Тема: «Гипотезы происхождения жизни»
Пусть лучше мой разум будет открыт сомнению,
чем ограничен убежденностью.
Д. Спенс
Цель: изучить основные аспекты современной теории возникновения жизни на Земле - гипотезы А.И.Опарина- Дж. Холдейна.
Задачи:
Сформировать у учащихся систему знаний об условиях и этапах возникновения жизни на Земле в ходе биохимической эволюции.
Совершенствовать у школьников умение сравнивать и анализировать различные гипотезы, правильно определять их по сущностным характеристикам.
Пробудить у учащихся интерес и позитивное отношение к биологической науке и поиску всеобъемлющей теории по проблеме возникновения жизни на Земле.
Убедить учащихся в неповторимости жизни как способа существования.
Ориентировочно-мотивационный этап:
Этап актуализации знаний.
Давайте попытаемся сформулировать понятие “жизнь” с точки зрения биологии. Затем на каждый стол раздаются и анализируются листы с определением жизни мыслителями разных эпох.
Жизнь – это
“питание, рост и одряхление” (Аристотель)
“стойкое единообразие процессов при различии внешних влияний” (Г. Тревиранус)
“совокупность функций, сопротивляющихся смерти” (М. Биша)
“химическая функция” (А. Лавуазье)
“сложный химический процесс” (И.П. Павлов)
“особая, очень сложная форма движения материи” (А.И. Опарин)
“способ существования белковых тел, основным атрибутом которого является обмен веществ” (Ф. Энгельс)
Учитель : Сегодня на уроке я предлагаю вам познакомиться с основыми гипотезами возникновения жизни на Земле.
Изучение нового материала:
Задание: На основе анализа текста раскрыть различия в подходах с религиозных и научных позиций.
2.Фронтальный опрос:
Задание: 1. Назовите основные идеи, объясняющие происхождение жизни на Земле?
Ответ: Метафизическая (жизнь создана Богом).
Теория панспермии (жизнь занесена из космоса).
Теория самозарождения.
Биохимическая гипотеза А.И. Опарина.
Гипотеза геологической вечности жизни
Заполнение схемы (по ходу беседы )
2. Все многообразие гипотез сводится к двум взаимоисключающим точкам зрения. Каким? Назовите их. (Ответ: Биогенез-«живое из живого». Абиогенез-« живое из неживого».)
3. Как долго существовали представления о самозарождении организмов. В чем заслуга Франческо Реди в этом вопросе? Ответ: Представления сохранялись до 19 века. Но в 17-18 веках ученные пытались с помощью опытов доказать невозможность самозарождения жизни. В 17 веке Франческо Реди проделал опыты: (Рис. № 1.)
Сырое мясо в закрытом горшке.
Сырое мясо в четырех сосудах было открыто, в 4х-прикрыто кисеёй. Кисея (ударение на букву «я»)- это легкая полупрозрачная хлопчатобумажная ткань. Результат: в открытых сосудах завелись личинки мясной мухи, а в закрытых самозарождения не произошло.
Ответ: Премия была учреждена за попытку осветить по-новому вопрос о зарождении жизни на Земле. Премию получил в 1862 году Луи Пастер. Опыт Пастера: в сосуде с S- образным горлышком бульон хранился долгое время и оставался стерильным, так как микроорганизмы оседали на стенках изогнутой трубки и в бульон не попадали. Однако стоило обмыть изгиб трубки бульоном, как начиналось гниение, вызванное микроорганизмами. Л.Пастер доказал невозможность самопроизвольного зарождения жизни.
Ответ: В20-е годы XXв. Русский учёный А.И.Опарин и англичанин Дж.Холдейн высказали гипотезу о возникновении жизни в процессе биохимической эволюции углеродных соединений, которая и легла в основу современных представлений. Эта гипотеза завоевала много сторонников, т.к. получила экспериментальное подтверждение. Стенли Миллер смоделировал условия, предположительно существовавшие в первичной атмосфере Земли и в созданной им установке получил аминокислоты и т.д.
Установка С.Миллера
Земля в момент зарождения жизни.
Учитель: Реакция Миллера указывает лишь на возможный принцип организации живого из неживого. «Химия жизни» только на первый взгляд однообразна.
Этап первичного усвоения знаний.
Итоги урока (оценка работы учащихся)
Учитель : Обратите внимание на слова, которые написаны на доске?
«Жизнь – это вечное познание. Бери свой посох и иди».
Как вы понимаете смысл этого выражения?
Ученик: Наверное, потому, что у каждого из нас своя дорога в жизни.
Учитель: Да. Конечно! У каждого из вас своя дорога в жизни. Все они будут разные. И может быть кто-то из вас станет ученым – биологом и разрешит проблему, которую мы старались решить на этом уроке. Хочется дать вам напутствие и выразиться словами матери Терезы. Мать Тереза (Агнесс Гонджа Бояджиу, родилась в г. Скопье, современная Югославия, годы жизни1910-1997 г.г.) – это женщина, которая неустанно занималась благотворительностью. Католическая монахиня, известная всему миру миссионерской деятельностью, в 1979 году была удостоена Нобелевской премией. Это имя уже стало именем нарицательным. Но мир помнит о ней.
«Жизнь – возможность, используйте ее,
Жизнь – красота, восхищайтесь ею,
Жизнь – мечта, осуществите ее,
Жизнь – игра, сыграйте ее».
Домашнее задание: изучить § 89-90, разработать и представить схему преобразований на планете при абиогенном происхождении жизни.
УРОК БИОЛОГИИ 11 КЛАСС
Тема: «Основные этапы развития жизни на Земле»
Сухой вдыхая воздух, водный житель
Найдёт на суше новую обитель.
Э.Дарвин
Цель: сформировать представления об этапах развития жизни на Земле.
Задачи: 1.Познакомить с гипотезами происхождения эукариот.
2. Продолжить формировать навыки моделирования, умения анализа схем и активного обсуждения проблемы.
3.Способствовать формированию научной картины мира в представлениях учащихся.
Ход урока:
Проверка знаний.
Беседа по вопросам:
Почему учённые считают гипотезу абиогенного зарождения жизни в процессе биохимической эволюции наиболее приемлемой? (Ответ: так она с научной точки зрения является наиболее разработанной )
Какая проблема в гипотезе абиогенного зарождения жизни является наиболее сложной? (Ответ: гипотеза не даёт ответ на вопрос – как произошел качественный скачок от неживого к живому )
Почему ученые считают, что открытия, сделанные при изучении РНК, могут дать ключ к решению проблемы возникновения жизни? (Ответ: некоторые РНК имеют явно выраженную каталитическую активность и способны к саморепродукции в отсутствии белковых ферментов. т.о. древняя РНК могла совмещать в себе каталитические и информационно-генетические функции, что обеспечивало макромолекулярной системе способность к саморепродукции. Если данное предположение верно, то, очевидно, что дальнейшая эволюция шла в направлении РНК-белок-ДНК).
Изучение нового материала.
Этап химической эволюции (содержание прошлого урока);
Этап предбиологической эволюции;
Биологический этап эволюции.
Знакомство с понятием: Биопоэз – это переход от неживого к живому.
Гипотеза Биопоэза сформулирована в 1947 году английским ученым Джоном Берналом.
Основные этапы биопоэза: (записать в тетрадь)
возникновение мембран у коацерватов,
возникновение способности к самовоспроизведению,
возникновение метаболизма,
возникновение фотосинтеза,
возникновение кислородного дыхания.
Задание: ученики работают парами. На каждый стол учитель выдает перечень вопросов. Каждая мини группа отвечает на вопросы. Ответ нужно найти в тексте учебника.
