נושא: "השערות למקור החיים"
תן למוח שלי להיות פתוח לספק
מאשר מוגבל על ידי הרשעה.
ד ספנס
יַעַד:ללמוד את ההיבטים העיקריים של התיאוריה המודרנית של מקור החיים על פני כדור הארץ - ההשערות של A.I. Oparin-J. Haldane.
משימות:
ליצור מערכת ידע בקרב התלמידים על התנאים והשלבים של הופעת החיים על פני כדור הארץ במהלך ביו אבולוציה כימית.
לשפר את יכולתם של תלמידי בית הספר להשוות ולנתח השערות שונות, לקבוע אותן בצורה נכונה בהתאם למאפיינים המהותיים שלהן.
לעורר עניין ויחס חיובי של התלמידים למדע הביולוגיה ולחיפוש אחר תיאוריה מקיפה על בעיית מקור החיים על פני כדור הארץ.
שכנע את התלמידים בייחודיות החיים כדרך הוויה.
שלב התמצאות-מוטיבציה:
שלב עדכון הידע.
בואו ננסה לנסח את המושג "חיים" מנקודת מבט של הביולוגיה. לאחר מכן, על כל שולחן, מופצים ומנתחים גיליונות עם הגדרת החיים על ידי הוגים מתקופות שונות.
החיים הם
"תזונה, צמיחה וירידה" (אריסטו)
"אחידות מתמשכת של תהליכים עם הבדל השפעות חיצוניות" (G. Treviranus)
"קבוצה של פונקציות שמתנגדות למוות" (מר בישה)
“פונקציה כימית" (א. לבואזיה)
"תהליך כימי מורכב" (I.P. Pavlov)
"צורה מיוחדת, מורכבת מאוד של תנועה של חומר" (A.I. Oparin)
"אופן הקיום של גופי חלבון, שהתכונה העיקרית שלהם היא חילוף החומרים" (פ. אנגלס)
מוֹרֶה: היום בשיעור אני מציע לך להכיר את ההשערות הבסיסיות של מקור החיים על פני כדור הארץ.
לימוד חומר חדש:
משימה: בהתבסס על ניתוח הטקסט, לחשוף את ההבדלים בגישות מעמדות דתיות ומדעיות.
2. סקר פרונטלי:
משימה: 1. מהם הרעיונות העיקריים המסבירים את מקור החיים על פני כדור הארץ?
תשובה : מטפיזי (החיים נוצרו על ידי אלוהים).
תורת הפנספרמיה (חיים שהובאו מהחלל).
תורת הדור הספונטני.
השערה ביוכימית של A.I. אופרינה.
השערת הנצח הגיאולוגי של החיים
מילוי התוכנית ( במהלך השיחה)
2. כל מגוון ההשערות מצטמצם לשתי נקודות מבט סותרות זו את זו. מה? תן להם שם. ( תשובה: ביוגנזה היא "חיים מהחיים". אביוגנזה - "חיים מאי-חיים".)
3. כמה זמן היו קיימים רעיונות על יצירה ספונטנית של אורגניזמים. מה הכשרון של פרנצ'סקו רדי בעניין זה? תשובה: הייצוגים נמשכו עד המאה ה-19. אבל במאות ה-17 וה-18 ניסו מדענים, בעזרת ניסויים, להוכיח את חוסר האפשרות ליצור חיים ספונטני. במאה ה-17, פרנצ'סקו רדי עשה ניסויים: (איור מס' 1.)
בשר נא בסיר סגור.
בשר נא נפתח בארבעה כלים, מכוסה מוסלין בארבעה. Kisei (הדגשה על האות "אני") הוא בד כותנה שקוף בהיר. תוצאה: זחלי זבובי עופות הופיעו בכלים פתוחים, אך יצירה ספונטנית לא התרחשה בכלים סגורים.
תשובה: הפרס הוקם על ניסיון לשפוך אור על שאלת מקור החיים על פני כדור הארץ בדרך חדשה. הפרס הוענק בשנת 1862 ללואי פסטר. הניסוי של פסטר: בכלי עם צוואר בצורת S, אוחסן המרק במשך זמן רבונשאר סטרילי, שכן המיקרואורגניזמים התיישבו על דפנות הצינור המעוקל ולא נכנסו למרק. עם זאת, ברגע שהעיקול של הצינור נשטף במרק, החלה ריקבון שנגרם על ידי מיקרואורגניזמים. ל. פסטר הוכיח את חוסר האפשרות ליצור חיים ספונטני.
תשובה: בשנות ה-20 של המאה העשרים. המדען הרוסי A.I. Oparin והאנגלי J. Haldane העלו השערה לגבי מקור החיים בתהליך האבולוציה הביוכימית של תרכובות פחמן, שהיוו את הבסיס רעיונות עכשוויים. השערה זו זכתה לתומכים רבים, כי. קיבל אישור ניסיוני. סטנלי מילר דימה את התנאים שהתקיימו כביכול באטמוספירה הראשונית של כדור הארץ והשיג חומצות אמינו במתקן שיצר וכו'.
התקנה של ש. מילר
כדור הארץ בזמן הולדת החיים.
מוֹרֶה:תגובתו של מילר מעידה רק עקרון אפשריארגון החיים מהלא חיים. "כימיה של החיים" רק במבט ראשון הוא מונוטוני.
שלב ההטמעה הראשונית של הידע.
סיכום שיעור(הערכה של עבודת התלמידים)
מוֹרֶה: שימו לב למילים שכתובות על הלוח?
"החיים הם ידע נצחי. קח את הצוות שלך ולך".
איך אתה מבין את המשמעות של הביטוי הזה?
סטוּדֶנט:כנראה בגלל שלכל אחד מאיתנו יש את הדרך שלו בחיים.
מוֹרֶה:כן. בְּהֶחלֵט! לכל אחד מכם יש את הדרך שלו בחיים. כולם יהיו שונים. ואולי אחד מכם יהפוך למדען - ביולוג ויפתור את הבעיה שניסינו לפתור בשיעור הזה. ברצוני לתת לך מילות פרידה ולהביע את עצמי במילותיה של אמא תרזה. אמא תרזה (Agnes Gonja Boyadzhiu, נולדה בסקופיה, יוגוסלביה המודרנית, שנות חיים 1910-1997) היא אישה שעוסקת ללא לאות בעבודות צדקה. הנזירה הקתולית, הידועה בכל העולם בשל עבודתה המיסיונרית, זכתה בפרס בשנת 1979 פרס נובל. השם הזה כבר הפך לשם דבר. אבל העולם זוכר אותה.
החיים הם הזדמנות, נצלו אותה
החיים הם יופי, תעריץ אותם
החיים הם חלום, תגשימו אותו
החיים הם משחק, שחק אותו".
שיעורי בית: לימוד § 89-90,לפתח ולהציג תוכנית של טרנספורמציות על הפלנטה במהלך המקור האביוגני של החיים.
ביולוגיה שיעור 11 שיעור
נושא: "השלבים העיקריים בהתפתחות החיים על פני כדור הארץ"
שאיפת אוויר יבש, מימי
מצא בית חדש על יבשה.
א' דרווין
יַעַד:ליצור רעיונות לגבי שלבי התפתחות החיים על פני כדור הארץ.
משימות: 1. הציגו השערות למקורם של האיקריוטים.
2. המשך לפתח מיומנויות דוגמנות, מיומנויות ניתוח מעגלים ודיון פעיל בבעיה.
3. לתרום להיווצרות תמונת עולם מדעית בתודעת התלמידים.
במהלך השיעורים:
בדיקת ידע.
שיחה על:
מדוע מדענים מחשיבים את ההשערה של מקור החיים האביוגני בתהליך האבולוציה הביוכימית כמקובלת ביותר? ( תשובה: אז היא נקודה מדעיתהראייה היא המפותחת ביותר)
מהי הבעיה הקשה ביותר בהשערת מקור החיים האביוגני? ( תשובה: ההשערה אינה עונה על השאלה - כיצד התרחשה הקפיצה האיכותית מדומם לחיים?)
מדוע מדענים מאמינים שהתגליות שהתגלו בחקר ה-RNA עשויות לספק רמז לפתרון בעיית מקור החיים? ( תשובה: לחלק מה-RNA יש פעילות קטליטית בולטת והם מסוגלים להתרבות עצמית בהיעדר אנזימים חלבוניים. זֶה. RNA עתיק היה יכול לשלב פונקציות קטליטיות ומידע-גנטיות, שסיפקו למערכת המקרו-מולקולרית את היכולת להתרבות עצמית. אם ההנחה הזו נכונה, אז ברור שהתפתחות נוספת הלכה בכיוון של RNA-חלבון-DNA).
לימוד חומר חדש.
שלב האבולוציה הכימית (תוכן השיעור האחרון);
שלב טרום אבולוציה ביולוגית;
שלב ביולוגי של האבולוציה.
מבוא למושג:ביופואזה היא המעבר מהדומם לחיים.
השערת הביופואזה נוסחה בשנת 1947 על ידי המדען האנגלי ג'ון ברנאל.
השלבים העיקריים של ביופואזה:(כתוב במחברת)
היווצרות ממברנות בקואצרבטים,
הופעתה של היכולת להתרבות עצמית,
התרחשות של חילוף חומרים
התרחשות של פוטוסינתזה
התרחשות של נשימה חמצן.
תרגיל:התלמידים עובדים בזוגות. המורה נותן רשימה של שאלות לכל שולחן. כל מיני-קבוצה עונה על שאלות. את התשובה יש למצוא בטקסט של ספר הלימוד.
כיצד נוצרות קרומי תאים בקואסרבטים? מה חיובי בזה? (על ידי הצבת מולקולות ליפידים על פני השטח של הקואסרבטים. זה הבטיח את יציבות צורתם)
מדוע התאפשרה היכולת להתרבות עצמית ב-coacervates? (עקב הכללת מולקולות חומצת גרעין ב-coacervates)
איזה סוג של מזון היה ליצורים הראשונים? למה? ( אופן התזונה הוא הטרוטרופי, שכן במימי האוקיינוס הראשוני היו הרבה מוכנים. חומר אורגני )
מה הייתה הסיבה להופעתם של אורגניזמים אוטוטרופיים? ( מספר האורגניזמים החיים גדל והתחרות גברה. חלק מהאורגניזמים פיתחו את היכולת לסנתז חומרים אורגניים מחומרים אנאורגניים. באמצעות אנרגיית השמש (פוטוסינתזה) או אנרגיה של תגובה כימית (כימוסינתזה), התעוררו אוטוטרופים)
מדוע האורגניזמים החיים הראשונים היו אנאירוביים? ( כנראה פנימה סביבה מימיתעדיין אין חמצן)
מדוע נוצרה הנשימה האירובית? ( נשימה אירובית התעוררה בגלל הופעת הפוטוסינתזה הובילה להצטברות חמצן באטמוספירה)
מדוע התאפשר לאורגניזמים להגיח מהמים אל היבשה? (בתחילה התפתחו חיים במימי האוקיינוס, שכן לקרינה האולטרה סגולה הייתה השפעה מזיקה עליהם. והופעת שכבת האוזון כתוצאה מהצטברות חמצן באטמוספרה יצרה את התנאים המוקדמים לנפילה).
