שהוא יוצר כלי עבודה, מעבד את האדמה ומקבל את פירותיה. ומה עומד בבסיס הכל, מיהו היוצר המקורי, שברא את האדמה והשמים, החיות והצמחים, האוויר והמים, יום ולילה, ולבסוף, את האדם עצמו?

1. תיאוריות והשערות שונות על מקור החיים על פני כדור הארץ.

הרעיון של בריאת העולם כ"מעשה יצירה" של אלוהים היה הראשון שהופיע, והמיתוס הזה עומד בבסיס כל הדתות. המקרא אומר: "בראשית ברא אלוהים את השמים ואת הארץ"; ביום הרביעי, אלוהים מצווה: "המים יביאו שפע של זוחלים מלאי חיים, ויעפו ציפורים על פני האדמה במרחב השמים". החלק השני של הבריאה: "ויברא אלוקים את האדם בצלמו ובדמותו". ולבסוף: "ברא ה' אלהים אשה מצלע, אשר לקח מאיש והביאה לאיש" (בראשית, א, ב-31; ב, כא-כב).

כאוסף של יצירות של תרבות עברית עתיקה, השונות בזמן ובתוכן, התנ"ך (חלקו העתיק ביותר ידוע מהמאה ה-9 לפני הספירה) שאל רעיונות על בריאת העולם ממיתוסים בבליים עתיקים וממיתוסים מצריים עתיקים. המיתוסים האלה הם תוצר של פנטזיה ומיסטיקה טהורה, אבל הם מראים לנו איך היו רעיונות עתיקים על מקור העולם. עם זאת, הם שלטו במוחותיהם של אנשים במשך אלפי שנים; רבים מאמינים בהם גם היום.

הפילוסופים היוונים העתיקים של אסכולת מילטוס (מאות 8-6 לפני הספירה) קיבלו את הרעיון של הופעת יצורים חיים ממים או מחומרים רטובים או מתכלים שונים, שהייתה תוצאה של ההשפעה הישירה של התרבות הבבלית. אבל אפילו תאלס (624-547 לפנה"ס) חלק על רעיונות מיתולוגיים ויצר השקפת עולם חומרנית ספונטנית עם אלמנטים של דיאלקטיקה. על פי תאלס וחסידיו, הופעתם של יצורים חיים מהמים התרחשה ללא כל התערבות של כוחות רוחניים; החיים הם נכס של חומר.

התפתחות חומרנית חיה של הרעיון של יצירה ספונטנית של יצורים חיים מתבצעת מאוחר יותר ביצירותיהם של דמוקריטוס (460-370 לפנה"ס) ואפיקורוס (341-270 לפנה"ס). לפי פילוסופים אלה, הופעת היצורים החיים היא תהליך טבעי, תוצאה של כוחות טבעיים, ולא "מעשה הבריאה" של כוחות חיצוניים.

אריסטו (384-322 לפנה"ס) הכיר באלוהים כצורה הגבוהה ביותר והמניע העיקרי. לפי אריסטו, אורגניזמים יכולים לנבוע מאורגניזמים, אך במקביל הם יכולים לנבוע גם מחומר דומם. הוא מאמין שהחומר הוא רק עיקרון פסיבי, אפשרות שניתן לממש רק דרך צורה מסוימת. בראשית מכיל מטרה פנימיתהתפתחות (אנטלכיה). לפי אריסטו, זוהי אנטלכיה כמהות פנימית תכליתית המפיחה חיים בחומר. השקפותיו של אריסטו קובעות את גורל הרעיון של יצירת חיים ספונטנית במשך כמעט 2000 שנה.

רק באמצע המאה ה- XVII. הרופא הטוסקני פרנצ'סקו רדי (1626-1698) מבצע את הניסויים הראשונים על יצירה ספונטנית. ב-1668 הוא הוכיח שהתולעים הלבנות המצויות בבשר הן זחלים של זבובים; אם בשר או דגים סגורים כשהם טריים, ונמנעת גישה של זבובים, הם, למרות שהם נרקבים, לא ייצרו תולעים.

כיום, הניסויים של רדי נראים תמימים, אבל הם ייצגו את פריצת הדרך הראשונה בחזית הרעיונות המיסטיים על היווצרותם של יצורים חיים.

כמעט 200 שנה אחרי רדי, ב-1862, המדען הצרפתי הגדול לואי פסטר (1822-1895) מפרסם את תצפיותיו על בעיית היצירה הספונטנית השרירותית. הוא מוכיח שההופעה הפתאומית ("היווצרות ספונטנית ספונטנית") של חיידקים בסוגים שונים של תמציות או תמציות נרקבות אינה הופעת החיים. ריקבון ותסיסה הם תוצאה של פעילות חיונית של מיקרואורגניזמים שהחיידקים שלהם מוכנסים מבחוץ. מיקרובים הם קשים אורגניזמים מסודריםויכולים לייצר יצורים הדומים להם, כלומר, החיים באים מהחיים. כמדען שסומך רק על תוצאות ניסויים מדעיים, פסטר אינו מסיק מסקנות עמוקות לגבי מקור החיים. עם זאת, המחקר שלו הרס לבסוף את הדעות הקדומות עתיקות יומין על יצירה ספונטנית ספונטנית.

קריסת הדוקטרינה של הדור ספונטני הובילה כמה מדענים מפורסמים לרעיון שחיים מעולם לא התעוררו, אלא, כחומר או אנרגיה, היו קיימים לנצח. לפי רעיון זה, "חיידקי החיים" משוטטים בחלל החיצון עד שהם מגיעים לכוכב הלכת המתאים לתנאיהם - שם הם מולידים אבולוציה ביולוגית. רעיון זה, שבא לידי ביטוי כבר במאה ה-5. לִפנֵי הַסְפִירָה. הפילוסוף היווני אנקסגורס, שנתמך על ידי הרמן ואן הלמהולץ (1821-1894) וויליאם תומסון (לימים לורד קלווין; 1824-1907).

הלמהולץ אמר שחייבים להיות הרבה עולמות אחרים ביקום, מביא חיים, שמדי פעם נהרסים כשהם מתנגשים בגופים קוסמיים אחרים, ושברים עם צמחים ובעלי חיים חיים מפוזרים בחלל.

רעיון זה פותח בקפידה בשנת 1908 על ידי הכימאי השוודי Svante Arrhenius (1859-1927), אשר כינה את התיאוריה שלו פנספרמיה. בפיתוח רעיונותיהם של הלמהולץ וקלווין, הוא הביע כמה מהשיקולים שלו, והציע כי נבגי חיידקים ווירוסים יכולים להיסחף מכוכב הלכת שבו הם התקיימו בהשפעת כוחות אלקטרוסטטיים, ולאחר מכן לנוע לחלל החיצון תחת לחץ אור הכוכבים. . בעודו בחלל החיצון, הנבג יכול להתיישב על חלקיק אבק; ובכך להגדיל את המסה שלו ולהתגבר על לחץ האור, הוא יכול ליפול בקרבת הכוכב הקרוב ולהילכד על ידי אחד מכוכבי הלכת של כוכב זה. לפיכך, חומר חי מסוגל להיות מועבר מכוכב לכת, מכוכב אחד מערכת כוכביםלאחר.

במחצית השנייה של המאה XIX. מוצע גם שמקורם של החיים באוקיינוס ​​הקדמון מ חומר אנאורגניכתוצאה מתהליך טבעי.

ב-3 במאי 1924, בפגישה של החברה הבוטנית הרוסית, המדען הסובייטי הצעיר א.י. אופרין עם נקודה חדשההשקפה נחשבת לבעיית מקור החיים. הדו"ח שלו "על מוצא החיים" הפך לנקודת המוצא להסתכלות חדשה על הבעיה הנצחית "מאיפה באנו?". חמש שנים מאוחר יותר, ללא תלות באופרין, פותחו רעיונות דומים על ידי המדען האנגלי ג'יי האלדן. נפוץ בדעותיהם של אופרין והלדאן הוא ניסיון להסביר את הופעת החיים כתוצאה מהאבולוציה הכימית על כדור הארץ הפרימיטיבי. שניהם מדגישים את תפקידו העצום של האוקיינוס ​​הקדמון כמעבדה כימית ענקית שבה נוצר "המרק הקדמון", ובנוסף, את תפקידם של אנזימים – מולקולות אורגניות שמאיצות מאוד את המהלך התקין של תהליכים כימיים. בנוסף לכך, האלדן מציג לראשונה את הרעיון שהאטמוספירה הקדמונית על פני כדור הארץ "כנראה הכילה מעט מאוד או לא חמצן".