Каким образом образовались клеточные мембраны у коацерватов. Что в этом положительного? (Путем выстраивания молекул липидов на поверхности коацерватов. Это обеспечивало стабильность их формы)
Прочему стало возможна способность к самовоспроизведению у коацерватов? (Благодаря включению в состав коацерватов молекул нуклеиновых кислот )
Какой способ питания был у первых существ? Почему? (Способ питания – гетеротрофный, так как в водах первичного океана было много готовых органических веществ )
С чем была связана необходимость появления автотрофных организмов? (Численность живых организмов увеличивалась и конкуренция обострялась. У некоторых организмов возникла способность к синтезу органических веществ из неорганических. С использованием энергии солнца (фотосинтез) или энергии химической реакции, (хемосинтез) возникли автотрофы)
Почему первые живые организмы были анаэробными? (Вероятно, в водной среде еще отсутствовал кислород)
Почему возникло аэробное дыхание? (Аэробное дыхание возникло потому, что появление фотосинтеза привело к накоплению в атмосфере кислорода)
Почему стал возможен выход организмов из воды на сушу? (Первоначально жизнь развивалась в водах океана, так как ультрафиолетовое излучение губительно влияло на них. А появление озонового слоя в результате накопления кислорода в атмосфере создало предпосылки выхода на сушу).
Выполни задание: (индивидуальные листы, взаипомпроверка)
Их появления в ходе эволюции:
а) фотосинтез;
б) прокариоты;
в) дыхание;
г) хемосинтез;
д) абиогенный синтез мономеров;
е) эукариоты;
ж) образование наружной мембраны;
з) самовоспроизведение молекул;
и) брожение.
Изучи гипотезы происхождения эукариот. Дайте ответ на вопрос:
Первичное усвоение изученного.
Работа в группах. Используя раздаточный материал, смоделируйте клетки эукариот на этапах формирования:
1 группа - путём симбиотического образования клеток? (см рис. 144 на стр. 354 учебника).
2 группа - путем впячивания клеточной мембраны? (см рис. 143 на стр. 354 учебника)
Существует мнение : Переход от неживого к живому – биопоэз. Хотя живое использует далеко не все существующие элементы, но с теми, который «идут в дело», оно умеет распорядиться крайне хитроумно. Это приспособленность и связь между жизнью и её неживым субстратом поразительна. Видимо, такая изощрённость создавалась и совершенствовалась в течение миллиардов лет химической и органической эволюции. Английский химик Пири отразил это наглядной схемой, где эволюция живого представлена в виде двух конусов, напоминающих песочные часы. Нижний конус – преджизнь с химическим разнообразием элементов, которые участвуют в неорганическом синтезе преджизни с её структурной простотой. Верхний – развитая жизнь с её морфологическим разнообразием и небольшим набором биохимических реакций. При всей упрощенности этой схемы она отражает одну из главных способностей путей образования биосферы.
Обратим внимание на принципиальное различие живого и неживого.Эти различия связаны с симметрией. В 1848г. Луи Пастер вывел закон киральной чистоты: живое вещество состоит из кирально чистых структур. Киральная чистота – наличие объектов, не совместимых со своим зеркальнвм отражением (типа правой и левой руки, откуда и происхождение термина от греческого – «хирос» - рука). Белки живого построены только из «левых» (поляризующих свет влево) аминокислот, нуклеиновкые кислоты сложены исключительно из поляризующих свет вправо сахаров. Вещества небиогенного происхождения кирально симметричны – «левых и правых» молекул в них поровну. Киральная чистота обуславливает уникальную специфику живого, несводимость его к неживому. Синтезировать кирално чистые вещества в лабораторных условиях – пока нерешенная технологическая проблема.
Как могло произойти разделение живого и неживого? Эволюционный подход с его утверждением плавного и постепенного изменения ответа не даёт. Более вероятным оказывается предположение о скачкообразном («катастрофическом») характере этого уникального процесса, когда в предбиологической стадии химической эволюции была нарушена тенденция к установлению зеркальной симметрии между «правым и левым» - возникло живое с его особым качеством киральной чистоты. При этом, как на это указывает широкий географический разброс мест обнаружения «первожизни», такое событие имело настолько глобальный, повсеместный характер, что для «времени скачка» оказывалось таким же «обычным» явлением, как и в наши дни образование дождевых капель, снежинок, ржавчины. Событие такого масштаба произошло, вероятно, под воздействием космического фактора. Теоретические расчеты показали, что минимальное время такого перехода от равномерного распределения (киральной симметрии) и самоусиления (самоорганизации) к обретению киральной чистоты оценивается от одного до 10-15 млн. лет, то есть по (геологическим часам) это может быть названо мгновением.
Итоги урока: К какой гипотезе возникновения жизни вы склоняетесь? Почему?
Вывод: Современная наука убедительно доказывает принципиальную возможность синтеза основных биологических молекул в условиях, соответствующих началу истории Земли. Однако превращение неживого в живое требует радикального изменения свойств материи, а именно изменения симметрии. Механизмы возникновения киральной чистоты живых организмов даже в предбиологической стадии не ясны и загадочны. Важно подчеркнуть, что даже на начальной стадии процесс возникновения молекул жизни является самоорганизующимся. Знания начал жизни даёт ключ к пониманию последующих стадий развития живого.
Наибольшее признание и распространение в XX столетии получила гипотеза происхождения жизни на Земле, предложенная известным отечественным биохимиком академиком А. И. Опариным (1894-1980) и английским биохимиком Дж. Холдёйном (1892-1964). Суть их гипотезы, сформулированной ими независимо друг от друга в 1924-1928 гг. и развиваемой в последующее время, сводится к существованию на Земле продолжительного периода абиогенного образования большого числа органических соединений. Данные органические вещества насыщали воды древнейших океанов, сформировав (по представлениям Дж. Холдейна) так называемый «первичный бульон». Впоследствии в силу многочисленных процессов локальных обмелений и иссушений океанов концентрация «первичного бульона» могла возрастать в десятки и сотни раз. Эти процессы происходили на фоне интенсивной вулканической активности, частых грозовых разрядов в атмосфере и мощного космического излучения. В этих условиях могло происходить постепенное усложнение молекул органических веществ, появление простых белков, полисахаридов, липидов, нуклеиновых кислот. На протяжении многих сотен и тысяч лет они могли образовать сгустки органических веществ (коацерваты). В условиях восстановительной коацерваты не разрушались, происходило их постепенное усложнение, и в определенный момент развития из них могли образоваться первые примитивные организмы (пробионты). Эта гипотеза была принята и развита в дальнейшем многими учеными разных стран, ив 1947 г. английский ученый Джон Бернал сформулировал гипотезу биопоэза. Он выделил три основные стадии формирования жизни: 1) абиогенное возникновение органических мономеров; 2) формирование биологических полимеров; 3) развитие мембранных структур и первых организмов.
Рассмотрим кратко процессы и стадии биопоэза.
Первым этапом биопоэза стал ряд процессов, получивших название химической эволюции, приведшей к появлению пробионтов - первых живых существ. Продолжительность его разными учеными оценивается от 100 до 1000 млн. лет. Это предыстория жизни на нашей планете.
Абиогенный биосинтез органических соединений
Земля как планета возникла около 4,5 млрд. лет назад (по другим данным - около 13 млрд. лет назад, но они не имеют пока веских доказательств). Остывание Земли началось около 4 млрд. лет назад, а возраст земной коры оценивается примерно в 3,9 млрд. лет. К этому моменту образуются также океан и первичная атмосфера Земли. Земля в это время была достаточно разогретой за счет выделения тепла при затвердевании и кристаллизации компонентов коры и активной вулканической деятельности. долгое время находилась в парообразном состоянии, испаряясь с поверхности Земли, конденсируясь в верхних слоях атмосферы и вновь выпадая на раскаленную поверхность. Все это сопровождалось почти постоянными грозами с мощными электрическими разрядами. Позже начинают формироваться водоемы и первичные океаны. Древняя атмосфера Земли не содержала свободного кислорода и была насыщена вулканическими газами, в состав которых входили окислы серы, азота, аммиак, оксиды и двуокиси углерода, пары воды и ряд других компонентов. Мощное космическое излучение и излучение Солнца (озонового слоя в атмосфере еще не было), частые и сильные электрические разряды, активная вулканическая деятельность, сопровождавшаяся выбросами больших масс радиоактивных компонентов, привели к образованию органических соединений, таких, как формальдегид, муравьиная кислота, мочевина, молочная кислота, глицерин, глицин, некоторые простые аминокислоты и т. п. Поскольку свободного кислорода в атмосфере не было, то эти соединения не окислялись и могли накапливаться в теплых и даже кипящих водоемах и постепенно усложняться по строению, формируя так называемый «первичный бульон». Продолжительность этих процессов составляла многие миллионы и десятки миллионов лет. Так осуществился первый этап биопоэза - образование и накопление органических мономеров.