להשלים את המשימה:(גליונות בודדים, אימות הדדי)
הופעתם במהלך האבולוציה:
א) פוטוסינתזה;
ב) פרוקריוטים;
ג) נשימה;
ד) כימוסינתזה;
ה) סינתזה אביוגנית של מונומרים;
ה) איקריוטים;
ז) היווצרות הממברנה החיצונית;
ח) רבייה עצמית של מולקולות;
i) תסיסה.
חקור השערות למקורם של איקריוטים. תן תשובה לשאלה:
למידה ראשונית.
עבודה קבוצתית. בעזרת הקובץ, דגמי תאים אוקריוטיים בשלבי היווצרות:
קבוצה 1 - על ידי היווצרות סימביוטית של תאים? (ראה איור 144 בעמוד 354 של ספר הלימוד).
קבוצה 2 - על ידי פלישה של קרום התא? (ראה איור 143 בעמוד 354 של ספר הלימוד)
יש דעה: המעבר מדומם לחיים הוא ביופואזה.החי אמנם לא משתמש בכל האלמנטים הקיימים, אבל עם אלו ש"נכנסים לפעולה" הוא יודע להיפטר ממנו בצורה ערמומית ביותר. הכושר הזה והקשר בין החיים למצע הלא-חי שלהם בולט. ככל הנראה, תחכום כזה נוצר ושופר במהלך מיליארדי שנים של אבולוציה כימית ואורגנית. הכימאי האנגלי Peary שיקף זאת באמצעות דיאגרמה חזותית, שבה התפתחות היצורים החיים מוצגת בצורה של שני קונוסים, הדומים שָׁעוֹן חוֹל. החרוט התחתון הוא טרום חיים עם המגוון הכימי של יסודות המשתתפים בסינתזה האנאורגנית של טרום חיים עם הפשטות המבנית שלו. חיים עליונים - מפותחים עם המגוון המורפולוגי שלהם וקבוצה קטנה של ביו תגובה כימית. למרות הפשטות של תכנית זו, היא משקפת את אחת היכולות העיקריות של דרכי היווצרות הביוספרה.
הבה נשים לב להבדל המהותי בין חיים ללא-חיים.הבדלים אלו קשורים לסימטריה. בשנת 1848 לואי פסטר גזר את חוק הטוהר הכירי: חומר חימורכב ממבנים טהורים מבחינה כיראלית. טוהר כיראל - הימצאות עצמים שאינם תואמים לתמונת המראה שלהם (כגון יד ימין ושמאל, ומכאן מקור המונח מיוונית - "הירוס" - יד). חלבונים חיים בנויים רק מחומצות אמינו "שמאליות" (מקטב אור לשמאל), חומצות גרעין בנויות אך ורק מסוכרים המקטבים את האור לימין. חומרים שמקורם לא ביוגני הם סימטריים כיראליים - מולקולות "שמאל וימין" בהם מחולקות באופן שווה. טוהר כיראל קובע את הספציפיות הייחודית של החיים, את אי-הפחתתו לדומם. סינתזה של חומרים כיראליים-טהורים במעבדה היא עדיין בעיה טכנולוגית בלתי פתורה.
איך יכולה להיות הפרדה בין חיים ללא חיים? הגישה האבולוציונית, עם קביעתה של שינוי חלק והדרגתי, אינה נותנת תשובה. סבירה יותר היא ההנחה של אופי עווית ("קטסטרופלי") של תהליך ייחודי זה, כאשר הנטייה לבסס סימטריית מראה בין "ימין לשמאל" הופרה בשלב הפרה-ביולוגי של האבולוציה הכימית - קמה חיים עם איכותו המיוחדת של טוהר כירלי. יחד עם זאת, כפי שהדבר מעיד על ידי הפריסה הגיאוגרפית הנרחבת של המקומות שבהם נמצאו "חיים ראשונים", אירוע כזה היה כל כך גלובלי, נמצא בכל מקום באופיו, עד שבמשך "זמן קפיצה" התברר שזהו " תופעה שכיחה כמו היווצרות טיפות גשם, פתיתי שלג, חלודה. אירוע בסדר גודל כזה התרחש כנראה בהשפעת גורם קוסמי. חישובים תיאורטיים הראו זאת זמן מינימוםמעבר כזה מהתפלגות אחידה (סימטריה כיראלית) וחיזוק עצמי (ארגון עצמי) להשגת טוהר כיראלי מוערך בין שנה ל-10-15 מיליון שנה, כלומר, לפי (שעונים גיאולוגיים), אפשר לקרוא לזה אינסטנט .
תקציר השיעור: לאיזו השערה של מקור החיים אתה נוטה? למה?
סיכום:המדע המודרני מוכיח בצורה משכנעת את האפשרות הבסיסית של סינתזה של מולקולות ביולוגיות בסיסיות בתנאים המתאימים לתחילת ההיסטוריה של כדור הארץ. עם זאת, הפיכת הדומם לחיים מחייבת שינוי קיצוני בתכונות החומר, כלומר שינוי בסימטריה. מנגנוני הופעת הטוהר הכיריאלי באורגניזמים חיים, אפילו בשלב הפרה-ביולוגי, אינם ברורים ומסתוריים. חשוב להדגיש שאפילו שלב ראשוניתהליך הופעתן של מולקולות החיים מארגן את עצמו. הידע על התחלות החיים נותן את המפתח להבנת שלבי ההתפתחות הבאים של החיים.
השערת מקור החיים על פני כדור הארץ, שהוצעה על ידי הביוכימאי הרוסי המפורסם אקדמאי A.I. Oparin (1894-1980) והביוכימאי האנגלי J. Haldane (1892-1964), קיבלה את ההכרה וההפצה הגדולים ביותר במאה ה-20. מהות השערתם, שנוסחה על ידם ללא תלות זה בזה בשנים 1924-1928. ופותח בזמן שלאחר מכן, מצטמצם לקיום על פני כדור הארץ של תקופה ארוכה של היווצרות אביוגנית מספר גדול תרכובות אורגניות. חומרים אורגניים אלו הרוויו את מי האוקיינוסים העתיקים, ויצרו (לפי ג'יי. האלדן) את מה שנקרא "מרק ראשוני". לאחר מכן, עקב תהליכים רבים של הרדידות וייבוש מקומיים של האוקיינוסים, ריכוז ה"מרק הראשוני" עלול לעלות פי עשרות ומאות. תהליכים אלו התרחשו על רקע פעילות געשית אינטנסיבית, פריקות ברק תכופות באטמוספירה וקרינה קוסמית רבת עוצמה. בתנאים אלה, יכול להיות סיבוך הדרגתי של מולקולות של חומרים אורגניים, הופעה של חלבונים פשוטים, פוליסכרידים, שומנים, חומצות גרעין. במשך מאות ואלפי שנים רבות, הם עלולים ליצור קרישי חומר אורגני (קואסרבטים). בתנאים מצמצמים, קואצרבטים לא קרסו, סיבוך הדרגתי שלהם התרחש, וברגע מסוים של התפתחות, יכלו להיווצר מהם הקואסרבטים הראשונים. אורגניזמים פרימיטיביים(פרוביונטים). השערה זו התקבלה ופיתחה עוד יותר על ידי מדענים רבים. מדינות שונות, ובשנת 1947, המדען האנגלי ג'ון ברנאל ניסח את השערת הביופואזה. הוא זיהה שלושה שלבים עיקריים בהיווצרות החיים: 1) התרחשות אביוגנית של מונומרים אורגניים; 2) היווצרות פולימרים ביולוגיים; 3) התפתחות מבני ממברנה והאורגניזמים הראשונים.
הבה נבחן בקצרה את התהליכים והשלבים של ביופואזה.
השלב הראשון של הביופואזה היה סדרה של תהליכים שנקראו אבולוציה כימית, שהובילו להופעת פרוביונטים - היצורים החיים הראשונים. משך הזמן שלו מוערך על ידי מדענים שונים בין 100 ל-1000 מיליון שנים. זוהי הפרה-היסטוריה של החיים על הפלנטה שלנו.
ביוסינתזה אביוגנית של תרכובות אורגניות
כדור הארץ ככוכב הלכת קם לפני כ-4.5 מיליארד שנים (לפי מקורות אחרים - לפני כ-13 מיליארד שנה, אך עדיין אין להם עדויות מוצקות). התקררות כדור הארץ החלה לפני כ-4 מיליארד שנים, והגיל קרום כדור הארץמוערך בכ-3.9 מיליארד שנים. בשלב זה נוצרים גם האוקיינוס והאטמוספירה העיקרית של כדור הארץ. כדור הארץ באותה תקופה היה חם למדי בשל שחרור חום במהלך התמצקות והתגבשות מרכיבי הקרום ופעילות וולקנית פעילה. במשך זמן רב היה במצב אדים, מתאדה מפני השטח של כדור הארץ, מתעבה לתוך שכבות עליונותאווירה ושוב נופל על משטח חם. כל זה היה מלווה בסופות רעמים כמעט קבועות עם פריקות חשמליות חזקות. מאוחר יותר מתחילים להיווצר מאגרי מים ואוקיינוסים ראשוניים. האטמוספירה העתיקה של כדור הארץ לא הכילה חמצן חופשי והייתה רוויה בגזים געשיים, שכללו תחמוצות של גופרית, חנקן, אמוניה, תחמוצות ופחמן דו חמצני, אדי מים ועוד מספר מרכיבים. קרינה קוסמית עוצמתית וקרינת שמש (עדיין לא הייתה שכבת אוזון באטמוספירה), פריקות חשמליות תכופות וחזקות, פעילות געשית פעילה, מלווה בפליטות מסות גדולותרכיבים רדיואקטיביים הובילו ליצירת תרכובות אורגניות, כגון פורמלדהיד, חומצה פורמית, אוריאה, חומצה לקטית, גליצרול, גליצין, כמה חומצות אמינו פשוטות וכו' מאחר שלא היה חמצן חופשי באטמוספירה, תרכובות אלו לא התחמצנו ויכלו מצטברים במקווי מים חמים ואפילו רותחים ובהדרגה הופכים מורכבים יותר במבנה, ויוצרים את מה שנקרא "מרק ראשוני". משך התהליכים הללו היה מיליונים רבים ועשרות מיליוני שנים. כך התממש השלב הראשון של ביופואזה - היווצרות והצטברות של מונומרים אורגניים.