בשנת 1952, הרולד אורי (1893-1981) הגיע באופן עצמאי למסקנה שלאטמוספירה של כדור הארץ הצעיר יש אופי משוחזר, כלומר, בסוף תהליך ההיווצרות, לכדור הארץ הייתה אטמוספרה מופחתת מאוד, שכן מרכיביה העיקריים. היו מימן וצורות מופחתות לחלוטין של פחמן, חנקן וחמצן: מתאן, אמוניה ואדי מים. שדה הכבידה של כדור הארץ לא יכול היה להחזיק מימן קל, והוא נמלט בהדרגה לחלל החיצון. תוצאה משנית של אובדן המימן החופשי הייתה חמצון הדרגתי של מתאן לפחמן דו חמצני ואמוניה לגז חנקן, אשר באמצעות זמן מסוייםשינה את האטמוספירה מצמצום לחמצון. אורי הניח שדווקא בתקופת הנידוף המימן, כשהאטמוספירה הייתה במצב חיזור ביניים, יכול להיווצר חומר אורגני מורכב על פני כדור הארץ בכמויות גדולות. לפי הערכותיו, האוקיינוס, כנראה, היה אז פתרון של אחוז אחד של תרכובות אורגניות. התוצאה הייתה חיים בצורתם הפרימיטיבית ביותר.

2. תנאים להופעת החיים.

ראשון תנאי הכרחיהופעת החיים היא בעלת אופי קוסמי כללי. זה קשור לבסיס כימי יחיד של היקום. החיים מתפתחים על בסיס יחיד זה, המשקפים תכונות כמותיות ואיכותיות של יסודות כימיים בודדים. הנחה זו מובילה למסקנה שלכל כוכב לכת ביקום הדומה לשלנו במסה ובמיקומו ביחס לכוכב המרכזי יכולים להיות חיים. "לפי רעיונותיו של האסטרונום האמריקני הבולט H. Shapley, ישנם 108 גופים קוסמיים ביקום (כוכבי לכת או כוכבי גמד) שעליהם יכולים להתעורר חיים ולהתקיים."

לתנאי העיקרי להופעתם של חיים יש סיבה פלנטרית והוא נקבע על פי מסת כוכב הלכת, כלומר חיים הדומים לכדור הארץ יכולים להתעורר ולהתפתח על כוכב לכת שלמסה שלו יש ערך מוגדר בהחלט. אם מסת כוכב הלכת היא יותר מ-1/20 ממסת השמש, מתחילות בו תגובות גרעיניות עזות, מה שמעלה את הטמפרטורה שלו, והוא זוהר כמו כוכב.

מכוכבי הלכת של מערכת השמש, מלבד כדור הארץ, לנוגה ולמאדים יש מסה מתאימה, אך אין שם תנאים אחרים.

במיוחד תנאי חשובמקור החיים הוא נוכחות מים. חשיבות המים לחיים היא יוצאת דופן. זה נובע מהתכונות התרמיות הספציפיות שלו: קיבולת חום עצומה, מוליכות תרמית נמוכה, התפשטות בעת הקפאה, מאפיינים טוביםכממס וכו' תכונות אלו קובעות את מחזור המים בטבע, אשר ממלא תפקיד חשוב מאוד בהיסטוריה הגיאולוגית של כדור הארץ.

עכשיו יש מספיק מידע מענייןעל נוכחותן של תרכובות אורגניות ביקום. מקורות המידע הזה הם השליחים הטבעיים של החלל לכדור הארץ, מטאוריטים.

3. מטאוריטים וענני אבק בין כוכבי.

מטאוריטים הם גופים קוסמיים קטנים הנופלים לכדור הארץ. הם שברי אסטרואידים. מסתם של אסטרואידים בדרך כלל עולה על 50 ק"ג. על פי ההרכב, נבדלים מטאוריטים מאבן, ברזל ואבן ברזל. על פי המאפיינים המבניים והנוכחות של תצורות כדוריות (כונדרולים), כמה מטאוריטים מאבן נקראים כונדריטים. מעניינים במיוחד הם כונדריטים פחמניים, המהווים 5% מהם מספר כוללמטאוריטים שפוגעים בשטח כדור הארץ מדי שנה.

יש לכך שתי סיבות:

הסבירות שהמחקר שלהם יספק נתונים על האבולוציה הפרה-ביולוגית של מולקולות אורגניות;

מקור לא ברור של מספר אלמנטים במבנה שלהם - עד לאחרונה, חלק מהחוקרים ראו בתצורות מינרלים בכונדריטים מיקרואורגניזמים מפוספטים.

העצמים המעניינים הללו הם "שברי הערפילית הפרוטוסולרית" שלא עברו שינויים משמעותיים. הם נחשבים ראשוניים מכיוון שהם נוצרו במקביל למערכת השמש. מטאוריטים קטנים מכדי שתהיה להם אטמוספירה משלהם, אבל כונדריטים פחמניים דומים מאוד לשמש מבחינת התוכן היחסי של יסודות לא נדיפים. שֶׁלָהֶם הרכב מינרליםמציין שהם נוצרו בטמפרטורה ובפעולה נמוכים טמפרטורה גבוההמעולם לא נחשף. הם מכילים עד 20% מים (קשורים בצורה של הידרטים מינרלים) ועד 10% חומר אורגני.

במחקר של שני מטאוריטים - הראשון נפל ב-1950 ליד מורי (קנטקי, ארה"ב), והשני - ליד מורצ'יסון (ויקטוריה, אוסטרליה) ב-1969 - נמצאו חומצות אמינו בודדות בהרכבן - חומר בנייהחלבונים באורגניזמים חיים. במטאוריט מרצ'יסון התגלו גם חומצות שומן, מהן בנויים שומנים ברקמות חיות.

מבין חומצות האמינו שזוהו חומצה גלוטמית, פרולין, גליצין, סרקוזין, אלנין, ולין ו-2-מתילאלנין, ומן חומצות שומן- 17 סוגים.

לחומצות שומן של אורגניזמים יבשתיים יש מספר זוגי של אטומי פחמן, בעוד שחומצות שומן עם מספר אי-זוגי של אטומי פחמן אינן אופייניות לרקמות חיות על פני כדור הארץ. בתגובות כימיות המתבצעות ללא השתתפות של יצורים חיים או חומרים ממקור ביוגני, נוצרת כמות שווה בערך של חומצות שומן עם מספר זוגי ואי-זוגי של אטומי פחמן. תוצאות הניתוח של המטאוריט מרצ'יסון מראות את אותו הדבר.

ישנן עדויות חזקות לכך שחומצות האמינו ותרכובות הפחמימנים במטאוריט מרצ'יסון הן בבירור אנדוגניות במקורן ולא תוצאה של זיהום חיצוני:

הדומיננטיות של גליצין על פני חומצות אמינו אחרות;

ערכים חיוביים של המחוון 13C;

נוכחות של חומצות אמינו שאינן אופייניות לחלבונים.

בין 1968 ל-1970 בעזרת ספקטרומטריית רדיו התגלו מולקולות אורגניות בחלל הבין-כוכבי, מה שכמובן חידש את הידע שלנו בכימיה האורגנית של היקום. הדיווחים הראשונים על גילוי מים, פורמלדהיד ואמוניה באזורים מסוימים בגלקסיה שלנו פורסמו.

הידרוקסיל OH, פורמלדהיד H2CO ופחמן חד חמצני CO הן המולקולות הנפוצות ביותר בתווך הבין-כוכבי. הם נמצאים בכל הגלקסיה, בעוד תרכובות אחרות נמצאות באזורים בין-כוכביים מסוימים. יש כ-3000 ערפיליות כאלה בגלקסיה שלנו, שצפיפותן גדולה מצפיפות המדיום הבין-כוכבי; מולקולות מופיעות לעתים קרובות יותר כאן. אטומי פחמן משחקים תפקיד ראשיביצירת מולקולות אורגניות, בעלות חשיבות עיקרית באורגניזמים חיים.

במצב זה, הופעת החיים נראית בלתי נמנעת. בערפיליות חלל חיצוןכבר במהלך היווצרות כוכבים וכוכבי לכת, נוצרות מולקולות שמובילות להיווצרות מולקולות מורכבות יותר של חומצות אמינו, חומצות שומן, פורינים, פירמידינים ושאר מרכיבי החיים העיקריים.

4. אבולוציה כימית.

תורת האבולוציה הכימית - התאוריה המודרנית של מקור החיים - מסתמכת גם על רעיון היצירה הספונטנית. עם זאת, היא מבוססת לא על הופעתם הפתאומית של יצורים חיים על פני כדור הארץ, אלא על היווצרות תרכובות ומערכות כימיות המרכיבות את החומר החי. הוא בוחן את הכימיה של כדור הארץ הקדום ביותר, בעיקר את התגובות הכימיות שהתרחשו באטמוספרה הפרימיטיבית ובשכבת פני המים, שם, ככל הנראה, התרכזו היסודות הקלים המהווים את הבסיס לחומר חי, ו- כמות עצומה של אנרגיה סולארית נספגה. תיאוריה זו מנסה לענות על השאלה: כיצד בעידן הרחוק ההוא יכול להתעורר באופן ספונטני ולהיווצר פנימה מערכת חיהתרכובות אורגניות?

רוב המומחים המודרניים משוכנעים כי הופעת החיים בתנאי כדור הארץ הראשוני היא תוצאה טבעית של התפתחות החומר. אמונה זו מבוססת על האחדות המוכחת של הבסיס הכימי של החיים, הבנויה מכמה אטומים פשוטים ונפוצים ביותר ביקום.