Этап полимеризации органических мономеров
Значительная часть образующихся мономеров разрушалась под действием высоких температур и многочисленных химических реакций, происходивших в «первичном бульоне». Летучие соединения переходили в атмосферу и практически исчезали из водоемов. Периодическое подсыхание водоемов приводило к многократному увеличению концентрации растворенных органических соединений. На фоне высокой химической активности среды происходили процессы усложнения этих соединений, и они могли вступать в соединения друг с другом (реакции конденсации, полимеризации и т. п.). Жирные кислоты, соединяясь со спиртами, могли образовывать липиды и формировать жировые пленки на поверхности водоемов. Аминокислоты могли соединяться друг с другом, образуя все более сложные пептиды. Могли образовываться и другие типы соединений - нуклеиновые кислоты, полисахариды и др. Первыми нуклеиновыми кислотами, как полагают современные биохимики, были небольшие цепи РНК, так как они, как и олигопептиды, могли синтезироваться в среде с высоким содержанием минеральных компонентов спонтанно, без участия ферментов. Реакции полимеризации могли заметно активироваться при значительном увеличении концентрации раствора (пересыхание водоема) и даже во влажном песке или при полном высыхании водоемов (возможность протекания таких реакций в сухом состоянии была показана американским биохимиком С. Фоксом). Последующие дожди растворяли молекулы, синтезированные на суше, и перемещали их с токами воды в водоемы. Такие процессы могли носить циклический характер, приводя к еще большему усложнению органических полимеров.
Формирование коацерватов
Следующим этапом в происхождении жизни стало образовывание коацерватов, то есть больших скоплений сложных органических полимеров. Причины и механизмы этого явления во многом еще не ясны. Коацерваты этого периода представляли еще механическую смесь органических соединений, лишенную каких-либо признаков жизни. В какой-то период времени между молекулами РНК и пептидами возникли связи, напоминающие реакции матричного синтеза белка. Однако до сих пор непонятно, каким образом РНК стала кодировать синтез пептидов. Позже появились молекулы ДНК, которые в силу наличия двух спиралей и возможности к более точному (по сравнению с РНК) самокопированию (репликации) стали главными носителями информации о синтезе пептидов, передавая эту информацию на РНК. Такие системы (коацерваты) уже напоминали , однако еще не являлись таковыми, так как не имели упорядоченной внутренней структуры, присущей живым организмам, и не были способны размножаться. Ведь определенные реакции синтеза пептидов могут происходить и в неклеточных гомогенатах.
Появление биологических мембран
Упорядоченные биологические структуры невозможны без биологических мембран. Поэтому следующим этапом в образовании жизни стало формирование именно этих структур, изолирующих и защищающих коацерваты от окружающей среды, превращающих их в автономные образования. Мембраны могли образоваться из липидных пленок, появлявшихся на поверхности водоемов. К молекулам липидов могли присоединяться пептиды, приносимые дождевыми потоками в водоемы или образовавшиеся в этих водоемах. При волнении водоемов или выпадении на их поверхность осадков могли возникать пузырьки, окруженные мембраноподобными соединениями. Для возникновения и эволюции жизни важны были те пузырьки, которые окружали коацерваты с белково-нуклеидными комплексами. Но и такие образования еще не были живыми организмами.
Возникновение пробионтов - первых самовоспроизводящихся организмов
В живые организмы могли превратиться только те коацерваты, которые были способны к саморегуляции и самовоспроизводству. Каким образом эти способности возникли - также пока неясно. Биологические мембраны обеспечили автономность и защиту коацерватам, что способствовало появлению существенной упорядоченности биохимических реакций, протекающих в этих телах. Следующим шагом стало появление самовоспроизводства, когда нуклеиновые кислоты (ДНК и/или РНК) стали не только обеспечивать синтез пептидов, но и с его помощью регулировать процессы самовоспроизводства и обмена веществ. Так возникла клеточная структура, обладающая обменом веществ и способностью к самовоспроизводству. Именно эти формы и смогли сохраниться в процессе естественного отбора. Так коацерваты превратились в первые живые организмы - пробионты.
Закончился этап химической эволюции, и наступил этап биологической эволюции уже живой материи. Произошло это 3,5-3,8 млрд. лет назад. Появление живой клетки - это первый крупнейший ароморфоз в эволюции органического мира.
Первые живые организмы были близки по строению к прокариотам, не имели еще прочной клеточной стенки и каких-то внутриклеточных структур (были покрыты биологической мембраной, внутренние изгибы которой выполняли функции клеточных структур). Возможно, первые пробионты имели наследственный материал, представленный РНК, а геномы с ДНК появились позже в процессе эволюции. Существует мнение, что дальнейшая эволюция жизни пошла от общего предка, от которого произошли первые прокариоты. Именно это обеспечило большое сходство строения всех прокариот, а впоследствии и эукариот.
Невозможность самозарождения жизни в современных условиях
Часто задают вопрос: почему не происходит самозарождение живых существ в настоящее время? Ведь если живые организмы не появляются сейчас, то на каком основании мы можем создавать гипотезы о происхождении жизни в далеком прошлом? Где критерий вероятности этой гипотезы? Ответы на данные вопросы могут быть следующими: 1) приведенная выше гипотеза биопоэза является во многом лишь логическим построением, она еще не доказана, содержит много противоречий и неясных моментов (хотя имеется очень много данных и палеонтологических, и экспериментальных, позволяющих предположить именно такое развитие биопоэза); 2) данная гипотеза при всей своей незавершенности тем не менее пытается объяснить возникновение жизни, исходя из конкретных земных условий, именно в этом и состоит ее ценность; 3) самообразование новых живых существ на современном этапе развития жизни невозможно по следующим причинам: а) органические соединения долгое время должны существовать в виде скоплений, постепенно усложняясь и преобразуясь; в условиях окислительной атмосферы современной Земли это невозможно, они будут быстро разрушены; б) в современных условиях существует множество организмов, способных очень быстро использовать даже незначительные скопления органических веществ для своего питания.
Гипотезы происхождения жизни
Происхождение жизни на Земле является одной из важнейших проблем естествознания. На протяжении десятков веков менялись взгляды на проблему жизни, высказывались разные идеи, гипотезы и концепции. Некоторые из них получили широкое распространение в разные периоды истории развития естествознания. В настоящее время существует пять гипотез возникновения жизни:
1. Креационизм – гипотеза, утверждающая, что жизнь создана сверхъестественным существом в результате акта творения. Имеет самую длинную историю. Основывается на наличии в живых организмах особой силы, «души», которая управляет всеми жизненными процессами.
2. Гипотеза стационарного состояния, согласно которой жизнь никогда не возникала, а существовала всегда. С изменением природных условий изменялись и виды: одни исчезали, другие появлялись. Основывается на исследовании палеонтологов.
3. Гипотеза самопроизвольного зарождения жизни, которая основывается на идее многократного возникновения жизни из неживого вещества, была выдвинута в древнем Китае и Индии как альтернатива креационизму. Эту гипотезу поддерживали Платон, Аристотель, Галилей, Декарт, Ламарк. Суть гипотезы: низшие живые организмы возникли из ила, сырой почвы, гниющего мяса. В опровержение этой гипотезы Ф.Реди сформулировал принцип: «Все живое – от живого», после того, как нашел причину появления червей на гниющем мясе. Л.Пастер своими опытами с вирусами окончательно доказал несостоятельность идеи спонтанного зарождения жизни.