שלב פילמור של מונומרים אורגניים
חלק ניכר מהמונומרים שנוצרו הושמד תחת פעולתו של טמפרטורה גבוההותגובות כימיות רבות שהתרחשו ב"מרק הקדמון". תרכובות נדיפות עברו לאטמוספירה ונעלמו למעשה מגופי המים. ייבוש תקופתי של מקווי מים הוביל לעלייה מרובה בריכוז התרכובות האורגניות המומסות. על רקע פעילות כימית גבוהה של המדיום, התרחשו תהליכי סיבוך של תרכובות אלו, והן יכלו להיכנס לתרכובות זו עם זו (תגובות של עיבוי, פילמור וכו'). חומצת שומן, בשילוב עם אלכוהול, עלול ליצור שומנים וליצור סרטים שומניים על פני השטח של מקווי מים. חומצות אמינו יכולות להתחבר זו לזו, וליצור פפטידים מורכבים יותר ויותר. כמו כן יכלו להיווצר סוגים אחרים של תרכובות - חומצות גרעין, פוליסכרידים וכו'. חומצות הגרעין הראשונות, כפי שמאמינים ביוכימאים מודרניים, היו שרשראות RNA קטנות, שכן הן, כמו אוליגופפטידים, ניתנות לסינתזה בסביבה עם תוכן גבוהרכיבים מינרלים באופן ספונטני, ללא השתתפות של אנזימים. תגובות פולמוריזציה יכולות להיות מופעלות באופן ניכר עם עלייה משמעותית בריכוז התמיסה (ייבוש המאגר) ואפילו בחול רטוב או כשהמאגרים התייבשו לחלוטין (האפשרות שתגובות כאלה יתרחשו במצב יבש הוכחה על ידי האמריקאים הביוכימאי ש. פוקס). הגשמים שלאחר מכן המיסו את המולקולות שסונתזו ביבשה והעבירו אותן עם זרמי מים לגופי מים. תהליכים כאלה יכולים להיות מחזוריים, מה שמוביל לסיבוך גדול עוד יותר של פולימרים אורגניים.
היווצרות של coacervates
השלב הבא במקור החיים היה היווצרות קואצרבטים, כלומר אשכולות גדוליםפולימרים אורגניים מורכבים. הגורמים והמנגנונים של תופעה זו אינם ברורים במידה רבה. הקואסרבטים של תקופה זו היו עדיין תערובת מכנית של תרכובות אורגניות, נטולות כל סימני חיים. בפרק זמן מסוים נוצרו קשרים בין מולקולות RNA לפפטידים, המזכירים את התגובות של סינתזת חלבון מטריקס. עם זאת, עדיין לא ברור כיצד RNA הגיע לקודד סינתזת פפטידים. מאוחר יותר הופיעו מולקולות DNA, שבגלל נוכחותם של שני סלילים והאפשרות של העתקה עצמית (שכפול) מדויקת יותר (בהשוואה ל-RNA), הפכו לנשאיות העיקריות של מידע על סינתזת פפטידים, תוך העברת מידע זה ל-RNA. מערכות כאלה (קואצרבטים) כבר היו דומות, אך עדיין לא היו כאלה, מכיוון שלא היה להן מבנה פנימי מסודר הטבוע באורגניזמים חיים, ולא היו מסוגלים להתרבות. אחרי הכל, תגובות מסוימות של סינתזת פפטידים יכולות להתרחש גם בהומוגנטים שאינם תאיים.
הופעת ממברנות ביולוגיות
מבנים ביולוגיים מסודרים בלתי אפשריים ללא ממברנות ביולוגיות. בגלל זה השלב הבאבהיווצרות החיים, דווקא היווצרותם של מבנים אלו מבודדים ומגנים על הקואסרבטים מהסביבה, והופכים אותם לתצורות אוטונומיות. הממברנות יכולות להיווצר מסרטי שומנים שהופיעו על פני השטח של מקווי מים. פפטידים המובאים על ידי זרמי גשם לגופי מים או שנוצרו במקווי מים אלה יכולים להיות מחוברים למולקולות שומנים. כאשר גופי מים הופרעו או משקעים ירדו על פני השטח שלהם, יכלו להופיע בועות מוקפות בתרכובות דמויות קרום. להופעתם והתפתחותם של החיים, השלפוחיות שהקיפו את הקואסרבטים עם קומפלקסים של חלבון-נוקלייד היו חשובות. אבל אפילו תצורות כאלה עדיין לא היו אורגניזמים חיים.
הופעתם של פרוביונטים - האורגניזמים הראשונים המתרבים בעצמם
רק אותם coacervats שהיו מסוגלים לוויסות עצמיים ורבייה עצמית יכלו להפוך לאורגניזמים חיים. גם איך היכולות הללו צמחו עדיין לא ברור. ממברנות ביולוגיותסיפקה אוטונומיה והגנה ל-coacervates, מה שתרם להופעתה של סדר משמעותי של תגובות ביוכימיות המתרחשות בגופים אלה. השלב הבאהופעתה של רבייה עצמית החלה, כאשר חומצות גרעין (DNA ו/או RNA) החלו לא רק לספק סינתזה של פפטידים, אלא גם לווסת את תהליכי הרבייה העצמית ומטבוליזם בעזרתה. כך הופיע מבנה תאי, בעל חילוף חומרים ויכולת רבייה. צורות אלו היו מסוגלות לשרוד בתהליך ברירה טבעית. אז קואצרבטים הפכו לאורגניזמים החיים הראשונים - פרוביונטים.
שלב האבולוציה הכימית הסתיים, ושלב האבולוציה הביולוגית של חומר חי כבר החל. זה קרה לפני 3.5-3.8 מיליארד שנים. הופעת תא חי היא הארומורפוזה העיקרית הראשונה באבולוציה של העולם האורגני.
האורגניזמים החיים הראשונים היו דומים במבנה לפרוקריוטים, עדיין לא היה להם חזק דופן תאוכמה מבנים תוך-תאיים (הם היו מכוסים בממברנה ביולוגית, שכיפופיה הפנימיים ביצעו את הפונקציות של מבנים תאיים). אולי לפרוביונטים הראשונים היה חומר תורשתי המיוצג על ידי RNA, וגנומים עם DNA הופיעו מאוחר יותר בתהליך האבולוציוני. ישנה דעה כי המשך האבולוציה של החיים הגיעה מאב קדמון משותף, שממנו הגיעו הפרוקריוטים הראשונים. זה מה שהבטיח את הדמיון הרב במבנה של כל הפרוקריוטים, ובעקבות כך האוקריוטים.
חוסר האפשרות ליצור חיים ספונטני בתנאים מודרניים
לעתים קרובות נשאלת השאלה: מדוע אין יצור ספונטני של יצורים חיים בזמן הנוכחי? אחרי הכל, אם אורגניזמים חיים אינם מופיעים כעת, אז על סמך מה נוכל ליצור השערות לגבי מקור החיים בעבר הרחוק? היכן קריטריון ההסתברות להשערה זו? התשובות לשאלות אלו יכולות להיות כדלקמן: 1) ההשערה שלעיל של ביופואזה היא מבחינות רבות רק בנייה הגיונית, היא עדיין לא הוכחה, היא מכילה הרבה סתירות ונקודות לא ברורות (למרות שיש הרבה נתונים, הן פליאונטולוגי וניסיוני, המצביע בדיוק על התפתחות כזו של ביופואזה); 2) השערה זו, על כל חוסר השלמות שלה, מנסה בכל זאת להסביר את הופעת החיים, על סמך תנאים ארציים ספציפיים, וזה בדיוק ערכה; 3) חינוך עצמי של יצורים חיים חדשים על השלב הנוכחיהתפתחות החיים היא בלתי אפשרית את הסיבות הבאות: א) תרכובות אורגניות חייבות להתקיים בצורה של אשכולות במשך זמן רב, בהדרגה הופכות מורכבות יותר ומשתנות; בתנאים של האטמוספרה המחמצנת של כדור הארץ המודרני, זה בלתי אפשרי, הם ייהרסו במהירות; ב) ג תנאים מודרנייםישנם אורגניזמים רבים שיכולים במהירות רבה להשתמש אפילו בהצטברויות לא משמעותיות של חומר אורגני לתזונה שלהם.
השערות מקור החיים
מקור החיים על פני כדור הארץ הוא אחד מה בעיות קריטיותמדעי הטבע. במהלך עשרות מאות שנים השתנו השקפות על בעיית החיים, הובעו רעיונות, השערות ומושגים שונים. חלקם נמצאים בשימוש נרחב ב תקופות שונותהיסטוריה של התפתחות מדעי הטבע. נכון לעכשיו, קיימות חמש השערות למקור החיים:
1. בריאתנות היא השערה הקובעת שהחיים נוצרו על ידי ישות על טבעית כתוצאה ממעשה יצירה. בעל ההיסטוריה הארוכה ביותר. היא מבוססת על נוכחות באורגניזמים חיים של כוח מיוחד, "הנשמה", השולטת בכל תהליכי החיים.
2. השערה מצב יציב, לפיה חיים מעולם לא התעוררו, אלא תמיד היו קיימים. עם השינוי בתנאים הטבעיים השתנו גם המינים: חלקם נעלמו, אחרים הופיעו. מבוסס על מחקר של פליאונטולוגים.
3. השערת היצירה הספונטנית של חיים, המבוססת על הרעיון של הופעת חיים חוזרת ונשנית מ חומר דומם, הועלה ב סין העתיקהוהודו כחלופה לבריאתנות. השערה זו נתמכה על ידי אפלטון, אריסטו, גלילאו, דקארט, למארק. מהות ההשערה: האורגניזמים החיים הנמוכים יותר צמחו מסחף, אדמה לחה, בשר נרקב. בהפרכה של השערה זו, ניסח פ. רדי את העיקרון: "כל היצורים החיים באים מיצורים חיים", לאחר שמצא את הסיבה להופעת תולעים על בשר נרקב. ל. פסטר, עם הניסויים שלו עם וירוסים, הוכיח סוף סוף את חוסר העקביות של הרעיון של מקור חיים ספונטני.
4. השערת הפנספרמיה, לפיה הובאו חיים לכדור הארץ חלל חיצון. זה הובע לראשונה על ידי ג' ריכטר בסוף המאה ה-19. תפיסה זו מאפשרת אפשרות של מקור החיים בזמנים שונים ב חלקים שוניםהיקום והעברתו לכדור הארץ בדרכים שונות (מטאוריטים, אסטרואידים, אבק קוסמי).