המגוון המורפולוגי יוצא הדופן של החיים (מיקרואורגניזמים, צמחים, בעלי חיים) מתבצע על בסיס ביוכימי אחיד למדי: חומצות גרעין, חלבונים, פחמימות, שומנים וכמה תרכובות נדירות יותר כמו פוספטים.

היסודות הכימיים הבסיסיים מהם בנויים החיים הם פחמן, מימן, חמצן, חנקן, גופרית וזרחן. ברור שאורגניזמים משתמשים ביסודות הפשוטים והנפוצים ביותר ביקום למבנה שלהם, וזה נובע מעצם טבעם של יסודות אלה. לדוגמה, אטומי מימן, פחמן, חמצן וחנקן הם קטנים ומסוגלים ליצור תרכובות יציבות עם קשרים פי שניים ושלושה, מה שמגביר את התגובתיות שלהם. היווצרותם של פולימרים מורכבים, שבלעדיהם הופעתה והתפתחות החיים בלתי אפשרית בדרך כלל, קשורה ספציפית תכונות כימיותפַּחמָן.

שני היסודות הביוגנים האחרים, גופרית וזרחן, קיימים בכמויות קטנות יחסית, אך תפקידם בחיים חשוב במיוחד. המאפיינים הכימיים של יסודות אלה מאפשרים גם היווצרות של כפולות קשרים כימים. גופרית מצויה בחלבונים, ואילו זרחן נמצא רְכִיבחומצות גרעין.

בנוסף לשש העיקריות הללו יסודות כימייםנתרן, אשלגן, מגנזיום, סידן, כלור, כמו גם מיקרו-אלמנטים: ברזל, מנגן, קובלט, נחושת, אבץ ועקבות קטנות של אלומיניום, בורון, ונדיום, יוד ומוליבדן משתתפים בבניית אורגניזמים בכמויות קטנות. כמו כן, יש לציין כי ישנם כמה אטומים נדירים ביותר המתרחשים במקרה ובכמויות זניחות.

כתוצאה מכך, הבסיס הכימי של החיים מגוון על ידי עוד 15 יסודות כימיים, אשר, יחד עם ששת היסודות הביוגנים העיקריים, משתתפים ביחסים שונים במבנה ובתפקודים של אורגניזמים חיים. עובדה זו מעידה במיוחד בשני היבטים: 1) כהוכחה לאחדות מקור החיים ו-2) בחיים עצמם, שהם תוצאה של ארגון עצמי של החומר, הנכללים באבולוציה של מקרומולקולות ביולוגיות לא רק כל היסודות הנפוצים ביותר, אך גם כל האטומים המתאימים במיוחד לביצוע פונקציות חיוניות (למשל, זרחן, ברזל, יוד וכו'). כפי שמציין המדען הסובייטי מ' קמשילוב, "ליישום פונקציות החיים, תכונות כימיותהאטומים שלו, אשר, במיוחד, כוללים סינגולריות קוונטית. לא רק המבנה, חילוף החומרים, אלא אפילו הפעולות המכניות של יצורים חיים תלויים במולקולות המרכיבות אותם. עם זאת, אין זה אומר שניתן לצמצם את החיים רק לסדירות כימית.

החיים הם אחת מתופעות הטבע המורכבות ביותר, אם לא המורכבות ביותר. זה מאופיין במיוחד על ידי חילוף חומרים ורבייה, והתכונות הן יותר רמות גבוהותהארגון העצמי שלו נובע מהמבנה של הרמות הנמוכות.

התיאוריה המודרנית של מקור החיים מבוססת על הרעיון שמקורן של מולקולות ביולוגיות יכול היה להיות בעבר הגיאולוגי הרחוק בצורה לא אורגנית. אבולוציה כימית מורכבת מתבטאת בדרך כלל על ידי סכמה כללית כזו: אטומים, תרכובות פשוטות, תרכובות ביו-אורגניות פשוטות, מקרומולקולות, מערכות מאורגנות. אבולוציה זו הוקמה על ידי נוקלאוסינתזה ב מערכת השמשכאשר היסודות העיקריים, כולל ביוגניים, נוצרו. המצב הראשוני - נוקלאוסינתזה - עובר במהירות לתהליך היווצרות של תרכובות כימיות בעלות מורכבות שונה. תהליך זה מתרחש בתנאים של כדור הארץ הראשוני עם מורכבות הולכת וגוברת, עקב תנאים מוקדמים קוסמיים וספציפיים פלנטריים.

5. סינתזה של מולקולות אורגניות.

זה זמן רב ידוע כי כימאים יכולים לסנתז חומרים אורגניים, אבל הרעיון של הקמת ניסויים נפרדים על סינתזה של חומרים אורגניים על ידי שחזור התנאים של כדור הארץ הראשוני נראה לא פחות פנטסטי מהשערות רבות. כמובן, אף אחד לא מאמין שאפשר לשחזר במדויק את התנאים של מעבדה כימית טבעית ענקית, שהייתה כדור הארץ לפני 4.5 - 5 מיליארד שנים. אנחנו מדברים על מודל משוער של התנאים ההנחות התיאורטית של כדור הארץ הראשוני: אטמוספרה נטולת חמצן, נוכחות של תרכובות כימיות ראשוניות: מתאן, מים, אמוניה ומקור אנרגיה (מקורות).

הניסוי התכליתי הראשון בסינתזה של מולקולות אורגניות המתאימות לפיתוח חיים מהמרכיבים הראשוניים לכאורה של האטמוספירה של כדור הארץ המוקדמת בוצע על ידי W. Groth וה.Süss ב-1938. לאחר הקרנת תערובת גז של CO2 ו-H2O בקרניים אולטרה סגולות, הם השיגו פורמלדהיד וגלוקסל. לפי גרות' וסוס, תוצאות הניסויים הללו מסבירות את היווצרותן של תרכובות אורגניות מסוימות, "שהיו כנראה תנאי מוקדם הכרחי לאבולוציה של חיים אורגניים".

מאוחר יותר, W. Harrison, M. Calvin ואחרים (1951) הכפיפו את רעיונותיהם של אופרין והלדיין לאימות ניסיוני. הם הקרינו עם -חלקיקים תמיסות מימיות המכילות יוני ברזל, שהיו בשיווי משקל עם תערובת גזית של פחמן דו חמצני ומימן. התקבלו פורמלדהיד, חומצות צורניות וסוקסיניות.

בשנת 1953 ערך סטנלי מילר, אסטרופיזיקאי לאחר תואר שני של ג'י אוריי המפורסם באוניברסיטת שיקגו, ניסוי שנקרא מאוחר יותר קלאסי. את התערובת הגזים של מתאן, אמוניה, אדי מים ומימן (לא הייתה גישה של חמצן חופשי לבקבוק) נתנה מילר לפריקות חשמליות חזקות, והתקבלו חומצות אמינו, סוכרים ועוד מספר תרכובות אורגניות. המשמעות העצומה של הניסוי של מילר נעוצה בהוכחת האפשרות של מסלול אי-אורגני ליצירת מולקולות דמויות חלבון בתנאים של כדור הארץ הראשוני.

ניסיונו של מילר העשיר את המדע ושימש דחף חזק למחקר חדש. T. Pavlovskaya ו-A. Paskinsky במכון לביוכימיה של האקדמיה למדעים של ברית המועצות, על ידי הניסויים והחישובים התרמודינמיים שלהם, הוכיחו את האפשרות של היווצרות של חומרים אורגניים מורכבים בתנאים של כדור הארץ הראשוני. א' ווילסון, שהוסיף גופרית לתערובת הראשונית של מילר, השיג מולקולות פולימר גדולות עם 20 אטומי פחמן או יותר. S. Ponnamperuma השתמש במנורת אולטרה סגול בניסויים כמקור אנרגיה - אחרי הכל, בתנאים של כדור הארץ צעיר קרינה אולטרא - סגולהסיפק את האנרגיה העיקרית. פונמפרומה הצליחה להשיג לא רק חומצות אמינו ופורינים (אבני הבניין לחלבונים וחומצות גרעין, בהתאמה), אלא גם סינתזה את המולקולות הללו לפולימרים. ס. פוקס מהמכון לאבולוציה מולקולרית במיאמי סינתזה כמעט את כל חומצות האמינו, שבלעדיהן החיים יהיו בלתי אפשריים. פוקס "בישל" את מה שנקרא "פרוטואידים תרמיים" מחומצות אמינו, הדומות בהרכבן לחלבונים. במקביל, הפרוטואידים הפכו לטיפות דקות במרק שהכין פוקס, בדומה לקואסרבטים של אופרין. זה היה מתצורות כאלה, לפי אופרין, החיים על כדור הארץ התחילו.

רשימת המחקרים הניסיוניים ארוכה מאוד. התוצאות העיקריות שלהם מראות שהאבולוציה הכימית אינה פרי של תודעה סרק, אלא תהליך טבעי קבוע שמניח את היסודות לחיים.