4. Гипотеза панспермии, согласно которой жизнь была занесена на Землю из космического пространства. Впервые была высказана Г.Рихтером в конце 19 столетия. Данная концепция допускает возможность происхождения жизни в разное время в разных частях Вселенной и переносе ее различными путями на Землю (метеориты, астероиды, космическая пыль).
5. Гипотеза исторического происхождения жизни путем биохимической эволюции. Авторами являются А.Опарин и С.Холдейн. С точки зрения гипотезы А.Опарина, а также с позиций современной науки возникновение жизни из неживого вещества произошло в результате естественных процессов во Вселенной при длительной эволюции материи. А.Опарин выделил несколько этапов биохимической эволюции, конечной целью которых явилась примитивная живая клетка. Эволюция шла по схеме:
А) геохимическая эволюция планеты Земля, синтез простейших соединений, таких как СО2, NH3, H2O и т.д., переход воды из парообразного состояния в жидкое в результате постепенного охлаждения Земли. Эволюция атмосферы и гидросферы.
Б) образование из неорганических соединений органических веществ – аминокислот – и их накопление в первичном океане в результате электромагнитного воздействия Солнца, космического излучения и электрических разрядов.
В) постепенное усложнение органических соединений и образование белковых структур.
Г) выделение белковых структур из среды, образование водных комплексов и создание вокруг белков водной оболочки.
Д) слияние таких комплексов и образование коацерватов, способных обмениваться веществом и энергией с окружающей средой.
Е) поглощение коацерватами металлов, что привело к образованию ферментов, ускоряющих биохимические процессы.
Ж) образование гидрофобных липидных границ между коацерватами и внешней средой, что привело к образованию полупроницаемых мембран, которые обеспечивали сохранение стабильности функционирования коацервата.
З) выработка в ходе эволюции у этих образований процессов саморегуляции и самовоспроизведения.
По мнению академика В.Вернадского возникновение жизни связано с мощным скачком, который внес в эволюцию столько противоречий, что они создали условия для зарождения живой материи. Чрезвычайная сложность организации живой материи является доказательством того, что зарождение жизни является результатом длительного процесса биологической эволюции.
6. Современная теория биологической эволюции
Под эволюцией понимают одну из форм движения, для которой характерны постепенные, непрерывные, накапливающиеся перемены, приводящие к качественным сдвигам в развитии живой природы. В процессе становления эволюционной парадигмы выделяют три основных этапа:
· Первый этап – традиционная биология; наиболее яркий ее представитель – шведский ученый К.Линней.
· Второй этап – классическая теория биологической эволюции; создатель – английский естествоиспытатель Ч.Дарвин.
· Третий этап – синтетическая теория биологической эволюции. Ее содержание явилось результатом идей Ч.Дарвина и чешского ботаника, основателя генетики Г.Менделя.
Общетеоретической основой традиционной биологии, которая господствовала в биологической мысли с древнейших времен вплоть до XIX века, была концепция креационизма, исходившая из представления о единовременном возникновении всех форм жизни на Земле. Задачей традиционной биологии было построение классификации и систематизация всех живых существ. Самый значительный вклад в решение данной задачи внес К.Линней, создавший систему классификации живых организмов, которая вскрыла целостность, единство, взаимосвязь и преемственность организмов, что в свою очередь подвело ученых к мысли о том, что все многообразие форм живой природы является результатом биологической эволюции. Традиционная биология накапливает свой научный материал путем непосредственного наблюдения живой природы, поэтому она продолжается развиваться и в настоящее время.
Теория Ч.Дарвина стала результатом обобщения огромного количества разнообразных фактических данных. Объяснение Дарвиным процесса эволюции можно свести к следующим положениям:
1. Любой группе животных и растений свойственна изменчивость. Изменчивость одно из свойств, внутренне присущих живым организмам.
2. Число организмов каждого вида, рождающихся на свет, значительно больше того их числа, которое может найти себе пропитание, выжить и оставить потомство. Большая часть потомства в каждом поколении гибнет.
3. Поскольку рождается больше особей, чем может выжить, существует конкуренция, борьба за пищу и место обитания.
4. Наследственные изменения, облегчающие организму выживание в определенной среде, дают своим обладателям преимущество перед другими, менее приспособленными организмами. Выживающие особи дают начало следующему поколению и, таким образом, происходит отбор наиболее приспособленных представителей (естественный отбор).
Импульсом для формирования синтетической теории эволюции послужило открытие закона наследования и расшифровка структуры ДНК. Синтетическая теория эволюции по своему содержанию является синтезом дарвинизма и достижений молекулярной биологии. Суть теории заключается в представлении процесса эволюции как соревнования генетических программ, которое определяет индивидуальное развитие организмов. Причем важную роль в определении общего направления эволюции играет главное программирующее устройство, в качестве которого выступает биосфера в целом. Именно биосфера определяет скорость и направление эволюционного преобразования видов, входящих в ее состав.
Биоэтика
На первый взгляд кажется, что между этикой и биологией нет ничего общего. Ведь этика является отраслью социально-гуманитарного знания, исследующей идеальную сферу предписаний, норм и принципов человеческого поведения, в то время как биология – одна из естественных наук, познающая реальные факты, характеризующие сущность жизни. Тем не менее, связь между биологией и этикой есть. Ведь человек есть продукт длительной биологической эволюции. А одной из сторон эволюции является борьба за существование, в ходе которой применяются не только физические меры, но и психологические, в том числе и этические нормы.
Биоэтика как раз и занимается изучением психических процессов, которые, возникнув на ранних этапах эволюции живого, постепенно развивались и привели к появлению совокупности требований и принципов, именуемых человеческой этикой. Биоэтика по направлению своих интересов наиболее близко подходит к объекту исследования социально-гуманитарных наук, занимаясь изучением следующих основных проблем:
· Проблемы глубинных, биологических истоков этических принципов человеческого поведения, проявлений зачатков этих принципов в поведении живых организмов уже на ранних стадиях биологической эволюции.
· Разрешения на этой основе вопросов соотношения в этических принципах человека врожденного и приобретенного, биологического и социального и бессознательного.
· Разработки комплекса новых этических норм, актуальность которых связана с возможностью глубоких последствий для человека крупнейших открытий современной биологии, в частности генетики.
Сложные поведенческие программы, присущие животному миру, и нормы человеческой этики имеют единое биогенное происхождение. Основываясь на этом, биоэтика в качестве центральной идеи выдвигает мысль о том, что принципы человеческого поведения имеют не только социальные, но и биологические предпосылки. Биоэтика обнаруживает в нашем внутреннем мире и в нашем поведении, помимо форм, порожденных разумом, культурой, обществом, есть и формы, обусловленные древними генетическими программами, доставшимися нам от наших животных предков. Важным направлением современной биоэтики является поиск новых подходов к нравственной оценке таких феноменов как эвтаназия, нарушение половой определенности, клонирование.
Происхождения жизни вам известны?
3. В чем основной принцип научного метода?
Проблема возникновения жизни на нашей планете является одной из центральных в современном естествознании. С древнейших времен люди пытались найти ответ на этот вопрос.
Креационизм (лат, сгеatio - сотворение).
В разные времена у разных народов были свои представления о возникновении жизни. Свое отражение они нашли в священных книгах различных религий, которые объясняют возникновение жизни как акт Творца (воля Бога). Гипотезу божественного возникновения живого можно принять только на веру, так как ее нельзя экспериментально проверить или опровергнуть. Следовательно, она не может рассматриваться с научной точки зрения.
Гипотеза самопроизвольного зарождения жизни.
С античных времен и до середины XVII в. ученые не сомневались в возможности самопроизвольного зарождения жизни. Считалось, что живые существа могут появляться из неживой материи, например рыбы - из ила, черви - из почвы, мыши - из тряпок, мухи - из гнилого мяса, а также, что одни формы могут порождать другие, например из плодов могут образовываться и животные (см, с. 343).
Так, великий Аристотель, изучая угрей, установил, что среди них не встречаются особи с икрой или молоками. На основании этого он предположил, что угри рождаются из «колбасок» ила, образующихся от трения взрослой рыбы о дно.