5. השערת המקור ההיסטורי של החיים באמצעות אבולוציה ביוכימית. המחברים הם A. Oparin ו-S. Haldane. מנקודת המבט של ההשערה של א' אופרין, כמו גם מנקודת המבט מדע מודרניהופעת החיים מחומר דומם התרחשה כתוצאה מ תהליכים טבעייםביקום במהלך האבולוציה הארוכה של החומר. א.אופארין הבחין בכמה שלבים של אבולוציה ביוכימית, שמטרתם הסופית הייתה פרימיטיבית תא חי. האבולוציה התנהלה על פי התוכנית:
א) האבולוציה הגיאוכימית של כדור הארץ, סינתזה של התרכובות הפשוטות ביותר כגון CO2, NH3, H2O וכו', מעבר מים ממצב אדים למצב נוזלי כתוצאה מהתקררות הדרגתית של כדור הארץ. אבולוציה של האטמוספירה וההידרוספרה.
ב) יצירת חומרים אורגניים מתרכובות אנאורגניות - חומצות אמינו - והצטברותם באוקיינוס הראשוני כתוצאה מהשפעתה האלקטרומגנטית של השמש, קרינה קוסמית ופריקות חשמליות.
ג) סיבוך הדרגתי של תרכובות אורגניות ויצירת מבני חלבון.
ד) בידוד מבני חלבון מהסביבה, יצירת מתחמי מים ויצירת מעטפת מימית סביב החלבונים.
ה) היתוך של קומפלקסים כאלה ויצירת קואצרבטים המסוגלים להחליף חומר ואנרגיה עם סביבה.
ה) ספיגת מתכות על ידי coacervates, שהובילה ליצירת אנזימים המאיצים תהליכים ביוכימיים.
ז) היווצרות גבולות ליפידים הידרופוביים בין קואצרבטים לסביבה החיצונית, מה שהוביל להיווצרות ממברנות חדירה למחצה, אשר הבטיחו את יציבות תפקודו של הקואצרבאט.
ח) התפתחות במהלך האבולוציה בתצורות אלו של תהליכי ויסות עצמי ורבייה עצמית.
לדברי האקדמאי V. Vernadsky, הופעת החיים קשורה לזינוק רב עוצמה, שהכניס כל כך הרבה סתירות לאבולוציה שהם יצרו את התנאים להולדת החומר החי. המורכבות הקיצונית של ארגון החומר החי היא הוכחה לכך שמקור החיים הוא תוצאה של תהליך ארוך של אבולוציה ביולוגית.
6. תיאוריה מודרנית של אבולוציה ביולוגית
האבולוציה מובנת כאחת מצורות התנועה, המאופיינת בשינויים הדרגתיים, מתמשכים, מצטברים, המובילים לשינויים איכותיים בהתפתחות הטבע החי. בתהליך היווצרות הפרדיגמה האבולוציונית, ישנם שלושה שלבים עיקריים:
· השלב הראשון – ביולוגיה מסורתית; הנציג המבריק ביותר שלו הוא המדען השבדי ק. לינאוס.
· השלב השני הוא התיאוריה הקלאסית של האבולוציה הביולוגית; היוצר הוא חוקר הטבע האנגלי צ' דרווין.
· השלב השלישי הוא התיאוריה הסינתטית של האבולוציה הביולוגית. תוכנו היה תוצאה של רעיונותיהם של צ'ארלס דרווין והבוטנאי הצ'כי, מייסד הגנטיקה ג' מנדל.
הבסיס התיאורטי הכללי של הביולוגיה המסורתית, ששלטה במחשבה הביולוגית מימי קדם ועד המאה ה-19, היה מושג הבריאתנות, שנבע מהרעיון של הופעתן בו-זמנית של כל צורות החיים על פני כדור הארץ. המשימה של הביולוגיה המסורתית הייתה לבנות סיווג ושיטתיות של כל היצורים החיים. את התרומה המשמעותית ביותר לפתרון בעיה זו תרם ק' לינאאוס, שיצר מערכת סיווג של אורגניזמים חיים, שחשפה את שלמותם, האחדות, החיבור ההדדית והמשכיות של אורגניזמים, מה שבתורו הוביל את המדענים לרעיון שכל המגוון של צורות חיות הבר הוא תוצאה של אבולוציה ביולוגית. הביולוגיה המסורתית צוברת את החומר המדעי שלה באמצעות התבוננות ישירה בטבע החי, ולכן היא ממשיכה להתפתח בזמן הנוכחי.
התיאוריה של צ'.דארווין הייתה תוצאה של הכללה כמות עצומהמגוון מידע עובדתי. ניתן לסכם את ההסבר של דרווין על תהליך האבולוציה כך:
1. כל קבוצה של בעלי חיים וצמחים מאופיינת בשונות. שונות היא אחת התכונות הטבועות באורגניזמים חיים.
2. מספר האורגניזמים מכל מין שנולדים לעולם גדול בהרבה מהמספר שיכולים למצוא מזון, לשרוד ולהשאיר צאצאים. רובצאצאים מתים בכל דור ודור.
3. מכיוון שנולדים יותר פרטים ממה שיכולים לשרוד, יש תחרות, מאבק על מזון ובית גידול.
4. שינויים תורשתיים המקלים על אורגניזם לשרוד בסביבה מסוימת נותנים לבעליהם יתרון על פני אורגניזמים אחרים, פחות מותאמים. פרטים שורדים מולידים את הדור הבא, וכך מתרחשת בחירת הנציגים המתאימים ביותר (ברירה טבעית).
הדחף להיווצרות תיאוריה סינתטית של אבולוציה היה גילוי חוק הירושה ופענוח מבנה ה-DNA. תיאוריה סינתטיתהאבולוציה בתוכן היא סינתזה של דרוויניזם ושל הישגי הביולוגיה המולקולרית. מהות התיאוריה טמונה בהצגת תהליך האבולוציה כתחרות של תוכניות גנטיות, הקובעת את ההתפתחות האינדיבידואלית של אורגניזמים. ו תפקיד חשובבקביעת הכיוון הכללי של האבולוציה, משחק מכשיר התכנות הראשי, שהוא הביוספרה כולה. הביוספרה היא שקובעת את המהירות והכיוון של הטרנספורמציה האבולוציונית של המין הנכלל בהרכבו.
ביואתיקה
במבט ראשון נראה שאין שום דבר משותף בין אתיקה לביולוגיה. אחרי הכל, האתיקה היא ענף של ידע חברתי והומניטרי החוקר את התחום האידיאלי של מרשמים, נורמות ועקרונות של התנהגות אנושית, בעוד שהביולוגיה היא אחד מדעי הטבע, לדעת עובדות אמיתיותמאפיין את מהות החיים. עם זאת, יש קשר בין ביולוגיה לבין אתיקה. אחרי הכל, האדם הוא תוצר של אבולוציה ביולוגית ארוכה. ואחד הצדדים של האבולוציה הוא המאבק על הקיום, שבמהלכו לא רק אמצעים פיזייםאלא גם פסיכולוגי, כולל נורמות אתיות.
ביואתיקה היא המחקר של תהליכים נפשייםאשר, לאחר שהתעוררה בשלבים הראשונים של האבולוציה של יצורים חיים, התפתחה בהדרגה והובילה להופעתה של מערכת דרישות ועקרונות הנקראים אתיקה אנושית. ביואתיקה בכיוון האינטרסים שלה מתקרבת הכי קרוב לאובייקט המחקר של מדעי החברה ומדעי הרוח, ולומדת את הבעיות העיקריות הבאות:
· הבעיות של המקורות הביולוגיים העמוקים של העקרונות האתיים של ההתנהגות האנושית, הביטויים של יסודות העקרונות הללו בהתנהגותם של אורגניזמים חיים כבר נמצאות. שלבים מוקדמיםאבולוציה ביולוגית.
· הכרעה על בסיס זה של סוגיות המתאם בעקרונות האתיים של האדם המולד ונרכש, ביולוגי וחברתי ולא מודע.
פיתוח של קבוצה של נורמות אתיות חדשות, שהרלוונטיות שלהן קשורה לאפשרות של השלכות עמוקות לאדם עם התגליות הגדולות ביותר ביולוגיה מודרניתבמיוחד גנטיקה.
לתוכניות ההתנהגותיות המורכבות הגלומות בעולם החי ולנורמות האתיקה האנושית יש מקור ביוגני יחיד. בהתבסס על כך, ביו-אתיקה כרעיון מרכזי מעלה את הרעיון שלעקרונות ההתנהגות האנושית יש לא רק תנאים חברתיים, אלא גם ביולוגיים. ביואתיקה מגלה אצלנו עולם פנימיובהתנהגות שלנו, בנוסף לצורות שנוצרו על ידי המוח, התרבות, החברה, יש גם צורות הנובעות מתכניות גנטיות עתיקות שירש מאבות בעלי החיים שלנו. תחום חשוב בביואתיקה מודרנית הוא החיפוש אחר גישות חדשות להערכה המוסרית של תופעות כגון המתת חסד, הפרת הוודאות המינית, שיבוט.
האם אתה יודע מה מקור החיים?
3. מהו העיקרון הבסיסי של השיטה המדעית?
בעיית מקור החיים על הפלנטה שלנו היא אחת המרכזיות במדעי הטבע המודרניים. מאז ימי קדם, אנשים ניסו למצוא את התשובה לשאלה זו.
בריאתנות (lat, sgeatio - יצירה).
בזמנים שונים, לעמים שונים היו רעיונות משלהם לגבי מקור החיים. הם משתקפים ב ספרי קודשדתות שונות המסבירות את הופעת החיים כמעשה הבורא (רצון האל). השערת מקורם האלוהי של יצורים חיים יכולה להתקבל רק על סמך אמונה, שכן לא ניתן לאמת או להפריכה בניסוי. לכן, לא ניתן לשקול זאת מַדָעִינקודות מבט.
השערת המקור הספונטני של החיים.
מימי קדם ועד אמצע המאה ה-17. מדענים לא הטילו ספק באפשרות של יצירת חיים ספונטנית. הוא האמין שיצורים חיים יכולים להופיע מחומר דומם, למשל, דגים - מסחף, תולעים - מאדמה, עכברים - מסמרטוטים, זבובים - מבשר רקוב, וגם שצורות מסוימות יכולות להוליד אחרות, למשל, בעלי חיים יכולים להיווצר גם מפירות (ראה, עמ' 343).
אז, אריסטו הגדול, שחקר צלופחים, מצא שביניהם אין אנשים עם קוויאר או חלב. בהתבסס על כך, הוא הציע שצלופחים נולדים מ"נקניקיות" של סחף, שנוצרו מחיכוך של דג בוגר על הקרקעית.