6. תנאים גיאולוגיים על כדור הארץ הראשוני.

המכשולים הראשונים שנתקלו בפיתוח מולקולות אורגניות היו התנאים החדשים על כדור הארץ הצעיר. יחד עם השפעתם של גורמים קוסמיים (מתחילתם ועד ימינו החיים עדיין מגיבים לסופות שמש!) מופיעים גורמים פלנטריים ספציפיים חדשים: התפתחות הליתוספירה, האטמוספרה וההידרוספרה.

זה לא היה רק ​​מכשול לאבולוציה המוקדמת; החיים עצמם יצרו את אזור קיומם - הביוספרה. כמה מומחים מאמינים בצדק כי האב הקדמון של החיים לא היה האורגניזם הראשון, אלא הביוספרה הראשונה. "החיים אינם תופעה אקראית כלפי חוץ על פני כדור הארץ", כותב V.I. Vernadsky, מדען ואקדמאי סובייטי בולט. "הוא קשור קשר הדוק למבנה קרום כדור הארץ, מפריע למנגנון שלו ומבצע פונקציות בעלות החשיבות הגדולה ביותר במנגנון זה." בהיסטוריה בת מיליארד השנים שלהם, אורגניזמים מחוברים בשרשרת מורכבת של אינטראקציה זה עם זה, ובו בזמן, כמכלול וכיחידות נפרדות, הם נמצאים באינטראקציה הדוקה עם כדור הארץ: פני כדור הארץ, אגני מים, ואוויר. מרגע מוצאם, אורגניזמים חיים מתחילים למלא תפקיד גיאולוגי חשוב ומגוון ביותר. הם פועלים לא רק כמעצבים גדולים, אלא גם כמנועים ומווסתים יוצאי דופן של מספר תהליכים גיאולוגיים וגיאוכימיים מורכבים.

כדור הארץ ככוכב לכת נפרד נוצר בשלב הראשון, הקוסמי, של האבולוציה הכימית. זה יוצר את הרמה הראשונה של ארגון ב מערכת מורכבתכדור הארץ. שלב זה נמשך כמיליארד שנים. השלב השני קשור קשר הדוק לזה הקוסמי, שממנו קשה להפריד אותו. בתחילת שלב זה (100 מיליון השנים הראשונות), כדור הארץ מהווה יותר מ-80% מהמסה שלו. שלב זה אינו רק זמן, אלא במלוא מובן המילה עידן משמעותי בו נוצרים המינרלים הראשונים, השכבות הראשונות ונוצר המקרומבנה של כוכב הלכת עם הגיאוספרות שלו.

אז, קרום כדור הארץ כבר מוצק, אך עדיין דק ונתון להתרככות באזורים מסוימים עקב מתחים טקטוניים. הוא מורכב בעיקר מתרכובות של סיליקון, אלומיניום, ברזל, סידן, מגנזיום, נתרן, אשלגן, וכן מספר תרכובות מינוריות, כולל חומרים אורגניים. במעטפת שמתחת לקרום, עקב הפרדה כבידתית, מצטברים בעיקר סיליקטים של ברזל ומגנזיום.

תפקידו של קרום כדור הארץ לאבולוציה מולקולרית הוא גדול מאוד. אורגניזמים שואבים מתכות ושאר אורגניים ו רכיבים אורגנייםנחוץ לבניית הגוף ולחילוף החומרים.

קרום כדור הארץ מספק תמיכה לחיים, אך אגני המים הראשונים הופכים לעריסה שלו. אכן, ישנן כמה השערות לפיהן מקורם של החיים לא באגן המים, אלא על פני כדור הארץ באבק שנוצר מ"גשם" של מיקרומטאוריט.

החיים כפי שאנו מכירים אותם לא היו יכולים להתעורר ללא מים בחינם. עבור חומר חי, זה הכרחי בדיוק חופשי, ולא מים או קרח, שנמצאים במטאוריטים או בכוכבי לכת אחרים.

נוכחותם של מים בגופם של אורגניזמים מעידה על חשיבותם הרבה לתהליכי החיים. אורגניזמים נמוכים יותרמכילים 95-99% מים, וגבוהים יותר - 75-80%. עם ירידה בכמותו לרמה מסוימת, מתרחש מוות.

קשה לתאר את מצב ההידרוספירה ב-100-200 מיליון השנים הראשונות לקיומו של כדור הארץ. לדעת רבים, לכדור הארץ הצעיר הייתה כעשירית ממסת המים הכלולות באוקיינוס ​​המודרני. תשע העשיריות הנותרות נוצרו מאוחר יותר עקב הסרת גז חלקים פנימייםכדור הארץ. כתוצאה משחרור גז וקיטור מהמעטפת נוצרו ההידרוספירה והאטמוספירה. חומר המעטפת מכיל 0.5% מים, אבל מספיקים אפילו 10% מכמות זו כדי ליצור את כל נפח האוקיינוס ​​של היום. כנראה שמי האוקיינוס ​​היו מלוחים מההתחלה. במהלך הסרת הגז, חומרי מעטפת המים היו רוויים באניונים של כלור, ברום ויסודות אחרים, כמו גם CO2, H2S, SO2. כך נוצר אופי חומצי קל של הפרוטו-אוקיינוס, אשר נוטרל עקב רכיבים אלקליים שנגרמו על ידי גשמים מקרום הבזלת והובל על ידי נהרות אל האוקיינוס. אלו הם קטיונים של נתרן, מגנזיום, סידן, אשלגן ואלמנטים נוספים.

האבולוציה המוקדמת של ההידרוספירה (אוקיינוסים, ימים, אגנים יבשתיים) התנהלה בהיעדר חמצן גזי. בתנאים אלה ובנוכחות אטמוספרה אנוקסית, רק אורגניזמים אנאירוביים יכולים להתעורר.

אוקיאנולוגים מצאו שחומר אורגני מתרחש בהשעיה בצורה של חלקיקים בודדים לעתים קרובות הרבה יותר ממה שחשבו בעבר. הוא האמין כי היווצרות של קצף באוקיינוס ​​משחק תפקיד מרכזי בהיווצרות של הצטברות כאלה של חומר אורגני. חומר אורגני יוצר סרט מונומולקולרי דק על פני האוקיינוס, אשר נהרס על ידי גלים. מוצלפים על ידי הגלים הללו, הם מקבלים צורה כדורית ונופלים חזרה למים, בעוד הם יכולים לשקוע לעומק מסוים ולהישאר שם בצורה של טיפות קואצרבאטיות קטנות.

השערת ה-coacervate פותחה בשנת 1924 על ידי Oparin. Coacervation היא ההפרדה הספונטנית תמיסה מימיתפולימרים לשלבים עם ריכוזים שונים. Coacervate טיפות יש ריכוז גבוהפולימרים. חלק מהטיפות הללו נספגו מהמדיום על ידי תרכובות במשקל מולקולרי נמוך: חומצות אמינו, גלוקוז וזרזים פרימיטיביים. האינטראקציה בין המצע המולקולרי והזרזים כבר פירשה את הופעתו של המטבוליזם הפשוט ביותר בתוך הפרוטוביונטים ("פרוטוביוניטים" במינוח של אופרין הם מבני החלבון הראשונים). טיפות שהיו להן חילוף חומרים כללו תרכובות חדשות מהסביבה ועלו בנפחן. כאשר coacervates הגיעו לגודל המקסימלי המותר בנתונים מצב פיזי, הם התפרקו לטיפות קטנות יותר, למשל, תחת פעולת גלים. טיפות קטנות המשיכו לצמוח שוב ואז יוצרות דורות חדשים של קואצרבטים.

הסיבוך ההדרגתי של פרוטוביונטים בוצע על ידי בחירה של טיפות coacervate כאלה, שלהן היה יתרון ב השימוש הטוב ביותרהחומר והאנרגיה של הסביבה. סלקציה כסיבה העיקרית לשיפור של coacervates ליצורים חיים ראשוניים היא המיקום המרכזי בהשערת אופרין.

היווצרות טיפות קואצרבאט בשכבת שומנים מונומולקולרית בממשק אוויר-מים תחת פעולת גלים.

תהליך הריכוז של חומרים אורגניים יכול להתרחש בזמן שפל, אידוי מים בלגונות, וגם בזמן גלים (כפי שצוין לעיל). עדויות מדעיות מאשרות יותר ויותר שהחיים לא מקורם ב אוקיינוס ​​פתוח, ובאזור המדף של הים או בלגונות, שם הכי הרבה תנאים נוחיםלריכוז מולקולות אורגניות ויצירת מערכות מקרומולקולריות מורכבות.

7. אבולוציה של תרכובות פחמן על כדור הארץ הראשוני.