Первый удар по представлениям о самозарождении нанесли эксперименты итальянского ученого Франческа Реди, который в 1668 г доказал невозможность самозарождения мух в гниющем мясе.
Несмотря на это, идеи самозарождения жизни сохранялись до середины XIX в. Только в 1862 г. французский ученый Луи Пастер окончательно опроверг гипотезу самозарождения жизни.
Работы Мастера позволили утверждать, что принцип «Все живое - из живого» справедлив для всех известных организмов на нашей планете но они не разрешали вопрос о происхождении жизни.
Гипотеза панспермии.
Доказанность невозможности самозарождения жизни породила другую проблему. Если для возникновения живого организма необходим другой живой организм, то откуда взялся первый живой организм? Это дало толчок к возникновению гипотезы панспермии, которая имела и имеет много сторонников, в том числе и среди видных ученых, Они считают, что впервые жизнь возникла не на Земле, а была занесена каким-то образом на нашу планету.
Однако гипотеза панспермии пытается лишь объяснить появление жизни на Земле. Она не отвечает на вопрос, как возникла жизнь.
Отрицание факта самозарождения жизни в настоящее время не противоречит представлениям о принципиальной возможности развития жизни в прошлом из неорганической материи.
Гипотеза биохимической эволюции.
В 20-е годы XX в русский ученый А И. Опарин и англичанин Дж. Холдейн высказали гипотезу о возникновении жизни в процессе биохимической эволюции углеродных соединений, которая и легла в основу современных представлении.
В 1924 г. А. И. Опарин опубликовал основные положения своей гипотезы происхождения жизни на Земле. Он исходил из того что в современных условиях возникновение живых существ из неживой природы невозможно. Абиогенное (т. е. без участия живых организмов) возникновение живой материи возможно было только в условиях древней атмосферы и отсутствия живых организмов.
По мнению А. И. Опарина, в первичной атмосфере планеты, насыщенной различными газами, при мощных электрических разрядах, а также под действием ультрафиолетового излучения (кислород в атмосфере отсутствовал и, следовательно, не было защитного озонового экрана, атмосфера была восстановительной) и высокой радиации могли образовываться органические соединения, которые накапливались в океане, образуя «первичный бульон».
Известно, что в концентрированных растворах органических веществ (белков, нуклеиновых кислот, липидов ) при определенных условиях могут образовываться сгустки, называемые коацерватными каплями, или коацерватами. Коацерваты в условиях восстановительной атмосферы не разрушались. Из раствора в них поступали химические вещества, в них шел синтез новых соединений, в результате чего они росли и усложнялись.
Коацерваты уже напоминали живые организмы, однако таковыми еще не были, так как не имели упорядоченной внутренней структуры, присущей живым организмам, и не были способны размножаться. Белковые коацерваты рассматривались А. И, Опариным как пробионты - предшественники живого организма. Он предполагал, что на определенном этапе белковые пробионты включили в себя нуклеиновые кислоты, создав единые комплексы.
Взаимодействие белков и нуклеиновых кислот привело к возникновению таких свойств живого, как самовоспроизведение, сохранение наследственной информации и ее передача последующим поколениям.
Пробионты, в которых обмен веществ сочетался со способностью к самовоспроизведению, можно уже рассматривать как примитивные проклетки.
В 1929 г. английский ученый Дж. Холдейн также выдвинул гипотезу абиогенного происхождения жизни, но согласно его взглядам первичной была не коарцерватная система, способная к обмену веществ с окружающей средой, а макромолекулярная система, способная к самовоспроизводству. Другими словами, А. И. Опарин отдавал первенство белкам, а Дж, Холдейн - нуклеиновым кислотам.
Гипотеза Опарина-Холдеина завоевала много сторонников, так как получила экспериментальное подтверждение возможности абиогенного синтеза органических биополимеров.
В 1953 г. американский ученый Стенли Миллер в созданной им установке (рис. 141) смоделировал условия, предположительно существовавшие в первичной атмосфере Земли. В результате опытов были получены аминокислоты. Сходные опыты многократно повторялись в различных лабораториях и позволили доказать принципиальную возможность синтеза в таких условиях практически всех мономеров основных биополимеров. В дальнейшем было установлено, что при определенных условиях из мономеров возможен синтез более сложных органических биополимеров: полипептидов, полинуклеоти- дов, полисахаридов и липидов.
Но гипотеза Опарина - Холдейна имеет и слабую сторону, на которую указывают ее оппоненты. В рамках данной гипотезы не удается объяснить главную проблему: как произошел качественный скачок от неживого к живому. Ведь для саморепродукции нуклеиновых кислот необходимы ферментные белки, а для синтеза белков - нуклеиновые кислоты.
Креационизм. Самопроизвольное зарождение. Гипотеза панспермии. Гипотеза биохимической эволюции. Коацерваты. Пробионты.
1. Почему представление о божественном происхождении жизни нельзя ни подтвердить, ни опровергнуть?
2. Каковы основные положения гипотезы Опарина - Холдейна?
3. Какие экспериментальные доказательства можно привести в пользу данной гипотезы?
4. В чем отличия гипотезы А. И. Опарина от гипотезы Дж. Холдейна?
5. Какие доводы приводят оппоненты, критикуя гипотезу Опарина - Холдейна?
Приведите возможные доводы «за» и «против» гипотезы панспермии.
Ч. Дарвин в 1871 г. писал: «Но если бы сейчас... в каком-либо теплом водоеме, содержащем все необходимые соли аммония и фосфора и доступном воздействию света, тепла, электричества и т. п., химически образовался белок, способный к дальнейшим, все более сложным превращениям, то это вещество немедленно было бы разрушено или поглощено, что было невозможно в период до возникновения живых существ».
Подтвердите или опровергните данное высказывание Ч. Дарвина.
В понимании сущности жизни и ее происхождения в культуре человеческой цивилизации издавна существуют две идеи - биогенеза и абиогенеза. Идея биогенеза (происхождения живого от живого) исходит из древних восточных религиозных построений, для которых обычной была мысль об отсутствии начала и конца природных явлений. Реальность вечной жизни для этих культур логически приемлема, так же как и вечность материи, Космоса.
Альтернативная идея – абиогенеза (происхождение живого из неживого) восходит к цивилизациям, существовавшим задолго до нашей эры в долинах рек Тигра и Ефрата. Эта область подвергалась постоянным наводнениям, и неудивительно, что она стала родиной катастрофизма, оказавшего через иудаизм и христианство влияние на европейскую цивилизацию. Катастрофы как бы прерывают связь, цепь поколений, предполагают ее творение, возникновение заново. В связи с этим в европейской культуре была распространена вера в периодическое самозарождение организма под влиянием естественных или сверхъестественных причин.
Каменский А. А., Криксунов Е. В., Пасечник В. В. Биология 10 класс
Отправлено читателями с интернет-сайта
Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию
Российская экономическая академия имени Г.В. Плеханова
Кафедра химии
По дисциплине «Концепции современного естествознания» на тему
«Концепции зарождения жизни на земле»
Студентка I курса
Общеэкономического факультета
Группа №9109 (дневное отделение)
ЗАДКОВА Е.Н.
Научный руководитель
Москва 1999
Введение …………………………………………………………………2
Концепция креационизма ……………………………………………..2
Концепция спонтанного зарождения жизни ………………………..2
Концепция стационарного состояния ……………………………….4
Концепция панспермии ………………………………………………..4
Концепция биохимической эволюции ……………………………….4
Возможно ли возникновение жизни на Земле сейчас? …………….8
Список использованной литературы ………………………………10
Введение
Вопросы о происхождении природы и сущности жизни издавна стали предметом интереса человека в его стремлении разобраться в окружающем мире, понять самого себя и определить свое место в природе. Происхождение жизни – одна из трех важнейших мировоззренческих проблем наряду с проблемой происхождения нашей Вселенной и проблемой происхождения человека.
Многовековые исследования и попытки решения этих вопросов породили разные концепции возникновения жизни:
Креационизм – божественное сотворение живого;
концепция многократного самопроизвольного (спонтанного) зарождения жизни из неживого вещества (ее придерживался еще
Аристотель, который считал, что живое может возникать и в результате разложения почвы);
концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда;
концепция панспермии – внеземного происхождения жизни;
5) концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам.