המכה הראשונה למושג הדור הספונטני הגיעה מהניסויים של המדענית האיטלקייה פרנצ'סקה רדי, שב-1668 הוכיחה את חוסר האפשרות ליצור זבובים ספונטני בבשר נרקב.
למרות זאת, הרעיונות של יצירת חיים ספונטנית נמשכו עד אמצע המאה ה-19. רק בשנת 1862, המדען הצרפתי לואי פסטר הפריך סופית את ההשערה של יצירת חיים ספונטנית.
יצירותיו של המאסטר אפשרו לקבוע שהעיקרון "כל היצורים החיים - מהחיים" נכון לכל הידוע אורגניזמיםעל הפלנטה שלנו, אבל הם לא פתרו את שאלת מקור החיים.
השערת פנספרמיה.
הוכחה לחוסר האפשרות ליצור חיים ספונטני הולידה בעיה נוספת. אם נחוץ אורגניזם חי אחר להופעתו של אורגניזם חי, אז מאיפה הגיע האורגניזם החי הראשון? זה נתן דחיפה להופעתה של השערת הפנספרמיה, שהיו לה ויש לה תומכים רבים, כולל בקרב מדענים בולטים. הם מאמינים שלראשונה החיים לא נוצרו על פני כדור הארץ, אלא הוצגו איכשהו לכוכב הלכת שלנו.
עם זאת, השערת הפנספרמיה רק מנסה להסביר את הופעת החיים על פני כדור הארץ. זה לא עונה על השאלה איך התחילו החיים.
הכחשת עובדת היצירה הספונטנית של חיים בזמן הנוכחי אינה סותרת את הרעיונות בדבר האפשרות היסודית של התפתחות חיים בעבר מחומר לא אורגני.
ההשערה של אבולוציה ביוכימית.
בשנות ה-20, המדען הרוסי A.I. Oparin והאנגלי J. Haldane העלו השערה לגבי מקור החיים בתהליך הביוכימי. אבולוציהתרכובות פחמן, שהיוו את הבסיס לרעיונות מודרניים.
בשנת 1924, AI Oparin פרסם את ההוראות העיקריות של ההשערה שלו לגבי מקור החיים על פני כדור הארץ. הוא יצא מהעובדה שבתנאים מודרניים הופעת יצורים חיים מ טבע דומםבלתי אפשרי. אביוגנית (כלומר, ללא השתתפות של אורגניזמים חיים) הופעתו של חומר חי הייתה אפשרית רק בתנאי האטמוספירה העתיקה ובהיעדר אורגניזמים חיים.
לפי A. I. Oparin, באטמוספירה הראשונית של הפלנטה, רוויה בגזים שונים, עם פריקות חשמליות חזקות, כמו גם תחת פעולת קרינה אולטרא - סגולה(לא היה חמצן באטמוספירה, ולכן לא היה מסך אוזון מגן, האטמוספרה הצטמצמה) וקרינה גבוהה, יכלו להיווצר תרכובות אורגניות, שהצטברו באוקיינוס ויצרו "מרק קדמון".
ידוע שבתמיסות מרוכזות של חומרים אורגניים (חלבונים, חומצות גרעין, ליפידים) בתנאים מסוימים, עלולים להיווצר קרישים הנקראים טיפות קואצרבאט, או קואסרבטים. Coacervates לא התפרקו באווירה מצמצמת. מהפתרון שקיבלו חומרים כימיים, בהם הייתה סינתזה של תרכובות חדשות, וכתוצאה מכך הן גדלו והפכו מורכבות יותר.
Coacervates כבר דמו לאורגניזמים חיים, אבל הם עדיין לא היו כאלה, שכן לא היה להם מבנה פנימי מסודר הטבוע באורגניזמים חיים, ולא היו מסוגלים להתרבות. קואסרבטים של חלבון נחשבו על ידי A.I., Oparin כפרוביונטים - מבשרי האורגניזם החי. הוא הניח שבשלב מסוים, פרוביונטים חלבוניים כוללים חומצות גרעין, היוצרות קומפלקסים בודדים.
האינטראקציה בין חלבונים וחומצות גרעין הובילה להופעת תכונות חיים כגון רבייה עצמית, שימור מידע תורשתי והעברתו לדורות הבאים.
פרוביונטים, שבהם מטבוליזם היה משולב עם היכולת להתרבות עצמם, כבר יכולים להיחשב כפרוצלים פרימיטיביים.
בשנת 1929, גם המדען האנגלי ג'יי. הלדאן העלה את השערת המקור האביוגני של החיים, אך לפי השקפותיו, הבסיס לא היה מערכת סורגית המסוגלת להחליף חומרים עם הסביבה, אלא מערכת מקרו-מולקולרית המסוגלת לעצמה. שִׁעתוּק. במילים אחרות, A. I. Oparin נתן עדיפות לחלבונים, ו-J. Haldane - לחומצות גרעין.
השערת אופרין-הולדיין זכתה לתומכים רבים, שכן היא קיבלה אישור ניסיוני לאפשרות של סינתזה אביוגנית של ביו-פולימרים אורגניים.
בשנת 1953 הדמה המדען האמריקני סטנלי מילר, במיצב שיצר (איור 141), את התנאים שהתקיימו ככל הנראה באטמוספרה הראשונית של כדור הארץ. כתוצאה מהניסויים התקבלו חומצות אמינו. ניסויים דומים חזרו על עצמם פעמים רבות במעבדות שונות ואפשרו להוכיח את האפשרות הבסיסית של סינתזה של כמעט כל המונומרים של הביופולימרים העיקריים בתנאים כאלה. לאחר מכן, נמצא כי בתנאים מסוימים ניתן לסנתז ביופולימרים אורגניים מורכבים יותר ממונומרים: פוליפפטידים, פולינוקלאוטידים, פוליסכרידים וליפידים.
אבל גם להשערת אופרין-הלדן יש צד חלשציין מתנגדיה. במסגרת השערה זו, לא ניתן להסביר את הבעיה המרכזית: כיצד התרחשה הקפיצה האיכותית מדומם לחיים. ואכן, עבור רבייה עצמית של חומצות גרעין, יש צורך בחלבוני אנזימים, ולסינתזה של חלבונים, חומצות גרעין.
בריאתנות. דור ספונטני. השערת פנספרמיה. ההשערה של אבולוציה ביוכימית. Coacervates. פרוביונטים.
1. למה הרעיון של מוצא אלוהילא ניתן לאשר או להכחיש את החיים?
2. מהן ההוראות העיקריות של השערת אופרין-הלדן?
3. אילו ראיות ניסיוניות ניתן להביא לטובת השערה זו?
4. מה ההבדל בין ההשערה של A. I. Oparin לבין ההשערה של J. Haldane?
5. אילו טיעונים נותנים המתנגדים בביקורת על השערת אופרין-הלדן?
תנו טיעונים אפשריים "בעד" ו"נגד" להשערת הפנספרמיה.
צ' דרווין כתב ב-1871: "אבל עכשיו... במאגר חם כלשהו המכיל את כל מלחי האמוניום והזרחן הדרושים ונגיש לאור, חום, חשמל וכו', חלבון המסוגל להמשיך, יותר ויותר, טרנספורמציות מורכבות, אז החומר הזה ייהרס או ייספג מיד, מה שהיה בלתי אפשרי בתקופה שלפני הופעת היצורים החיים.
אשר או הפריך את ההצהרה הזו של צ'ארלס דרווין.
בהבנת מהות החיים ומקורם בתרבות הציוויליזציה האנושית, היו מזמן שני רעיונות - ביוגנזה ואביוגנזיס. הרעיון של ביוגנזה (מקורם של יצורים חיים מיצורים חיים) מגיע ממבנים דתיות מזרחיות עתיקות, שעבורן היה נפוץ הרעיון של היעדר התחלה וסוף. תופעת טבע. מְצִיאוּת חיי נצחשכן תרבויות אלו מקובלות מבחינה לוגית, כמו גם נצחיות החומר, הקוסמוס.
רעיון חלופי - אביוגנזה (מקורם של יצורים חיים מדברים שאינם חיים) חוזר לתרבויות שהתקיימו הרבה לפני תקופתנו בעמקי נהרות החידקל והפרת. אזור זה היה נתון להצפה מתמדת, ואין זה מפתיע שהוא הפך למקום הולדתו של הקטסטרופה, שהשפיע על הציוויליזציה האירופית דרך היהדות והנצרות. אסונות, כביכול, קוטעים את הקשר, את שרשרת הדורות, מרמזים על יצירתו, על הופעתו מחדש. בהקשר זה, האמונה ביצירת ספונטנית תקופתית של אורגניזם בהשפעת סיבות טבעיות או על טבעיות הייתה נפוצה בתרבות האירופית.
Kamensky A. A., Kriksunov E. V., Pasechnik V. V. Biology Grade 10
נשלח על ידי קוראים מהאתר
ועדת המדינה הפדרציה הרוסיתהשכלה גבוהה
האקדמיה הכלכלית הרוסית על שם G.V. פלחנוב
המחלקה לכימיה
נושא "מושגים מדעי הטבע המודרניים" בנושא
"מושגים של מקור החיים עלי אדמות"
סטודנט שנה א'
הפקולטה לכלכלה כללית
קבוצה מס' 9109 (מחלקת יום)
ZADKOVA E.N.
מנהל מדעי
מוסקבה 1999
מבוא …………………………………………………………………………………2
מושג הבריאתנות …………………………………………………..2
מושג המקור הספונטני של החיים …………………………..2
תפיסת מצב יציב ………………………………….4
המושג פנספרמיה ………………………………………………………..4
מושג האבולוציה הביוכימית ………………………………….4
האם חיים אפשריים על כדור הארץ עכשיו? ………………….8
רשימת ספרות משומשת …………………………………10
מבוא
שאלות על מקור הטבע ומהות החיים היו זה מכבר נושא לעניין האנושי ברצונו להבין את העולם הסובב אותו, להבין את עצמו ולקבוע את מקומו בטבע. מקור החיים הוא אחת משלוש בעיות השקפת העולם החשובות ביותר יחד עם בעיית מקור היקום שלנו ובעיית מקור האדם.
מאות שנים של מחקר וניסיונות לפתור בעיות אלה הולידו מושגים שונים לגבי מקור החיים:
בריאתנות היא היצירה האלוהית של יצורים חיים;
הרעיון של יצירה ספונטנית (ספונטנית) מרובה של חיים מחומר לא-חי (הוא דבק על ידי
אריסטו, שסבר שיצורים חיים יכולים להיווצר גם כתוצאה מפירוק האדמה);
הרעיון של מצב יציב, שלפיו חיים תמיד היו קיימים;
המושג פנספרמיה - מקור חיים מחוץ לכדור הארץ;
5) הרעיון של מקור החיים על פני כדור הארץ בעבר ההיסטורי כתוצאה מתהליכים המצייתים לחוקים פיסיקליים וכימיים.