האבולוציה הביוכימית מתחילה עם היווצרות קרום כדור הארץ, כלומר לפני כ-4.5 מיליארד שנים. שורשיו חוזרים לשלב הקוסמי המוקדם של האבולוציה הכימית. ממצאים של המאובנים המולקולריים העתיקים ביותר בני 3.5-3.8 מיליארד שנים מראים כי האבולוציה הביוכימית שהובילה להיווצרות התא הראשון נמשכה כמיליארד שנים. היווצרות התא הייתה הקשה ביותר במסע הארוך הזה.

כפי שכבר צוין, חומר המקור לאבולוציה ביוכימית הוכן מוקדם יותר, בשלב ההתפתחות הקוסמי ובתחילת היווצרות הליתוספירה הראשונית, ההידרוספירה והאטמוספירה. היו מספיק מקורות אנרגיה בשביל זה: קרינת שמש, אנרגיית תרמיתפנים כדור הארץ, קרינה באנרגיה גבוהה, פריקות חשמליות (ברקים ורעמים, שבהם מתרחשים גלי הלם חזקים). כנראה שבמקביל התעוררו יסודות הברירה הטבעית של מולקולות ביוכימיות חשובות.

המספר הזמין של יסודות כימיים ונוכחותם של מקורות אנרגיה רבי עוצמה מובילים להיווצרות מספר עצום של מולקולות. על ידי עיבוי (ריכוז) של מולקולות פשוטות אלו (מתאן, אמוניה, מים וכו'), נוצרות המולקולות הביוכימיות העיקריות: כמה חומצות אמינו, שהן הבסיס לחלבונים; בסיסים אורגניים מסוימים, כגון אדנין, שהם מרכיבים של חומצות גרעין; כמה סוכרים, כגון ריבוז, והפוספטים שלהם; מולקולות פשוטות המכילות חנקן, כמו פורפירינים, שהם מרכיב חשוב באנזימים (אנזימים) וכו'. עַל השלב הבאיש הגדלה של מולקולות ויצירת מקרומולקולות מורכבות, רכיבים קריטייםמה שנקרא "מרק ראשוני", שבו מתרחשת פילמור וקשירה של תרכובות במשקל מולקולרי נמוך למשקל מולקולרי גבוה. לתרכובות מקרו-מולקולריות מורכבות כאלה, הנקראות פרוביונטים, יש מבנה מרחבי פתוח, המבטיח את צמיחתן, כמו גם חלוקה לתצורות בת תחת הפעולה של כוחות מכניים. בשלב זה, כאשר מופיעים פולימרים ביולוגיים, הופיע ככל הנראה גם מנגנון הרבייה הזהה (שכפול), שהוא המאפיין העיקרי של החיים.

נקבע כי יכולת הרבייה העצמית של אורגניזמים חיים מבוססת על שכפול של חומצות גרעין, שבהן מתרחשת לא רק היווצרות של מולקולות חדשות, אלא גם הפרדתן. השלב הפרה-ביולוגי לרוב הכימי עובר לשלב הארגון העצמי, שבו נוצרים קומפלקסים מולקולריים מורכבים המתרבים בעצמם. קומפלקסים מקרומולקולריים אלו מעוררים חיים. הגבול בין שני השלבים - שלב האבולוציה הכימית הטהורה ושלב הארגון העצמי של מקרומולקולות ביולוגיות - הוא שרירותי מאוד ואינו קבוע בזמן.

לפי אופרין, עם הופעת הרבייה העצמית של מולקולות אורגניות, החלה אבולוציה ביולוגית. זה הפגיש שניים מאפיינים חשובים: יכולת להתרבות עצמית של פולינוקלאוטידים ופעילות קטליטית של פוליפפטידים. הסיכויים הטובים ביותר להישרדות בברירה פרה-ביולוגית היו אותן מערכות אולטרה-מולקולריות שבהן מטבוליזם משולב עם היכולת להתרבות עצמית.

בשלב זה, תהליכים אבולוציוניים הובילו להיווצרות סוג חדש של מערכת יחסים הנחוצה להמשך התפתחות ורבייה. כדי להבין את המשמעות של קשר מסוג זה בטבע, יש צורך להציג שני מושגי יסוד – מידע והוראה: הוראה "ממי" ומידע "למי". יש צורך לומר כמה מילים על מידע.

תורת המידע המודרנית מחשיבה את בעיית עיבוד המידע, ולא את "הפקתו". מידע חייב להיות מועבר בצורה מוגדרת בהחלט. ניתן לכתוב אותו בקוד מתאים וכאשר משודר דרך הערוצים הוא מלווה ברעש, שיש לסנן אותו במכשיר הקולט. התיאוריה המודרנית של המידע, המבוססת על נתוני פליאונטולוגיה, גיאולוגיה, פיזיקה, מאמינה שהעלייה במורכבות המבנית ועושר המידע היא המאפיין החשוב ביותר של התקדמות אבולוציונית.

"ממי" ו"למי"? שתי שאלות אלו נוגעות לאינטראקציה של חומצות גרעין וחלבונים כמרכיבים חיוניים לחיים. בספרו על אבולוציה כימית, מ. קלווין מציין שהקבוצה הקיימת כיום של רכיבי חלבון נקבעה מראש ממש בתחילת האבולוציה על ידי הסט הראשוני של חומצות אמינו. קבוצה זו של חומצות אמינו בחלבון נקבעת על ידי רצף מסוים במבנה של חומצות גרעין. חומצות גרעין וחלבונים מבצעים שלוש פונקציות חשובות ביותר: רבייה עצמית, שימור מידע תורשתי והעברת מידע זה בתהליך הופעת תאים חדשים. לפיכך, חומצות גרעין וחלבונים מתקשרים באופן הדוק בהתרבות. מה בא קודם: חומצת גרעין או חלבון? אפשרות חדשהשאלה ישנה של תרנגולת וביצה.

שאלה זו נתפסת כמחסום בפני הניסיון להסביר את מקור החיים. חומצה דאוקסיריבונוקלאית (DNA), יחד עם חומצה ריבונוקלאית (RNA), אחראית לסינתזת חלבון. זכור את אחת ההוראות המרכזיות של הביולוגיה המולקולרית: חלבון DNA RNA. מעמדה זו, המתארת ​​את התהליך הכימי של סינתזת חלבונים, כמה חוקרים מסיקים ש"פרה-DNA היה כנראה האורגניזם הראשון על פני כדור הארץ". אבל ה-DNA חסר אונים ללא חלבון, וזו הסיבה שהשערת הפרה-DNA אינה ברת קיימא. "תחילת החיים כמולקולת DNA בודדת על חוף האוקיינוס ​​הקדמון", כותב ברנאל, "היא אפילו פחות סבירה מאשר בדמותם של אדם וחוה בגן עדן."

בהבנת שאלת מקור החיים, ניתן להחליף את המושגים "חומצת גרעין" ו"חלבון" במושגים של "מידע המכיל הוראות" ו"פונקציה". ואז השאלה "מה בא קודם?" הופך לאבסורד, שכן לא ניתן לבצע פונקציה מסוימת אם אין מידע. ו"מידע" מקבל משמעות רק דרך הפונקציה שהוא מקודד. לכן, בטבע החי, הברירה הטבעית מכוונת בסופו של דבר לשימור פונקציה שימושית לאורגניזם.

"מערכת כזו (מידע - פונקציה), - כותב M. Eigen, - ניתן להשוות עם קשר סגור. אמנם ברור שהחוט שממנו נוצר הקשר חייב להתחיל איפשהו, אבל נקודת ההתחלה מאבדת את משמעותה, שכן הקשר סגור. היחסים בין חומצות גרעין וחלבונים תואמים היררכיה מורכבת של "קשר סגור".

בתהליך ההתפתחות של פרוביונטים נולדה היכולת להעביר מידע. הוא סיפק יתרונות עצומים לנשאיו - קומפלקסים מקרו-מולקולריים מורכבים. בעתיד, יכולת זו מובילה להיווצרות של רווית מידע עצומה של תא חי, אשר מובטחת על ידי מנגנונים עדינים שנוצרו בתהליך האבולוציה. במקרה זה, רישום המידע מתרחש ברמה האטומית. בחלל קטן במיוחד (לדוגמה, קוטר זרע הוא כ-0.1 מ"מ), ניתן לתעד כמות עצומה של מידע. מידע זה כולל את הפרטים הקטנים ביותר, אפילו כאלה, לפי ג'יי ווטסון, כ"היכולת הטבועה שלנו לבדר אחרים".

התכונות העיקריות שנרכשו כתוצאה מכל אורגניזם כתוצאה מאבולוציה קודמת ארוכה מתועדות בתוכנית התורשתית שלו. זה זמן רב ידוע שעיקר המידע הגנטי מצוי בגופים דקים דמויי חוט - כרומוזומים הנמצאים בתוך התא. בשנות החמישים נקבע שהחלק החשוב ביותר של הכרומוזומים מורכב מ-DNA. ככל הנראה, החומר הגנטי של כל האורגניזמים החיים הוא DNA, למעט כמה וירוסים, המכילים את ה-RNA המקורי. לא ידוע על מקרים שבהם מולקולות אחרות מלבד חומצות גרעין שימשו כחומר גנטי.