Концепция креационизма
Согласно креационизму, возникновение жизни на Земле не могло
осуществиться естественным, объективным, закономерным образом; жизнь
является следствием божественного творческого акта. Возникновение жизни
относится к определенному событию в прошлом, которое можно вычислить. В
1650 г. архиепископ Ашер из Ирландии вычислил, что Бог сотворил мир в
октябре 4004 г. до н.э., а в 9 часов утра 23 октября и человека. Это число
он получил из анализа возрастов и родственных связей всех упоминаемых в
Библии лиц. Однако к тому времени на ближнем Востоке уже была развитая
цивилизация, что доказано археологическими изысканиями. Впрочем, вопрос
сотворения мира и человека не закрыт, поскольку толковать тексты Библии
можно по-разному.
Концепция спонтанного зарождения жизни
Теория спонтанного зарождения жизни возникла в Вавилоне, Египте и Китае
как альтернатива креационизму. В ее основе лежит понятие о том, что под
влиянием естественных факторов живое может возникнуть из неживого,
органическое из неорганического. Она восходит к Эмпедоклу и Аристотелю:
определенные «частицы» вещества содержат некое «альтернативное начало»,
которое при определенных условиях может создать живой организм. Аристотель
считал, что активное начало есть в оплодотворенном яйце, солнечном свете,
гниющем мясе. У Демокрита начало жизни было в иле, у Фалеса – в воде, у
Анаксагора – в воздухе.
Аристотель на основе сведений о животных, которые поступали от воинов
Александра Македонского и купцов-путешественников, сформировал идею
постепенного и непрерывного развития живого из неживого и создал
представление о «лестнице природы» применительно к животному миру. Он не
сомневался в самозарождении лягушек, мышей и других мелких животных. Платон
говорил о самозарождении живых существ из земли в процессе гниения.
Идея самозарождения получила широкое распространение в средневековье и
эпоху Возрождения, когда допускалась возможность самозарождения не только
простых, но и довольно высокоорганизованных существ, даже млекопитающих
(например, мышей из тряпок). Например, в трагедии В. Шекспира «Антоний и
Клеопатра» Леонид говорит Марку Антонию: «Ваши египетские гады заводятся в
грязи от лучей вашего египетского солнца. Вот, например, крокодил...».
Известны попытки Парацельса разработать рецепты искусственного человека
(гомункулуса).
Гельмонт придумал рецепт получения мышей из пшеницы и грязного белья.
Бэкон тоже считал, что гниение – зачаток нового рождения. Идеи
самозарождения жизни поддерживали Галилей, Декарт, Гарвей, Гегель,
Против теории самозарождения в XVII в. выступил флорентийский врач
Франческо Реди. Положив мясо в закрытый горшок, Ф. Реди показал, что в
гнилом мясе личинки мясной мухи не самозарождаются. Сторонники теории
самозарождения не сдавались, они утверждали, что самозарождение личинок не
произошло по той лишь причине, что в закрытый горшок не поступал воздух.
Тогда Ф. Реди поместил кусочки мяса в несколько глубоких сосудов. Часть из
них он оставил открытыми, а часть прикрыл кисеей. Через некоторое время в
открытых сосудах мясо кишело личинками мух, тогда как в сосудах, прикрытых
кисеей, в гнилом мясе никаких личинок не было.
В XVIII в. теорию самозарождения жизни продолжал защищать немецкий математик и философ Лейбниц. Он и его сторонники утверждали, что в живых организмах существует особая «жизненная сила». По мнению виталистов (от лат. «вита» -- жизнь), «жизненная сила» присутствует всюду. Достаточно лишь вдохнуть ее, и неживое станет живым ».
Микроскоп открыл людям микромир. Наблюдения показывали, что в
плотно закрытой колбе с мясным бульоном или сенным настоем через некоторое
время обнаруживаются микроорганизмы. Но стоило прокипятить мясной бульон в
течение часа и запаять горлышко, как в запаянной колбе ничего не возникало.
Виталисты выдвинули предположение» что длительное кипячение убивает
«жизненную силу», которая не может проникнуть в запаянную колбу.
В XIX в. Даже Ламарк в 1809 г. писал о возможности самозарождения грибков.
С появлением книги Дарвина «Происхождение видов» вновь встал вопрос о том, как же все-таки возникла жизнь на Земле. Французская Академия наук в 1859 г. назначила специальную премию за попытку осветить по-новому вопрос о самопроизвольном зарождении. Эту премию в 1862 г. получил знаменитый французский ученый Луи Пастер.
Пастер провел эксперимент, соперничавший по простоте со знаменитым
опытом Реди. Он кипятил в колбе различные питательные среды, в которых
могли развиваться микроорганизмы. При длительном кипячении в колбе погибали
не только микроорганизмы, но и их споры. Помня об утверждении виталистов,
что мифическая «жизненная сила» не может проникнуть в запаянную колбу,
Пастер присоединил к ней S-образную трубку со свободным концом. Споры
микроорганизмов оседали на поверхности тонкой изогнутой трубки и не могли
проникнуть в питательную среду. Хорошо прокипяченная питательная среда
оставалась стерильной, в ней не наблюдалось самозарождения микроорганизмов,
хотя доступ воздуха (а с ним и пресловутой «жизненной силы») был обеспечен.
Так было доказано то, что в наше время какой бы то ни было организм может появиться только из другого живого организма.
Концепция стационарного состояния
Сторонники теории вечного существования жизни считают, что на вечно существующей Земле некоторые виды вынуждены были вымереть или резко изменить численность в тех или иных местах планеты из-за изменения внешних условий. Четкой концепции на этом пути не выработано, поскольку в палеонтологической летописи Земли есть некоторые разрывы и неясности. С идеей вечного существования жизни во Вселенной связана и следующая группа гипотез.
Концепция панспермии
Теория панспермии (гипотеза о возможности переноса Жизни во Вселенной с одного космического тела на другие) не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни и переносит проблему в другое место Вселенной. Либих считал, что «атмосферы небесных тел, а также вращающихся космических туманностей можно считать как вековечные хранилища оживленной формы, как вечные плантации органических зародышей», откуда жизнь рассеивается в виде этих зародышей во Вселенной.
В 1865 г. немецкий врач Г. Рихтер выдвинул гипотезу космозоев
(космических зачатков), в соответствии с которой жизнь является вечной и
зачатки, населяющие мировое пространство, могут переноситься с одной
планеты на другую. Эта гипотеза была поддержана многими выдающимися
учеными. Подобным образом мыслили Кельвин, Гельмгольц и др. в начале нашего
века с идеей радиопанспермии выступил Аррениус. Он описывал, как с
населенных другими существами планет уходят в мировое пространство частички
вещества, пылинки и живые споры микроорганизмов. Они сохраняют свою
жизнеспособность, летая в пространстве Вселенной за счет светового
давления. Попадая на планету с подходящими условиями для жизни, они
начинают новую жизнь на этой планете.
Для обоснования панспермии обычно используют наскальные рисунки с
изображением предметов, похожих на ракеты или космонавтов, или появления
НЛО. Полеты космических аппаратов разрушили веру в существование разумной
жизни на планетах солнечной системы, которая появилась после открытия
Скиапарелли каналов на Марсе.
Концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам
В настоящее время наиболее, широкое признание получила гипотеза о
происхождении жизни на Земле, сформулированная советским ученым акад. А. И.
Опариным и английским ученым Дж. Холдейном. Эта гипотеза исходит из
предположения о постепенном возникновении жизни на Земле из неорганических
веществ путем длительной абиогенной (небиологической) молекулярной
эволюции. Теория А. И. Опарина представляет собой обобщение убедительных
доказательств возникновения жизни на Земле в результате закономерного
процесса перехода химической формы движения материи в биологическую.