מושג הבריאתנות
לפי הבריאתנות, לא ניתן היה לממש את הופעת החיים על פני כדור הארץ באופן טבעי, אובייקטיבי, קבוע; החיים הם תוצאה של מעשה יצירתי אלוהי. מקור החיים מתייחס לאירוע מסוים בעבר שניתן לחישוב. IN
1650 הארכיבישוף אשר מאירלנד חישב שאלוהים ברא את העולם באוקטובר 4004 לפני הספירה, ובשעה 9 בבוקר ב-23 באוקטובר ואדם. הוא השיג את המספר הזה מניתוח הגילאים והקשרים המשפחתיים של כל המוזכרים ב
תנ"ך אדם. עם זאת, באותה תקופה כבר הייתה ציוויליזציה מפותחת במזרח התיכון, מה שמוכח על ידי מחקר ארכיאולוגי. אולם סוגיית בריאת העולם והאדם אינה סגורה, שכן ניתן לפרש את הטקסטים של המקרא בדרכים שונות.
מושג המקור הספונטני של החיים
התיאוריה של מקור החיים הספונטני מקורה בבבל, מצרים וסין כחלופה לבריאתנות. הוא מבוסס על התפיסה שבהשפעת גורמים טבעיים, החיים יכולים לנבוע מהדומם, האורגני מהאי-אורגני. זה חוזר לאמפדוקלס ואריסטו: "חלקיקים" מסוימים של חומר מכילים סוג של "עיקרון חלופי", שבתנאים מסוימים, יכול ליצור אורגניזם חי. אריסטו האמין שהעיקרון הפעיל הוא בביצית מופרית, אור שמש, בשר נרקב. עבור דמוקריטוס, תחילת החיים הייתה בסחופת, עבור תאלס - במים, עבור
אנקסגורה באוויר.
אריסטו מבוסס על מידע על בעלי חיים שהגיעו מהחיילים
אלכסנדר מוקדון ומטיילי סוחרים, יצרו רעיון של התפתחות הדרגתית ומתמשכת של החיים מהדומם ויצרו רעיון של "סולם הטבע" ביחס לעולם החי. הוא לא הטיל ספק בדור הספונטני של צפרדעים, עכברים וחיות קטנות אחרות. אפלטון דיבר על הדור הספונטני של יצורים חיים מכדור הארץ בתהליך של ריקבון.
הרעיון של הדור ספונטני הפך נפוץ בימי הביניים וברנסנס, כאשר הותרה האפשרות של יצירה ספונטנית של לא רק יצורים פשוטים, אלא גם מאורגנים מאוד, אפילו יונקים.
(למשל, עכברים מסמרטוטים). לדוגמה, בטרגדיה של ו. שייקספיר "Anthony and
קליאופטרה" אומר ליאונידס למארק אנטוני: "הזוחלים המצריים שלך מתחילים בבוץ מקרני השמש המצרית שלך. כאן, למשל, תנין ... ".
ידועים ניסיונות של Paracelsus לפתח מתכונים לאדם מלאכותי
(הומונקולוס).
הלמונט המציא מתכון להשגת עכברים מחיטה וכביסה מלוכלכת.
בייקון גם האמין כי ריקבון הוא הנבט של לידה חדשה. הרעיונות של יצירת חיים ספונטנית נתמכו על ידי גלילאו, דקארט, הארווי, הגל,
נגד תיאוריית הדור הספונטני במאה ה-17. נעשה על ידי רופא פלורנטיני
פרנצ'סקו רדי. כשהכניס את הבשר לסיר סגור, פ. רדי הראה שהזחלים של זבובים אינם יוצרים באופן ספונטני בבשר רקוב. תומכי תיאוריית הדור הספונטני לא ויתרו, הם טענו שיצירה ספונטנית של זחלים לא התרחשה מהסיבה היחידה שאוויר לא נכנס לסיר הסגור.
ואז פ. רדי הניח את נתחי הבשר בכמה כלים עמוקים. הוא השאיר חלק מהם פתוח, וכיסה חלק במוסלין. לאחר זמן מה, בכלים הפתוחים, הבשר שרר זחלי זבובים, בעוד שבכלים המכוסים מוסלין לא היו זחלים בבשר הרקוב.
במאה ה- XVIII. המתמטיקאי והפילוסוף הגרמני לייבניץ המשיך להגן על התיאוריה של יצירת חיים ספונטנית. הוא ותומכיו טענו שיש "כוח חיים" מיוחד באורגניזמים חיים. לפי הוויטליסטים (מהלטינית "וויטה" - חיים), "כוח החיים" קיים בכל מקום. פשוט תנשום את זה, והדומם הופך לחיים."
המיקרוסקופ פתח את עולם המיקרו לאנשים. תצפיות הראו כי בבקבוק סגור היטב עם ציר בשר או חליטת חציר, מיקרואורגניזמים מתגלים לאחר זמן מה. אבל ברגע שמרק הבשר רתח במשך שעה והצוואר נאטם, שום דבר לא הופיע בבקבוק האטום.
ויטאליסטים הציעו שהרתחה ממושכת הורגת
"כוח חיים" שאינו יכול לחדור לבקבוק אטום.
במאה ה 19 אפילו למארק ב-1809 כתב על האפשרות של יצירה ספונטנית של פטריות.
עם הופעת ספרו של דרווין "מקור המינים", שוב עלתה השאלה כיצד בכל זאת התעוררו החיים על פני כדור הארץ. האקדמיה הצרפתית למדעים בשנת 1859 מינתה פרס מיוחד על ניסיון להבהיר בדרך חדשה את שאלת דור ספונטני. פרס זה התקבל בשנת 1862 על ידי המדען הצרפתי המפורסם לואי פסטר.
פסטר ערך ניסוי שהתחרה בניסוי המפורסם של רדי בפשטות. הוא הרתיח חומרים מזינים שונים בבקבוק שבו יכלו להתפתח מיקרואורגניזמים. רתיחה ממושכת בבקבוק הרגה לא רק מיקרואורגניזמים, אלא גם את הנבגים שלהם. בהתחשב בקביעת הוויטליסטים ש"כוח החיים" המיתולוגי אינו יכול לחדור לבקבוק אטום,
פסטר חיבר אליו צינור בצורת S עם קצה חופשי. נבגים של מיקרואורגניזמים התיישבו על פני השטח של צינור מעוקל דק ולא יכלו לחדור לתוך המדיום המזין. תווך תזונתי מבושל היטב נשאר סטרילי; יצירה ספונטנית של מיקרואורגניזמים לא נצפה בו, למרות גישה לאוויר (ועמו הידועה לשמצה " כוח החיים") סופק.
לפיכך, הוכח שבזמננו כל אורגניזם יכול להופיע רק מאורגניזם חי אחר.
מושג מצב יציב
תומכי התיאוריה של קיומם הנצחי של חיים מאמינים שבכדור הארץ הקיים תמיד, כמה מינים נאלצו להיכחד או לשנות באופן דרמטי את מספרם במקומות מסוימים על פני כדור הארץ עקב שינויים בתנאים החיצוניים. מושג ברור בנתיב זה לא פותח, מכיוון שיש כמה פערים ואי בהירות בתיעוד הפליאונטולוגי של כדור הארץ. קבוצת ההשערות הבאה קשורה גם לרעיון הקיום הנצחי של החיים ביקום.
מושג פנספרמיה
התיאוריה של פנספרמיה (השערה לגבי האפשרות של העברת חיים ביקום מאחד גוף קוסמילאחרים) אינו מציע שום מנגנון להסבר המקור העיקרי של החיים ומעביר את הבעיה למקום אחר ביקום. ליביג האמין ש"האווירה גרמי שמים, כמו גם ערפיליות קוסמיות מסתובבות, יכולות להיחשב כמאגרים נצחיים של צורה מונפשת, כמו מטעים נצחיים של חיידקים אורגניים, שמהם מתפזרים חיים בצורת חיידקים אלה ביקום.
בשנת 1865, הרופא הגרמני ג' ריכטר העלה את ההשערה של קוסמוזואים
(חיידקים קוסמיים), לפיהם החיים הם נצחיים וניתן להעביר את החיידקים המאכלסים את המרחב העולמי מכוכב אחד למשנהו. השערה זו נתמכה על ידי מדענים בולטים רבים. קלווין, הלמהולץ ואחרים חשבו בצורה דומה. בתחילת המאה שלנו, Arrhenius הגה את הרעיון של רדיופנספרמיה. הוא תיאר כיצד חלקיקי חומר, חלקיקי אבק ונבגים חיים של מיקרואורגניזמים עוזבים את כוכבי הלכת המאוכלסים ביצורים אחרים לחלל העולם. הם שומרים על הכדאיות שלהם על ידי טיסה בחלל היקום עקב לחץ קל. פעם על כוכב עם תנאים מתאימים לחיים, הם מתחילים חיים חדשיםעל הפלנטה הזו.
כדי להצדיק פנספרמיה, משתמשים בדרך כלל בציורי מערות המתארים חפצים הדומים לרקטות או לאסטרונאוטים, או את המראה
עצם בלתי מזוהה. עַף חלליתהרס את האמונה בקיומם של חיים תבוניים על כוכבי לכת מערכת השמש, שהופיע לאחר הגילוי
ערוצי Schiaparelli על מאדים.
הרעיון של מקור החיים על פני כדור הארץ בעבר ההיסטורי כתוצאה מתהליכים המצייתים לחוקים פיסיקליים וכימיים
נכון לעכשיו, ההשערה לגבי מקור החיים על פני כדור הארץ, שנוסחה על ידי המדען הסובייטי Acad. א.י.
אופרין והמדען האנגלי ג'יי הלדאן. השערה זו מבוססת על ההנחה של הופעת חיים הדרגתית על פני כדור הארץ מחומרים אנאורגניים דרך אבולוציה מולקולרית אביוגנית (לא ביולוגית) ארוכת טווח. התיאוריה של A. I. Oparin היא הכללה של עדויות משכנעות להופעתם של חיים על פני כדור הארץ כתוצאה מתהליך קבוע של מעבר של הצורה הכימית של תנועת החומר לצורה ביולוגית.