מחקרי עקיפה בקרני רנטגן על ידי M. Wilkins, ובמיוחד עבודתם של ג'יי ווטסון ו-F. Crick, חשפו את מבנה ה-DNA. זוהי שרשרת ארוכה של רצפים חוזרים: סוכר-פוספט-סוכר-פוספט-סוכר-פוספט... וכן הלאה. לכל סוכר (הנקרא גם דאוקסיריבוז) צמודה אליו קבוצה מחזורית מישורית של תרכובת המכילה חנקן הנקראת בסיס חנקן. אלו הם פורינים, בעלי טבעת פחמן-חנקן כפולה, ופירמידינים, בעלי טבעת אחת כזו. הנפוצים ביותר הם פורינים - אדנין (A) וגואנין (G) - ופירמידינים - תימין (T) ואורציל (U). מידע גנטי מועבר על ידי החלפת ארבעת הבסיסים הללו ברצף מסוים. כתוצאה מכך, כל המידע התורשתי כתוב בשפה המכילה ארבע אותיות בלבד. האם השפה הזו דלה? אם אתה מסתכל על העולם, מלאת מגוון ויופי, אתה יכול לוודא שזה לא מפריע למגוון החיים, אלא מספק יציבות. על מנת שהקוד "נקרא" בקלות ובמהירות על ידי התא ללא עלויות אנרגיה גבוהות, עליו להתבסס על מספר קטן של אותיות. בתהליך האבולוציה נוצר קוד גנטי כזה. למרות "צניעותו", הוא נושא מידע רב.

כל מולקולת ה-DNA מעוותת בצורה של סליל כפול. שתי השרשראות של הסליל מחוברות בקשרי מימן, ויוצרות את החצאים המשלימים (נוספים) כביכול, אותם ניתן להשוות לשילוב השלילי והחיובי. זה מאפשר לגנים, כאשר הם משוכפלים, ליצור עותקים שליליים נוספים, שצורתם קשורה ל"חיובי" המקורי כמו מפתח למנעול. ה"שלילי" הנוסף הזה משמש כמטריצה ​​(תבנית) ביצירת עותקים חיוביים חדשים. כך נוצרים שני זוגות של שרשראות זהות במקום שבו הייתה קודם לכן רק אחת. נראה כי תהליך העתקה זה אופייני לכל אורגניזם.

ביישום מגוון של תגובות כימיות בחומר חי, בנוסף לחומצות גרעין, אחר קבוצה גדולהמולקולות הן חלבונים.

חלבונים מורכבים מ-20 סוגים של חומצות אמינו, המחוברות זו לזו בשרשרת הפוליפפטידית.

היכולת של חלבונים להיווצר מבנים מורכביםמאפשר להם לספק ויסות עדין של תגובות ביוכימיות. יש להם גיוון תפקודי אדיר ויכולת זיהוי עצומה.

שקול כמה מההוראות הבסיסיות של הקוד הגנטי. האם ארבעה יסודות (ארבעה בסיסי DNA) יכולים לשלוט ברצף של 20 חומצות אמינו בחלבון? תוצאות מחקר מראות שכל חומצת אמינו נכתבת (מקודדת) על ידי שילוב של שלושה בסיסים, מה שנקרא קוד טריפלקס. כך, למשל, פנילאלנין מקודד על ידי המשולש UUU - רצף של שלושה אורצילים. ה-DNA עצמו, שהוא הליבה של הקוד, משתתף בסינתזת חלבונים לא ישירות, אלא בעקיפין באמצעות שני סוגים של RNA: מטריקס או מידע (mRNA) ותחבורה (tRNA). הם מסוגלים לבנות לא רק שילובים אקראיים של חומצות אמינו, אלא פולימרים חלבוניים מסודרים. אולי הריבוזומים הראשוניים כללו רק RNA. ריבוזומים נטולי חלבון כאלה יכולים לסנתז פפטידים מסודרים בהשתתפות מולקולות tRNA שנקשרות ל-mRNA באמצעות זיווג בסיסים. מולקולה-

la RNA משחזר את הקוד הגנטי שנרשם ב-DNA ומעביר את הרשומה לריבוזומים הנמצאים בציטופלזמה. מדובר בחלקיקים תוך תאיים תת-מיקרוסקופיים בהם "מרכיבים" חלבונים מחומצות אמינו. הקוד הגנטי זהה לכל היצורים החיים.

ההנחה היא שבתחילה הקוד היה פרימיטיבי יותר, אך הוא השתפר בתהליך האבולוציה באמצעות ברירה טבעית, כלומר לפי חוקים ביולוגיים. לכן, האוניברסליות של הקוד מוסברת לא בעובדה שקוד אחר לא יכול להתקיים מסיבות כימיות, אלא בעובדה שכל שינוי בו יהיה קטלני. ידוע שמידע גנטי נרשם ברמה האטומית וכל "טעות" אפילו באטומים ספורים עלולה להוביל לתוצאות הרות אסון. הסליל הכפול האלגנטי של מולקולת ה-DNA הוא דק במיוחד (10 אטומים לרוחב), אבל החיים תלויים בו.

עם היווצרותן של מערכות אולטרה-מולקולריות מורכבות (חומצות גרעין, חלבונים, כולל אנזימים) ומנגנון הרבייה הזהה (הקוד הגנטי), מאיר שחר החיים על פני כדור הארץ. בתחילת השלב הבא, שלא ניתן לתחום במדויק, נוצרים ממברנות-אברונים ביולוגיות שאחראים על צורת התא, מבנהו ופעילותו. ממברנות ביולוגיותבנויים מאגרגטים של חלבונים ושומנים המסוגלים להפריד חומר אורגני מהסביבה ולשמש כקליפה מולקולרית מגינה. ההנחה היא שיצירת ממברנות יכולה להתחיל אפילו בתהליך היווצרות קואצרבטים. אבל בשביל המעבר מקואצרבטים לחומר חי אמיתי, לא היה צורך רק בממברנות, אלא גם בזרזים לתהליכים כימיים - אנזימים (אנזימים). הבחירה הפרה-ביולוגית של coacervates הגדילה את הצטברות של פולימרים דמויי חלבון האחראים להאצת התגובות הכימיות. תוצאות הבחירה נרשמו במבנה של חומצות גרעין. המערכת של רצפי נוקלאוטידים שעובדים בהצלחה (במשמעות) ב-DNA שופרה דווקא באמצעות סלקציה. הופעתו של הארגון העצמי הייתה תלויה הן בתנאים המוקדמים הקוסמיים (כימיים) והן בתנאים הספציפיים של סביבת כדור הארץ. ארגון עצמי התעורר כתגובה לתנאים מסוימים.

השלב הפרה-ביולוגי הוא כימי וניתן לתאר אותו לפי העקרונות מכניקה קוואנטית. הוא מאופיין בהתפתחות שונה (רב כיוונית). במקביל, אופציות רבות ושונות לא מוצלחות "הסוננו", עד שהמאפיינים המבניים העיקריים של חומצות גרעין וחלבונים קיבלו "הערכה" מצוינת של הברירה הטבעית. אולי היו אפשרויות אחרות, שביישום שלהן החיים היו רוכשים תכונות אחרות.

הקוד הגנטי נוצר, כנראה, ביום צעד אחרוןאבולוציה של מערכות אורגניות מבודדות פאזה (פרוביונטים). מערכות אלו רכשו את היכולת לשפר את הארגון שלהן באמצעות פרה-ביולוגי

הבחירה של המערכות עצמן, ולא רק מולקולות בודדות. זו כבר הייתה הרמה הבאה של אבולוציה ביוכימית, שהבטיחה הן את הקביעות של המבנה המרחבי והדינמי של מערכות אולטרה-מולקולריות והן את הגידול ביכולות המידע שלהן. ככל הנראה, במקביל, הונחה תחילת ההתמחות של שני סוגי חומצות גרעין - DNA ו-RNA. DNA התגלה כ"מתכנת ומפקח" הראשי של רבייה עצמית מולקולרית. RNA לקח על עצמו את התפקיד של "מודיע" ונשא של התוכנית הגנטית. מספר מדענים מאמינים כי הצורות הראשונות של חומצות גרעין היו מיוצגות על ידי פולימרים דמויי RNA, אשר שילבו את היכולת גם לצבור מידע גנטי וגם להעביר אותו ולהשתתף בסינתזת חלבונים. חלוקת הפונקציות בין שני סוגי חומצות הגרעין פתחה אופקים חדשים לאבולוציה. "בתהליך האבולוציה של פרוביונטים", כותב אופרין, "נוסו ונדחו לא פחות, ואולי הרבה יותר אפשרויות ארגון מאשר, למשל, צעדים בין סנפירי כריש ליד אדם".