Образование простых органических соединений. На начальных этапах своей истории Земля представляла собой раскаленную планету. Вследствие вращения при постепенном снижении температуры атомы тяжелых элементов перемещались к центру, а в поверхностных слоях концентрировались атомы легких элементов (водорода, углерода, кислорода, азота), из которых и состоят тела живых организмов. При дальнейшем охлаждении Земли появились химические соединения: вода, метан, углекислый газ, аммиак, цианистый водород, а также молекулярный водород, кислород, азот. Физические и химические свойства воды (высокий дипольный момент, вязкость, теплоемкость и т. д.) и углерода (трудность образования окислов, способность к восстановлению и образованию линейных соединений) определили то, что именно они оказались у колыбели жизни.
На этих начальных этапах сложилась первичная атмосфера Земли,
которая носила не окислительный, как сейчас, а восстановительный характер.
Кроме того, она была богата инертными газами (гелием, неоном, аргоном). Эта
первичная атмосфера уже утрачена. На ее месте образовалась вторая атмосфера
Земли, состоящая на 20% из кислорода - одного из наиболее химически
активных газов. Эта вторая атмосфера - продукт развития жизни на Земле,
одно из его глобальных следствий.
Дальнейшее снижение температуры обусловило переход ряда газообразных
соединений в жидкое и твердое состояние, а также образование земной коры.
Когда температура поверхности Земли опустилась ниже 100°С произошло
сгущение водяных паров. Длительные ливни с частыми грозами привели к
образованию больших водоемов. В результате активной вулканической
деятельности из внутренних слоев Земли на поверхность выносилось много
раскаленной массы, в том числе карбидов - соединений металлов с углеродом.
При взаимодействии карбидов с водой выделялись углеводородные соединения.
Горячая дождевая вода как хороший растворитель имела в своем составе
растворенные углеводороды, а также газы (аммиак, углекислый газ, цианистый
водород), соли и другие соединения, которые могли вступать в химические
реакции. С особым успехом, видимо, протекали процессы роста молекул при
наличии группы - N= C= N-. У этой группы большие химические возможности к
росту за счет как присоединения к атому углерода атома кислорода, так и
реагирования с азотистым основанием. Так постепенно на поверхности молодой
планеты Земля накапливались простейшие органические соединения. Причем
накапливались в больших количествах. Подсчеты показывают, что только
посредством вулканической деятельности на поверхности Земли могло
образоваться около 1016 кг органических молекул. Это всего на 2-3 порядка
меньше массы современной биосферы.
Спектроскопическое изучение звездных атмосфер показало
присутствие в так называемых холодных звездах, к которым относится и
Солнце, значительной части углерода, связанного с водородом, и образование
простейшего углеводорода - метина (СН). Не исключено, что наряду с метином
в этих звездах присутствуют и более сложные углеводородные соединения.
Между тем не вызывает сомнений, что эти соединения образуются абиогенно, т.
е. не за счет деятельности живых организмов.
Широкое распространение углеводородов обнаружено и в тех местах
Вселенной, где температура близка к абсолютному нулю. Несомненно
присутствие метана (СН4) в атмосфере Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна и
других планет, причем в больших количества». Наличие довольно сложных
углеводородов отмечено в ряде метеоритов, в которых не удалось установить
никаких следов пребывания живых существ. Наконец, синтез углеводородов
может быть осуществлен в эксперименте при наличии комплекса определенных
физических и химических условий (температура, давление, электрическое поле
и др.).
Таким образом, абиогенное образование органических соединений -
углеводородов не только возможно, но и широко распространено во Вселенной.
Вполне логично предположить, что Земля уже на начальных этапах своего
существования обладала определенным количеством углеводородов.
Возникновение сложных органических соединений. Второй этап биогенеза характеризовался возникновением более сложных органических соединений, в частности белковых веществ в водах первичного океана. Благодаря высокой температуре, грозовым разрядам, усиленному ультрафиолетовому излучению относительно простые молекулы органических соединений при взаимодействии с другими веществами усложнялись и образовывались углеводы, жиры, аминокислоты, белки и нуклеиновые кислоты.
Возможность такого синтеза была доказана опытами А.М. Бутлерова,
который еще в середине прошлого столетия получил из формальдегида углеводы
(сахар). В 1953-1957 гг. химиками различных стран (США, СССР, Германии) в
целом ряде экспериментов из смеси газов (аммиака, метана, водяного пара,
водорода) при 70-80°С и давлении несколько атмосфер под воздействием
электрических разрядов напряжением 60 000 В и ультрафиолетовых лучей были
синтезированы органические кислоты, в том числе аминокислоты (глицин,
аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты), которые являются материалом
для образования белковой молекулы. Таким образом, были смоделированы
условия первичной атмосферы Земли, при которых могли образовываться
аминокислоты, а при их полимеризации - и первичные белки.
Эксперименты в этом направлении оказались перспективными. В дальнейшем
(при использовании других соотношений исходных газов и видов энергии) путем
реакции полимеризации из простых молекул получали более сложные молекулы:
белки, липиды, нуклеиновые кислоты и их производные, а позже была доказана
возможность синтеза в условиях лаборатории и других сложных биохимических
соединений, в том числе белковых молекул (инсулина), азотистых оснований
нуклеотидов. Особенно важно то, что лабораторные эксперименты совершенно
определенно показали возможность образования белковых молекул в условиях
отсутствия жизни.
С определенного этапа в процессе химической эволюции на Земле
активное участие стал принимать кислород. Он мог накапливаться в атмосфере
Земли в результате разложения воды и водяного пара под действием
ультрафиолетовых лучей Солнца. (Для превращения восстановленной атмосферы
первичной Земли в окисленную потребовалось не менее 1-1,2 млрд. лет.) С
накоплением в атмосфере кислорода восстановленные соединения начали
окисляться. Так, при окислении метана образовались метиловый спирт,
формальдегид, муравьиная кислота и т.д. Образующиеся соединения не
разрушались вследствие их летучести. Покидая верхние слои земной коры, они
попадали во влажную холодную атмосферу, что предохраняло их от разрушения.
В дальнейшем эти вещества вместе с дождем выпадали в моря, океаны и другие
водные бассейны. Накапливаясь здесь, они вновь вступали в реакции, в
результате чего возникали более сложные вещества (аминокислоты и соединения
типа аденита). Для того чтобы те или иные растворенные вещества вступали
между собой во взаимодействие, нужна достаточная концентрация их в
растворе. Важно и то, что более сложные органические соединения являются
более стойкими перед разрушающим действием ультрафиолетового излучения, чем
простые соединения.
Анализ возможных оценок количества органического вещества, которое
накопилось неорганическим путем на ранней Земле, впечатляет: по некоторым
расчетам за 1 млрд. лет над каждым квадратным сантиметром земной
поверхности образовалось несколько килограммов органических соединений.
Если их все растворить в мировом океане, то концентрация раствора была бы
приблизительно 1%. Это довольно концентрированный «органический бульон». В
таком «бульоне» мог вполне успешно развиваться процесс образования более
сложных органических молекул. Таким образом, воды первичного океана
постепенно насыщались разнообразными органическими веществами, образуя
«первичный бульон». Насыщению такого «органического бульона» в немалой
степени способствовала и деятельность подземных вулканов.
«Первичный бульон» и образование коацерватов. Дальнейший этап биогенеза связан с концентрацией органических веществ, возникновением белковых тел.
В водах первичного океана концентрация органических веществ увеличивалась, происходили их смешивание, взаимодействие и объединение в мелкие обособленные структуры раствора. Такие структуры можно легко получить искусственно, смешивая растворы разных белков, например желатина и альбумина. Эти обособленные в растворе органические многомолекулярные структуры выдающийся русский ученый А.И. Опарин назвал коацерватными каплями или коацерватами. Коацерваты - мельчайшие коллоидальные частицы - капли, обладающие осмотическими свойствами. Коацерваты образуются в слабых растворах. Вследствие взаимодействия противоположных электрических зарядов происходит агрегация молекул. Мелкие сферические частицы возникают потому, что молекулы воды создают вокруг образовавшегося агрегата поверхность раздела.