יצירת תרכובות אורגניות פשוטות. עַל שלבים מוקדמיםבהיסטוריה שלו, כדור הארץ היה כוכב לכת לוהט. עקב סיבוב ב ירידה הדרגתיתטמפרטורות, אטומים של יסודות כבדים עברו למרכז, ובשכבות פני השטח רוכזו האטומים של יסודות קלים (מימן, פחמן, חמצן, חנקן), המרכיבים את גופם של אורגניזמים חיים. עם התקררות נוספת של כדור הארץ, הופיעו תרכובות כימיות: מים, מתאן, פחמן דו חמצני, אמוניה, מימן ציאניד, ו מימן מולקולרי, חמצן, חנקן. התכונות הפיזיקליות והכימיות של המים (מומנט דיפול גבוה, צמיגות, קיבולת חום וכו') ופחמן (קושי ביצירת תחמוצות, יכולת הפחתת ויצירת תרכובות ליניאריות) קבעו שהם נמצאים בערש החיים.
בשלבים ראשוניים אלו נוצרה האטמוספירה הראשונית של כדור הארץ, שלא הייתה בעלת אופי מחמצן, כפי שהיא כעת, אלא בעלת אופי מפחית.
חוץ מזה, היא הייתה עשירה. גזים אינרטיים(הליום, ניאון, ארגון). האווירה המקורית הזו כבר אבדה. במקום נוצרה אווירה שנייה.
כדור הארץ, המורכב מ-20% חמצן - אחד הגזים התגובתיים ביותר. האטמוספירה השנייה הזו היא תוצר של התפתחות החיים על פני כדור הארץ, אחת מהשלכותיה העולמיות.
ירידה נוספת בטמפרטורה הובילה למעבר של מספר תרכובות גזים למצב נוזלי ומוצק, וכן להיווצרות קרום כדור הארץ.
כאשר הטמפרטורה של פני כדור הארץ ירדה מתחת ל-100 מעלות צלזיוס, אדי המים התעבו. גשם שוטף ארוך עם סופות רעמים תכופות הוביל להיווצרות מאגרים גדולים. כתוצאה מפעילות געשית פעילה הועלתה הרבה מסה חמה אל פני השטח מהשכבות הפנימיות של כדור הארץ, כולל קרבידים - תרכובות של מתכות עם פחמן.
כאשר קרבידים יצרו אינטראקציה עם מים, בודדו תרכובות פחמימנים.
מי גשמים חמים, כממס טוב, הכילו פחמימנים מומסים, כמו גם גזים (אמוניה, פחמן דו חמצני, מימן ציאניד), מלחים ותרכובות אחרות שעלולות להיכנס לתגובות כימיות. בהצלחה מיוחדת, ככל הנראה, תהליכי הצמיחה של מולקולות התנהלו בנוכחות הקבוצה - N=C=N-. לקבוצה זו יש הזדמנויות כימיות גדולות לצמיחה הן בשל הוספת אטום חמצן לאטום הפחמן והן מהתגובה עם בסיס חנקני. אז התרכובות האורגניות הפשוטות ביותר הצטברו בהדרגה על פני השטח של כדור הארץ הצעיר. והצטבר בכמויות גדולות. חישובים מראים שרק באמצעות פעילות וולקנית על פני כדור הארץ יכלו להיווצר כ-1016 ק"ג של מולקולות אורגניות. זה רק 2-3 סדרי גודל פחות מהמסה של הביוספרה המודרנית.
מחקר ספקטרוסקופי של אטמוספרות כוכבים הראה את הנוכחות במה שנקרא כוכבים קרים, הכוללים
השמש, חלק ניכר מהפחמן הקשור למימן, והיווצרות הפחמימן הפשוט ביותר - מתין (CH). ייתכן שיחד עם מתין, כוכבים אלו מכילים גם תרכובות פחמימנים מורכבות יותר.
בינתיים, אין ספק שתרכובות אלו נוצרות בצורה אביוגנית, כלומר לא בשל פעילותם של אורגניזמים חיים.
כמו כן נמצאה תפוצה רחבה של פחמימנים באותם מקומות
יקום בו הטמפרטורה קרובה לאפס המוחלט. אין ספק בנוכחות מתאן (CH4) באטמוספירה של צדק, שבתאי, אורנוס, נפטון וכוכבי לכת אחרים, ובכמויות גדולות. נוכחותם של פחמימנים מורכבים למדי צויינה במספר מטאוריטים, שבהם לא ניתן היה לקבוע עקבות של נוכחות של יצורים חיים. לבסוף, סינתזה של פחמימנים יכולה להתבצע בניסוי בנוכחות קומפלקס של פיזיקליים מסוימים ו תנאים כימיים(טמפרטורה, לחץ, שדה חשמלי וכו').
לפיכך, היווצרות אביוגנית של תרכובות אורגניות - פחמימנים לא רק אפשרית, אלא גם נפוצה ביקום.
זה די הגיוני להניח שלכדור הארץ כבר בשלבים הראשונים של קיומו הייתה כמות מסוימת של פחמימנים.
הופעתן של תרכובות אורגניות מורכבות. השלב השני של הביוגנזה התאפיין בהופעה של תרכובות אורגניות מורכבות יותר, בפרט חלבונים, במימי האוקיינוס הראשוני. עקב טמפרטורה גבוהה, פריקות ברק, קרינה אולטרה סגולה מוגברת, מולקולות פשוטות יחסית של תרכובות אורגניות, בעת אינטראקציה עם חומרים אחרים, הפכו מורכבים יותר ויצרו פחמימות, שומנים, חומצות אמינו, חלבונים וחומצות גרעין.
האפשרות של סינתזה כזו הוכחה על ידי הניסויים של א.מ. באטלרוב, שבאמצע המאה הקודמת השיג פחמימות מפורמלדהיד
(סוכר). בשנים 1953-1957. כימאים של מדינות שונות (ארה"ב, ברית המועצות, גרמניה) במספר ניסויים מתערובת של גזים (אמוניה, מתאן, אדי מים, מימן) ב-70-80 מעלות צלזיוס ולחץ של מספר אטמוספרות בהשפעת פריקות חשמליות עם מתח של 60,000 וולט וקרניים אולטרה סגולות סונתזו חומצה אורגנית, כולל חומצות אמינו (גליצין, אלנין, אספרטיק ו חומצה גלוטמית), שהם החומר ליצירת מולקולת חלבון. כך נוצרו מודלים של תנאי האטמוספירה הראשונית של כדור הארץ, שבמסגרתם יכלו להיווצר חומצות אמינו, ובמהלך הפילמור שלהן יכלו להיווצר גם חלבונים ראשוניים.
ניסויים בכיוון זה התבררו כמבטיחים. נוסף
(כאשר משתמשים ביחסים אחרים של גזים ראשוניים וסוגי אנרגיה), מולקולות מורכבות יותר התקבלו ממולקולות פשוטות על ידי תגובת הפילמור: חלבונים, ליפידים, חומצות גרעין ונגזרותיהן, ובהמשך האפשרות לסנתז תרכובות ביוכימיות מורכבות אחרות, כולל חלבון מולקולות (אינסולין), בסיסים חנקניים של נוקלאוטידים. חשוב במיוחד שניסויי מעבדה הראו בהחלט אפשרות של היווצרות מולקולות חלבון בהיעדר חיים.
משלב מסוים בתהליך האבולוציה הכימית על פני כדור הארץ החל החמצן לקחת חלק פעיל. זה יכול להצטבר באטמוספירה
כדור הארץ כתוצאה מפירוק מים ואדי מים תחת פעולת קרני השמש האולטרה סגולות. (לקחו לפחות 1-1.2 מיליארד שנים להפיכת האטמוספירה המופחתת של כדור הארץ הראשוני לאטמוספירה מחומצנת.) עם הצטברות החמצן באטמוספירה, התרכובות המופחתות החלו להתחמצן. אז במהלך החמצון של מתאן נוצרו מתיל אלכוהול, פורמלדהיד, חומצה בורית וכו'. התרכובות שהתקבלו לא הושמדו בגלל תנודתיותן. כשהם עזבו את השכבות העליונות של קרום כדור הארץ, הם נפלו לאטמוספירה קרה לחה, שהגנה עליהם מפני הרס.
לאחר מכן, חומרים אלה, יחד עם גשם, נפלו לים, לאוקיינוסים ולאגני מים אחרים. מצטברים כאן, הם שוב נכנסו לתגובות, וכתוצאה מכך יותר חומרים מורכבים(חומצות אמינו ותרכובות כגון אדניטיס). על מנת שמומסים מסוימים יתקשרו זה עם זה, יש צורך בריכוז מספיק שלהם בתמיסה. חשוב גם שתרכובות אורגניות מורכבות יותר יהיו עמידות יותר להשפעות המזיקות של קרינה אולטרה סגולה מאשר תרכובות פשוטות.
ניתוח של הערכות אפשריות של כמות החומר האורגני שהצטבר באופן אנאורגני על פני כדור הארץ הקדום הוא מרשים: לפי חישובים מסוימים, נוצרו כמה קילוגרמים של תרכובות אורגניות על פני כל סנטימטר רבוע של פני כדור הארץ במשך מיליארד שנים.
אם כולם היו מומסים באוקיינוסים בעולם, אזי ריכוז התמיסה היה בערך 1%. זהו "מרק אורגני" מרוכז למדי. ב"מרק" כזה תהליך היווצרות של מולקולות אורגניות מורכבות יותר יכול להתפתח בצורה מוצלחת למדי. כך, מימי האוקיינוס הראשוני רוויים בהדרגה במגוון חומרים אורגניים, שנוצרו
"מרק ראשוני". פעילותם של הרי געש תת קרקעיים תרמה במידה רבה לרוויה של "מרק אורגני" כזה.
"מרק ראשוני" והיווצרות קואצרבטים. השלב הבא של ביוגנזה קשור לריכוז של חומרים אורגניים, הופעת גופי חלבון.
במימי האוקיינוס הראשוני גדל ריכוז החומרים האורגניים, הם התערבבו, קיימו אינטראקציה והתאחדו למבנים קטנים נפרדים של התמיסה. מבנים כאלה ניתן להשיג בקלות באופן מלאכותי על ידי ערבוב תמיסות של חלבונים שונים, כגון ג'לטין ואלבומין. המבנים הרב-מולקולריים האורגניים הללו מבודדים בתמיסה, המדען הרוסי המצטיין A.I. אופרין הנקרא טיפות קואצרבאט או קואסרבטים. Coacervates - החלקיקים הקולואידים הקטנים ביותר - טיפות בעלות תכונות אוסמוטיות. קואצרבטים נוצרים בתמיסות חלשות. עקב האינטראקציה של מטענים חשמליים מנוגדים, מתרחשת צבירה של מולקולות. חלקיקים כדוריים קטנים נוצרים מכיוון שמולקולות מים יוצרות ממשק סביב המצרף שנוצר.