לאחר היווצרות הקוד הגנטי, האבולוציה הופכת לנושא עם וריאציות. ככל שהוא מתקדם יותר בזמן, כך הווריאציות רבות ומורכבות יותר. עם זאת, האבולוציה עדיין בתחילתה. 1-1.2 מיליארד שנים חלפו מאז היווצרות כדור הארץ. פרוביונטים ללא ספק התפתחו בסביבה אנאירובית. הם השתמשו בתרכובות אורגניות מוכנות שסונתזו במהלך האבולוציה הכימית לצמיחתן, כלומר, הן היו הטרוטרופיות. פרוביונטים נזקקו למגוון תרכובות כימיות- נוקלאוטידים, חומצות אמינו וכו'. אם פרוביונטים היו מוסרים את עצמם לצריכה מבלי לייצר דבר, אז החומר האורגני היה מותש במהירות. גם פרוביונטים דיבוקים נכה(רמה נמוכה של מידע גנטי) על מנת להתמודד בקלות עם מכשולים מתעוררים בתנאים שבהם הם הבטיחו את קיומם על ידי דיפוזיה. אי אפשר לדמיין שהחיים בשלב מוקדם זה היו קיימים בצורת מין יחיד של אורגניזמים: הם היו ממצים במהירות את "המרק הקדמון" שלו. כפי שהראה האבולוציה שלאחר מכן, הפרוביונטים בחרו בדרך עם סיכויים אופטימיים. בשלב הראשון, הייתה נטייה לרכוש מגוון רחב של תכונות, קודם כל, להופעתה של היכולת לסנתז חומרים אורגניים מתרכובות אנאורגניות באמצעות אוֹר שֶׁמֶשׁ, כלומר, להופעתה של תזונה אוטוטרופית. אפשרויות רבות "נוסו" לפני שהגיעו לתוצאה חשובה מאוד - הופעת אברונים. אלה כוללים: מיטוכונדריה האחראית על חילוף החומרים של התא; כלורופלסטים המבצעים פוטוסינתזה; ריבוזומים - המקום בו מתרחש תהליך סינתזת החלבון לפי הוראות ה-DNA; כרומטין והאנלוג המאוחר שלו לכרומוזום, האחראים על העברה מדויקת של תכונות תורשתיות. ג'יי ברנל מודה באופן הגיוני שלפני בידוד התאים, האברונים עברו את שלב החיים העצמאיים.

בשלב מסוים, האלדן הציע כי בקטריופאג'ים ווירוסים אחרים הם, ככל הנראה, הקשר בין קדם-חיים (פרוביונטים) לחיים. אבל נגיף אינו אורגניזם, אין לו חילוף חומרים משלו והוא יכול להתרבות רק כאשר הוא חודר לתא. ברור שמדובר בצורות מנוונות (פישוט משני), אשר מבחינות רבות דומות ל

האורגניזמים החופשיים הפרימיטיביים ביותר הם מה שנקרא מיקופלזמה. יש להם אלמנטים שנמצאים בתאים, אבל בצורה פשוטה ביותר. זה עשוי להצביע על פרימיטיביות, אבל יכול להיות גם בגלל ניוון משני הקשור ל

ב-1977, הביוכימאי האמריקני סי ווס הכריז בהרחבה על תוצאות אחד ממחקריו, עליו הכריז כגילוי צורת החיים הראשונה. במעיינות החמים (65-70C) של פארק ילוסטון, הוא מצא מיקרואורגניזמים שסופגים פחמן דו חמצני ומימן ומשחררים מתאן. מכיוון ששתי צורות חיים עיקריות ידועות כיום - צמחים ובעלי חיים, הוכרזו אורגניזמים המייצרים מתאן כצורתו השלישית. אבל בעצם, האם זו צורת החיים השלישית או הראשונה, שהולידה אחר כך אחרים.

כיום מקובל בדרך כלל שלפרוביונטים היו תכונות של ה"חיידקים" המייצרים מתאן ילוסטון וחיו ללא חמצן, באמצעות תסיסה. אין עוררין על התגלית של Vause לגבי התפתחותם של מיקרואורגניזמים המייצרים מתאן. אבל לא ידוע אם הם נציגים של האורגניזמים הראשונים או שהם תוצאה של הסתגלות משנית וניוון של חיידקים.

מומחים רבים קיבלו בספקנות את המסר של ק. ווז, לא בגלל חוסר האמון המסורתי של התחושה, אלא בגלל רבים מודרניים חיידקים אנאירובייםשחיים על ידי סוגים שונים של תסיסה, פוטוסינתזה או תהליכים כימיים. ק' גרובשטיין, ביולוג וביוכימאי אמריקאי, מצטט דוגמאות אופייניותהתאמה של חיידקים לפתרונות חמים (עד 80C) על ידי "קולוניזציה" עוקבת על ידי דורות שונים של אזורי טמפרטורה בודדים, הנעים בין 30 ל-80C.

סיכום.

ברור שהחיים האמיתיים מתחילים בהופעת התא. ממברנות ביולוגיות עוזרות לאחד אברונים בודדים (אברוני ממברנה ואברוני חלקיקים) למכלול אחד. נוצר הבסיס האמיתי של החיים, אשר מסמן קפיצת מדרגה באבולוציה. ברור שהתאים הראשונים הם פרימיטיביים, אין להם גרעין (פרוקריוטים). חיידקים וכמה מיקרואורגניזמים אחרים הם כיום כאלה. הם הופיעו לפני כ-3.2-3.5 מיליארד שנים. אז החלה התפתחות תא עם גרעין (אאוקריוטים) המכיל כרומוזומים - אברונים שאוגרים בעזרת ה-DNA ומעבירים את התכונות התורשתיות של התא.

התאים הראשונים היו אב הטיפוס של כל האורגניזמים החיים: צמחים, בעלי חיים, חיידקים. מאוחר יותר, בתהליך האבולוציה, בהשפעת חוקי הברירה הטבעית הדרוויניים, התאים משתפרים, לאחר הפרוקריוטים והאוקריוטים, מופרדת קטגוריה שלישית - תאים מיוחדים של רב-תאיים גבוהים יותר, צמחים ובעלי חיים - מטפיטים ומטזואה.

תהליכים מורכבים של אבולוציה כימית, שהופכת לביוכימית ו אבולוציה ביולוגית, ניתן לבטא בצורה של סכמה פשוטה: אטומים, מולקולות פשוטות, מקרומולקולות מורכבות ומערכות אולטרה-מולקולריות (פרוביונטים), אורגניזמים חד-תאיים.

הצעד הראשון נעשה. זה היה הכי קשה. בשלב האבולוציה הפרה-ביולוגית, "נוסו" אפשרויות רבות להמשך הפיתוח של תרכובות הפחמן הראשוניות. אפשר לדמיין את ההתחלה כשזירה מורכבת של נתיבים שונים שמתפצלים בהדרגה, והחיים בוחרים בדרך אחת. אחרים נשארים דרכים לשום מקום.

רשימת ספרות משומשת.

1. Goldsmith D., Owen T. "The search for life in the Universe", M., 1983

2. קלווין מ' "אבולוציה כימית", מ', מיר, 1971

3. ניקולוב ט "דרך חיים ארוכה", מ', מיר, 1986

4. Ponnamperuma S. "מקור החיים", מ', מיר, 1977

5. Fox S., Doze K. "אבולוציה מולקולרית והופעת החיים", M., Mir, 1975

6. הורוביץ נ' "החיפוש אחר חיים במערכת השמש", מ', מיר, 1988

7. שקלובסקי I. S. "היקום. חַיִים. Mind", M., Nauka, 1987

8. יוגאיי ג.א. " תיאוריה כלליתהחיים", מ', מחשבה, 1985

דרכי האבולוציה העיקריות של צמחים, בעלי חיים ובני אדם.

מקור החיים על פני כדור הארץ.

בעיית מקור החיים היא אחת השאלות המעניינות ובו בזמן הפחות נלמדות. תעלומת התעלומות הזו טרם נפתרה, ואין זה סביר שאי פעם ניתן יהיה לומר בוודאות מוחלטת שהחיים התעוררו כך ולא אחרת. השיפוט שלנו תמיד יאופיין בהוכחה לא מלאה, חלק גדול של הנחות ואימות חלש של הנתונים שהושגו. ישנן השערות ושיפוטים רבים לגבי מקור החיים עלי אדמות. בואו נבחן את העיקריים שבהם.

תורת הבריאה- החיים נוצרו על ידי הבורא בזמן מסוים. על פי הבריאתנות (מלט. קריאציו– יצירה) הופעת החיים מתייחסת לאירוע מסוים בעבר שניתן לחישוב. אז, בשנת 1650 הארכיבישוף אשרמאירלנד חישב שאלוהים ברא את העולם באוקטובר 4004 לפני הספירה, ובשעה 9 בבוקר ב-23 באוקטובר והאדם. הוא השיג את המספרים הללו מניתוח הגילאים והקשרים המשפחתיים של כל האנשים המוזכרים במקרא. עם זאת, באותו זמן, הציוויליזציה כבר התפתחה במזרח התיכון, מה שמוכח בחפירות ארכיאולוגיות. אולם שאלת בריאת העולם והאדם אינה סגורה, שכן ניתן לפרש את הטקסטים של המקרא בדרכים שונות.