Исследования показали, что коацерваты имеют достаточно сложную организацию и обладают рядом свойств, которые сближают их с простейшими живыми системами. Например, они способны поглощать из окружающей среды разные вещества, которые вступают во взаимодействие с соединениями самой капли, и увеличиваться в размере. Эти процессы в какой-то мере напоминают первичную форму ассимиляции. Вместе с тем в коацерватах могут происходить процессы распада и выделения продуктов распада. Соотношение между этими процессами у разных коацерватов неодинаково. Выделяются отдельные динамически более стойкие структуры с преобладанием синтетической деятельности. Однако все это еще не дает основания для отнесения коацерватов к живым системам, потому что они лишены способности к самовоспроизведению и саморегуляции синтеза органических веществ. Но предпосылки возникновения живого в них уже содержались.
Коацерваты объясняют, как появились биологические мембраны.
Образование мембранной структуры считается самым «трудным» этапом
химической эволюции жизни. Истинное живое существо (в виде клетки, пусть
даже самой примитивной) не могло оформиться до возникновения мембранной
структуры и ферментов. Биологические мембраны - это агрегаты белков и
липидов, способные отграничить вещества от среды и придать упаковке молекул
прочность. Мембраны могли возникнуть в ходе формирования коацерватов.
Повышенная концентрация органических веществ в коацерватах увеличивала возможность взаимодействия между молекулами и усложнения органических соединений. Коацерваты образовывались в воде при соприкосновении двух слабо взаимодействующих полимеров.
Кроме коацерватов в «первичном бульоне» накапливались
полинуклеотиды, полипептиды и различные катализаторы, без которых
невозможно образование способности к самовоспроизведению и обмену веществ.
Катализаторами могли быть и неорганические вещества. Так, Дж. Берналом в
свое время была выдвинута гипотеза о том, что наиболее удачные условия для
возникновения жизни складывались в небольших спокойных теплых лагунах с
большим количеством ила, глинистой мути. В такой среде очень быстро
протекает полимеризация аминокислот; здесь процесс полимеризации не
нуждается в нагревании, так как частицы ила выступают в качестве
своеобразных катализаторов.
Возникновение простейших форм живого. Главная проблема в учении о происхождении жизни состоит в объяснении возникновения матричного синтеза белков. Жизнь возникла не тогда, когда образовались пусть даже очень сложные органические соединения, отдельные молекулы ДНК и др., а тогда, когда начал действовать механизм конвариантной редупликации. Именно поэтому завершение процесса биогенеза связано с возникновением у более стойких коацерватов способности к самовоспроизведению составных частей, с переходом к матричному синтезу белка, характерному для живых организмов. В ходе предбиологического отбора наибольшие шансы на сохранение имели те коацерваты, у которых способность к обмену веществ сочеталась со способностью к самовоспроизведению.
Переход к матричному синтезу белков был величайшим качественным
скачком в эволюции материи. Однако механизм такого перехода пока не ясен.
Основная трудность здесь состоит в том, что для удвоения нуклеиновых кислот
нужны ферментные белки, а для создания белков - нуклеиновые кислоты. Как
разорвать эту «замкнутую цепь»? Иначе говоря, нужно объяснить, как в ходе
предбиологического отбора объединились способности к самовоспроизведению
полинуклеотидов с каталитической активностью полипептидов в условиях
пространственно-временного разобщения начальных и конечных продуктов
реакции.
Существуют разные гипотезы на сей счет, но все они так или иначе не полны. Однако в настоящее время наиболее перспективными здесь являются гипотезы, которые опираются на принципы теории самоорганизации, синергетики, на представления о гиперщпслах, т.е. системах, связывающих самовоспроизводящиеся (автокаталитические) единицы друг с другом посредством циклической связи. В таких системах продукт реакции одновременно является и ее катализатором или исходным реагентом. Потому и возникает|йвление самовоспроизведения, которое на первых этапах вовсе могло и не быть точной копией исходного органического образования. О трудностях становления самовоспроизведения свидетельствует само существование вирусов и фагов, которые представляют собой, по-видимому, осколки форм предбиологической эволюции.
В последующем предбиологический отбор коацерватов, по-видимому, шел по нескольким направлениям. Во-первых, в направлении выработки способности накопления специальных белковоподобных полимеров, ответственных за ускорение химических реакций. В результате строение нуклеиновых кислот изменялось в направлении преимущественного «размножения» систем, в которых удвоение нуклеиновых кислот осуществлялось с участием ферментов. На этом пути и возникает характерный для живых существ циклический обмен веществ.
Во-вторых, в системе коацерватов происходил и отбор самих нуклеиновых кислот по наиболее удачному сочетанию последовательности нуклеотидов. На этом пути формировались гены. Самовоспроизводящиеся системы со сложившейся стабильной последовательностью нуклеотидов в нуклеиновой кислоте уже могут быть названы живыми.
В проблеме возникновения жизни еще много неопределенного, она еще далека от своего окончательного разрешения. Так, например, не ясно, почему все белковые соединения, входящие в состав живого вещества, имеют только «левую симметрию». Какие механизмы предбиологической эволюции могли к этому привести?
Первые обитатели нашей планеты были гетеротрофами и питались за счет органических веществ, растворенных в первородном океане. Прогрессивное развитие первичных живых организмов обеспечило в дальнейшем такой огромный скачок, как возникновение аутотрофов, использующих солнечную энергию для синтеза органических соединений из простейших неорганических. Разумеется, не сразу возникло такое сложное соединение, как хлорофилл. Первоначально появились более простые пигменты, способствовавшие усвоению прежде всего органических веществ.
Постепенно в первородном океане стали иссякать органические вещества, накопившиеся в нем абиогенным путем. Появление аутотрофных организмов, в первую очередь зеленых растений, обеспечило дальнейший непрерывный синтез органических веществ, а следовательно, существование и дальнейшее развитие жизни.
Возникнув, жизнь стала развиваться быстрыми темпами (ускорение эволюции во времени). Так, развитие от первичных протобионтов до аэробных форм потребовало около 3 млрд лет, тогда как с момента возникновения наземных растений и животных прошло около 500 млн лет; птицы и млекопитающие развились от первых наземных позвоночных за 100 млн лет, приматы выделились за 12-15 млн лет, для становления человека потребовалось около 3 млн лет.
Возможно ли возникновение жизни на Земле сейчас?
Из того, что мы знаем о происхождении жизни на Земле, ясно, что процесс возникновения живых организмов из простых органических соединений был крайне длительным. Чтобы на Земле зародилась жизнь, понадобился длившийся много миллионов лет эволюционный процесс, в течение которого сложные молекулярные структуры, прежде всего нуклеиновые кислоты и белки, прошли отбор на устойчивость, на способность к воспроизведению себе подобных.
Если сейчас на Земле где-нибудь в районах интенсивной
вулканической деятельности и могут возникнуть достаточно сложные
органические соединения, то вероятность сколько-нибудь продолжительного
существования этих соединений ничтожна. Они немедленно будут окислены или
использованы гетеротрофными организмами. Это прекрасно понимал еще Ч.
Дарвин: в 1871 г. он писал: «Но если бы сейчас... в каком-либо теплом
водоеме, содержащем все необходимые соли аммония и фосфора и доступном
воздействию света, тепла, электричества и т.п., химически образовался
белок, способный к дальнейшим, все более сложным превращениям, то это
вещество немедленно было бы разрушено или поглощено, что было невозможно в
период до возникновения живых существ».
Жизнь возникла на земле абиогенным путем. В настоящее время живое происходит только от живого (биогенное происхождение). Возможность повторного возникновения жизни на Земле исключена. Теперь живые существа появляются только вследствие размножения.
Список используемой литературы:
1. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. – М.: Гардарики,
1999. – 476 с.
2. Слюсарев А.А. Биология с общей генетикой. - М.: Медицина, 1978. –
3. Биология/ Семенов Э.В., Мамонтов С.Г., Коган В.Л. – М.: Высшая школа, 1984. – 352 с.
4. Общая биология/ Беляев Д.К., Рувинский А.О. – М.: Просвещение, 1993.