מחקרים הראו שלקואסרבטים יש ארגון מורכב למדי ויש להם מספר תכונות המקרבות אותם למערכות החיים הפשוטות ביותר. למשל, הם מסוגלים לספוג חומרים שונים מהסביבה המקיימים אינטראקציה עם תרכובות הטיפה עצמה, ולהגדיל את גודלם. תהליכים אלה דומים במידה מסוימת לצורת ההטמעה העיקרית. יחד עם זאת, יכולים להתרחש תהליכי ריקבון ושחרור תוצרי ריקבון בקואסרבטים. היחס בין תהליכים אלו בקואצרבטים שונים אינו זהה. נבדלים מבנים יציבים יותר מבחינה דינמית עם דומיננטיות של פעילות סינתטית. עם זאת, כל זה עדיין לא נותן עילה לייחוס קואצרבטים למערכות חיות, מכיוון שאין להם יכולת להתרבות עצמית ולוויסות עצמית של סינתזה של חומרים אורגניים. אבל התנאים המוקדמים להופעתם של יצורים חיים כבר היו כלולים בהם.
Coacervates מסבירים כיצד נוצרו ממברנות ביולוגיות.
היווצרות מבנה ממברנה נחשבת לשלב ה"קשה" ביותר באבולוציה הכימית של החיים. נָכוֹן יצור חי(בצורת תא, אפילו הפרימיטיבי ביותר) לא יכול היה להתעצב לפני הופעת מבנה הממברנה והאנזימים. ממברנות ביולוגיות הן אגרגטים של חלבונים ושומנים שיכולים להפריד בין חומרים מהסביבה ולתת חוזק לאריזה של מולקולות. ממברנות עלולות להתעורר במהלך היווצרות קואצרבטים.
ריכוז מוגבר של חומרים אורגניים בקואצרבטים הגדיל את האפשרות לאינטראקציה בין מולקולות ואת הסיבוך של תרכובות אורגניות. קואצרבטים נוצרו במים כאשר שני פולימרים בעלי אינטראקציה חלשה באו במגע.
בנוסף לקואצרבטים, הצטברו פולינוקלאוטידים, פוליפפטידים וזרזים שונים ב"מרק הראשוני", שבלעדיהם היווצרות יכולת ההתרבות העצמית וחילוף החומרים בלתי אפשרית.
זרזים יכולים להיות חומרים אנאורגניים. לפיכך, ג'יי ברנאל העלה בזמנו השערה שהתנאים המוצלחים ביותר להופעתם של חיים היו בלגונות קטנות, רגועות וחמות עם כמות גדולה של סחף ועכירות חרסיתית. בסביבה כזו, פילמור חומצות אמינו ממשיך מהר מאוד; כאן אין צורך לחמם את תהליך הפילמור, מכיוון שחלקיקי הבוצה פועלים כסוג של זרזים.
הופעתן של צורות החיים הפשוטות ביותר. הבעיה העיקריתבדוקטרינה של מקור החיים היא להסביר את הופעתה של סינתזת חלבון מטריקס. החיים התעוררו לא כאשר נוצרו אפילו תרכובות אורגניות מורכבות מאוד, מולקולות דנ"א בודדות וכו', אלא כאשר החל לפעול מנגנון השכפול המתוכנן. לכן השלמת תהליך הביוגנזיס קשורה להופעת היכולת להתרבות עצמית בקואסרבטים עמידים יותר. חלקי מרכיבים, עם המעבר לסינתזת חלבון מטריקס, האופיינית לאורגניזמים חיים. במהלך הברירה הפרה-ביולוגית, לאותם קואצרבטים היה הסיכוי הגדול ביותר לשרוד, שבו יכולת חילוף החומרים משולבת עם היכולת להתרבות עצמית.
המעבר לסינתזת המטריצה של חלבונים היה הקפיצה האיכותית הגדולה ביותר באבולוציה של החומר. עם זאת, המנגנון של המעבר הזה עדיין לא ברור.
הקושי העיקרי כאן הוא שיש צורך בחלבונים אנזימטיים כדי לשכפל חומצות גרעין, וחומצות גרעין נחוצות ליצירת חלבונים. איך לשבור את ה"שרשרת הסגורה" הזו? במילים אחרות, יש צורך להסביר כיצד, במהלך הברירה הפרה-ביולוגית, יכולות ההתרבות העצמית של פולינוקלאוטידים בשילוב עם הפעילות הקטליטית של פוליפפטידים בתנאים של הפרדה מרחבית-זמנית של תוצרי התגובה הראשוניים והסופיים.
ישנן השערות שונות בנושא זה, אך כולן אינן שלמות איכשהו. עם זאת, נכון לעכשיו, המבטיחות ביותר כאן הן השערות המבוססות על עקרונות התיאוריה של ארגון עצמי, סינרגטיות, על מושג ההיפר-מרחבים, כלומר. מערכות המקשרות יחידות מתחדשות (אוטוקטליטיות) זו לזו באמצעות קשר מחזורי. במערכות כאלה, תוצר התגובה הוא גם הזרז או המגיב הראשוני שלו. לכן מתעוררת תופעת ההתרבות העצמית, שבשלבים הראשונים לא יכלה להיות העתקה מדויקת של היצירה האורגנית המקורית כלל. עצם קיומם של וירוסים ופאג'ים, שהם, ככל הנראה, שברי צורות של אבולוציה פרה-ביולוגית, מעיד על הקשיים בהיווצרות רבייה עצמית.
לאחר מכן, הבחירה הפרה-ביולוגית של coacervates המשיכה ככל הנראה בכמה כיוונים. ראשית, בכיוון של פיתוח היכולת לצבור פולימרים דמויי חלבון מיוחדים האחראים על האצת תגובות כימיות. כתוצאה מכך השתנה מבנה חומצות הגרעין לכיוון ה"כפל" השולט של מערכות שבהן בוצע שכפול של חומצות גרעין בהשתתפות אנזימים. בדרך זו נוצר חילוף חומרים מחזורי המאפיין יצורים חיים.
שנית, במערכת הקואצרבטים, הבחירה של חומצות הגרעין עצמן התבצעה לפי השילוב המוצלח ביותר של רצף הנוקלאוטידים. בדרך נוצרו גנים. מערכות רבייה עצמית עם רצף יציב של נוקלאוטידים בחומצת גרעין כבר יכולות להיקרא חיות.
יש עדיין אי ודאות רבות בבעיית מקור החיים, היא עדיין רחוקה מפתרונה הסופי. למשל, לא ברור מדוע לכל תרכובות החלבון המרכיבות חומר חי יש רק "סימטריה שמאלית". אילו מנגנונים של אבולוציה פרה-ביולוגית יכולים להוביל לכך?
התושבים הראשונים של הפלנטה שלנו היו הטרוטרופים וניזונו מחומרים אורגניים המומסים באוקיינוס הקדמון. ההתפתחות המתקדמת של אורגניזמים חיים ראשוניים סיפקה לאחר מכן קפיצת מדרגה עצומה כמו הופעתם של אוטוטרופים המשתמשים באנרגיה סולארית כדי לסנתז תרכובות אורגניות מהאי-אורגניות הפשוטות ביותר. כמובן שזה לא קרה מיד. חיבור מורכבכמו כלורופיל. בתחילה הופיעו פיגמנטים פשוטים יותר, שתרמו בעיקר לספיגה של חומרים אורגניים.
בהדרגה, באוקיינוס הקדמון, חומרים אורגניים שהצטברו בו באופן אביוגני החלו להתייבש. הופעתם של אורגניזמים אוטוטרופיים, בעיקר צמחים ירוקים, הבטיחה סינתזה מתמשכת נוספת של חומרים אורגניים, וכתוצאה מכך, קיום והתפתחות נוספת של חיים.
לאחר שקמו, החיים החלו להתפתח בקצב מהיר (האצת האבולוציה בזמן). לפיכך, ההתפתחות מפרוטוביונטים ראשוניים לצורות אירוביות דרשה כ-3 מיליארד שנים, בעוד שחלפו כ-500 מיליון שנים מאז הופעת צמחים ובעלי חיים יבשתיים; ציפורים ויונקים התפתחו מהחולייתנים היבשתיים הראשונים מזה 100 מיליון שנה, הפרימטים התפתחו תוך 12-15 מיליון שנה, ולקח בערך 3 מיליון שנים להיווצרותם של בני אדם.
האם חיים אפשריים על כדור הארץ עכשיו?
ממה שאנו יודעים על מקור החיים על פני כדור הארץ, ברור שתהליך הופעתם של אורגניזמים חיים מתרכובות אורגניות פשוטות היה ארוך ביותר. על מנת שמקורם של חיים על פני כדור הארץ, נדרש תהליך אבולוציוני שנמשך מיליוני שנים רבות, במהלכו נבחרו מבנים מולקולריים מורכבים, בעיקר חומצות גרעין וחלבונים, ליציבות, ליכולת להתרבות מהסוג שלהם.
אם כעת על כדור הארץ אי שם באזורים של פעילות געשית אינטנסיבית יכולות להיווצר תרכובות אורגניות מורכבות למדי, אזי ההסתברות לקיום ממושך של תרכובות אלו היא זניחה. הם יתחמצנו מיד או ישתמשו בהם על ידי אורגניזמים הטרוטרופיים. זה הבין היטב צ'.
דרווין: בשנת 1871 הוא כתב: "אבל עכשיו... במאגר חם כלשהו המכיל את כל מלחי האמוניום והזרחן הדרושים ונגיש לאור, חום, חשמל וכו', חלבון המסוגל להמשיך, יותר ויותר, טרנספורמציות מורכבות, אז החומר הזה ייהרס או ייספג מיד, מה שהיה בלתי אפשרי בתקופה שלפני הופעת היצורים החיים.
החיים נוצרו על פני כדור הארץ בצורה אביוגנית. כיום, החיים באים רק מהחיים (מקור ביוגני). האפשרות להתעוררות מחדש של חיים על פני כדור הארץ אינה נכללת. כעת יצורים חיים מופיעים רק באמצעות רבייה.
בִּיבּלִיוֹגְרָפִיָה:
1. Naidish V.M. מושגים של מדעי הטבע המודרניים. - מ.: גארדריקי,
1999. - 476 עמ'.
2. Slyusarev A.A. ביולוגיה עם גנטיקה כללית. - מ.: רפואה, 1978. -
3. ביולוגיה / Semenov E.V., Mamontov S.G., Kogan V.L. - M.: בוגר בית - ספר, 1984. - 352 עמ'.
4. ביולוגיה כללית / Belyaev D.K., Ruvinsky A.O. – מ.: נאורות, 1993.