תיאוריית המקור הספונטני של החייםהתקיים בבבל, במצרים ובסין כחלופה לבריאתנות. במשך מאות שנים, אנשים האמינו בדור הספונטני של החיים, בהתחשב בכך בדרך הרגילההופעתן של יצורים חיים מחומר דומם. לדוגמה, אריסטו כתב שצפרדעים וחרקים מתרבים באדמה החיה. אנקסימנדר האמין שהחיים מקורם בסחופת ים. הלמונטהמציא מתכון להשגת עכברים מחיטה וכביסה מלוכלכת. עם התפשטות הנצרות, הוכרזו רעיונות הדור הספונטני ככפירה, ובמשך זמן רב הם לא נזכרו.

בשנת 1688, הביולוג והרופא הפלורנטיני פרנצ'סקו רדי קבע שהתולעים הלבנות הקטנות המופיעות על בשר נרקב הן זחלי זבובים. הוא ערך ניסוי שהנחית את המכה המוחשית הראשונה לתיאוריית היצירה הספונטנית של חיים. redi ממוקם נחשים מתיםבצנצנות זכוכית. חלק נותר פתוח, וחלק מכוסה מוסלין. עד מהרה הופיעו זחלי זבובים בצנצנות פתוחות, אך לא בצנצנות סגורות. הוא גם ניסח את העיקרון: Omne vivum e vivo (הכל חי מחיים).התיאוריה של ביוגנזה מציבה בעיה. "אם אורגניזם חי אחר נחוץ להופעתו של אורגניזם חי, אז מאיפה הגיע האורגניזם החי הראשון?"

הוכחה נוספת לחוסר העקביות של תיאוריית היצירה הספונטנית של חיים הייתה הניסויים לואיס פסטר(1860) הוא הראה שחיידקים יכולים להיות בכל מקום ויכולים להדביק חומר דומם. כדי להיפטר מהם, יש צורך בסטריליזציה (פסטור).

תורת הפנספרמיה(האפשרות להעביר חיים ביקום מגוף קוסמי אחד לאחר) אינה מספקת שום מנגנון להופעתם הראשונית של החיים ומעבירה את הבעיה למקום אחר ביקום. השבדי א.ארניוס האמין שניתן היה לזרוק את "זרעי החיים" לכדור הארץ מכוכבי לכת אחרים. הם יכולים לנוע עם מטאוריטים או על חלקיקי אבק קוסמיים, אבל קשה להסביר כיצד מיקרואורגניזמים יכולים לשרוד מסעות כה ארוכים מבלי להיות מוגנים מקרינה אולטרה סגולה. ושוב, איך החיים מקורם באחר גוף החללשמהם "יגרו" המחלוקות הללו?

בסוף שנות ה-60 התחדשה הפופולריות של תיאוריה זו. זאת בשל העובדה שבחקר המטאוריטים והשביטים התגלו "מבשרי חיים" רבים - תרכובות אורגניות, חומצה הידרוציאנית, מים, פורמלדהיד, ציאנוגנים. בשנת 1975 נמצאו מבשרי חומצות אמינו באדמת הירח ובמטאוריטים. תומכי הפנספרמיה רואים בהם "זרעים שנזרעו על פני כדור הארץ".

התיאוריה של A.I. אופרינה.בשנת 1924, מדען סובייטי א.י. אופריןפרסם עבודות שבהן הציג רעיונות כיצד יכלו להתעורר חיים על פני כדור הארץ ("מאלמנטים שונים לתרכובות אורגניות" ו"מחומר אורגני ליצור חי"). הוא האמין שניתן ליצור חומרים אורגניים (פחמימנים) באוקיינוס ​​מתרכובות פשוטות יותר. האנרגיה לתגובות היתוך אלה הגיעה כנראה מעוצמה קרינה סולארית(אולטרה סגול), שנפל לכדור הארץ לפני שנוצרה שכבת האוזון, שהחלה אז ללכוד את רובה. לפי אופרין, (1) מגוון התרכובות הפשוטות המצויות באוקיינוס, (2) שטח הפנים של כדור הארץ, (3) זמינות האנרגיה ו- (4) סולמות זמן מצביעים על כך שחומר אורגני הצטבר בהדרגה ב האוקיינוס ​​ונוצר "מרק קדמון" - פתרון coacervateהיכן יכלו להיווצר חיים.

רגע המעבר מהדומם לחיים הוא מכריע מבחינה מתודולוגית ופילוסופית. לטענת אופרין, חיים מתעוררים ברמת מבנים רב-ממדיים - משתפים ב"רגע נפילת הג'ל או היווצרות הג'לי המקורי". עם כמה הסתייגויות, פיסת ריר אורגנית זו, שהופיעה בפעם הראשונה, יכולה להיחשב לאורגניזם העיקרי. זו תמצית התיאוריה של אופרין.

מחשבות דומות הובעו ב-1928 על ידי הביולוג האנגלי J. Haldane(לפני תרגום יצירותיו של אופרין ל שפה אנגלית). הוא האמין כי האטמוספירה של כדור הארץ עשירה בפחמן דו חמצני עוד לפני הופעת החיים. כאחד מ גורמים קריטייםלהופעתם של החיים, הוא שקל את הקרינה האולטרה סגולה של השמש. בהשפעת סוג זה של אנרגיה נוצרו מגוון תרכובות אורגניות באטמוספירה הראשונית של כדור הארץ. אלה יכולים לכלול סוכרים וכמה מחומצות האמינו הדרושות לבניית חלבון. לפי Haldane, היצורים החיים הראשונים היו כנראה מולקולות ענקיות.

בשנת 1953 סטנלי מילריצר מכשיר שבעזרתו ניתן היה לשחזר בזעיר אנפין את התנאים שהיו על כדור הארץ הפרימיטיבי, כולל האוקיינוס ​​והאטמוספירה הראשונית שלו. האטמוספרה בדגם הייתה תערובת של מימן גזי, אמוניה ומתאן. אלקטרודות הותקנו בתא לקליטת מטענים חשמליים המחקים ברק - מקור אפשריאנרגיה לתגובות כימיות על כדור הארץ הפרימיטיבי. לקח רק שבוע עד שתרכובות אורגניות שונות נמצאו במערך הניסוי. עניין במיוחד היה העובדה שבתערובת זו נמצאו מבשרים של כמה חומצות אמינו. לכן, הניסוי של מילר הוכיח כי חומרים אורגניים יכולים להיווצר על כדור הארץ הפרימיטיבי ללא השתתפותם של אורגניזמים חיים. בהיעדר חמצן להשמדתם, וחיידקים ופטריות כדי להשתמש בהם כמזון, החומרים הללו אכן הצטברו באוקיינוס ​​הקדמון עד לעקביות של מרק.

סידני פוקסביצעו גם ניסויים מעניינים. הוא חימם תערובת יבשה של חומצות אמינו והשיג שרשראות של חומצות אמינו, שקיבלו שמות חלבונים(כלומר חומרים דמויי חלבון). סוגים שונים של פולימרים מעורבבים במים יכולים לשלב וליצור מבנים גדולים יותר. בכדור הארץ הפרימיטיבי, היווצרות תרכובות כאלה עלולה להתרחש בשלוליות שנותרו לאחר השפל, כאשר מים מתאדים בהן בימי שמש חמים. חלק מהפרוטאינואידים מסוגלים לזרז תגובות כימיות מסוימות. אולי יכולת זו הייתה התכונה העיקרית שקבעה את התפתחותם שלאחר מכן עד להופעת אנזימים אמיתיים.

התיאוריה של אופריןקיבל הכרה בכל העולם, אבל עדיין לא ברור איך לעבור מחומרים אורגניים מורכבים לאורגניזמים חיים פשוטים. עד כה אין דעה אחת בסוגיה זו. רוב הדעות מסתכמות בזיהוי תהליך זה כאקראי - כלומר. כתוצאה מהאינטראקציה של החומרים הפשוטים ביותר, נוצרה לפתע מולקולה המסוגלת להתרבות. הגנטיקאי האמריקאי הידוע, חתן פרס פרס נובל 1937 הרמן מלר. לדברי מלר, החיים התעוררו בצורה של גן - יחידת התורשה היסודית - על ידי שילוב אקראי של קבוצות אטומיות ומולקולות שנמצאו במי האוקיינוס ​​הקדמון. עם זאת, בשנת 1966 ביוכימאי גרמני שרםחישב את ההסתברות לשילוב אקראי של 6000 נוקלאוטידים שיוצרים את ה-RNA של נגיף פסיפס הטבק וקיבל מספר פנטסטי - 1/10 2000. משמעות הדבר היא שכמעט בלתי אפשרי להשיג מולקולה כזו ביקום. לכן, השערת הקשר האקראי אינה נהנית מהכרה. אסטרונום מפורסם פרד הוילהגיב על כך כדלקמן: "הרעיון הזה מגוחך ובלתי סביר כמו הקביעה שסופת הוריקן ששטפה מעל מזבלה עלולה להוביל להרכבה של בואינג 747".