Теории возникновения жизни на земле. Происхождение жизни
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СЕРВИСА И ЭКОНОМИКИ
Кафедра «Прикладная физика»
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
по курсу: «Концепции современного естествознания»
по теме: « Гипотезы происхождения жизни»
Выполнила: студентка 1 курса
138 группы
Быкова И.Б.
Преподаватель: Найдёнова С.Н.
Выборг
2003 г.
С О Д Е Р Ж А Н И Е :
1. Введение …………………………………………………………. стр. 1
2. Концепции возникновения жизни ……………………………… стр. 2
3. Гипотеза происхождения жизни А.И. Опарина ……………….. стр. 5
4. Естественнонаучные представления о жизни и её эволюции … стр. 8
5. Геологические эры и эволюция жизни ………………………… стр. 10
6. Используемая литература ……………………………………….. стр. 12
ВВЕДЕНИЕ.
Одним из наиболее трудных и в тоже время интересных в современном естествознании является вопрос о происхождении жизни. Он труден потому, что, когда наука подходит к проблемам развития как создания нового, она оказывается у предела своих возможностей как отрасли культуры, основанной на доказательстве и экспериментальной проверке утверждений.
Учёные сегодня не в состоянии воспроизвести процесс возникновения жизни с такой же точностью, как это было несколько миллиардов лет назад. Даже наиболее тщательно поставленный опыт будет лишь модельным экспериментом, лишённым ряда факторов, сопровождавших появление живого на Земле. Трудность методологическая – в невозможности проведения прямого эксперимента по возникновению жизни (уникальность этого процесса препятствует использованию основного научного метода).
Жизнь на Земле представлена громадным разнообразием форм, которым присуща возрастающая сложность строения и функций. Всем живым организмам свойственны два признака: целостность и самовоспроизведение. В ходе индивидуального изменения (онтогенеза) организмы приспосабливаются к внешним условиям, а смена поколений приобретает эволюционно-исторический характер (филогенез). Организмы выработали способность к относительной независимости от внешней среды (автономность). Одно из главных свойств всякого живого организма - обмен веществ. Наряду с ним существенными признаками жизни являются раздражимость, рост, размножение, изменчивость, наследственность. Всякий живой организм как бы стремится к главному - воспроизведению себе подобных.
2. Концепции возникновения жизни.
Существует пять концепций возникновения жизни:
1. Жизнь была создана Творцом в определённое время – креационизм.
2. Жизнь возникла самопроизвольно из неживого вещества (её придерживался ещё Аристотель который считал, что живое может возникать и в результате разложения почвы).
3. Концепция стационарного состояния в соответствии с которой жизнь существовала всегда.
4. Концепция панспермии – внеземного происхождения жизни;
5. Концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов подчиняющихся физическим и химическим законам.
Согласно креационизму возникновение жизни относится к определённому 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.
Аристотель на основе сведений о животных, которые поступали от воинов Александра Македонского и купцов-путешественников, сформулировал 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.
С распространением христианства идеи самозарождения были объявлены еретическими, и долгое время о них не вспоминали. Гельмонт придумал рецепт получения мышей из пшеницы и грязного белья. Бэкон тоже считал, что гниение – зачаток нового рождения. Идеи самозарождения поддерживали Галилей, Декарт, Гарвей, Гегель, Ламарк.
В 1688 г. итальянский биолог Франческо Реди серией опытов с открытыми и закрытыми сосудами доказал, что появляющиеся в гниющем мясе белые маленькие черви – это личинки мух, и сформулировал свой принцип: всё живое – из живого . В 1860 г. Пастер показал, что бактерии могут быть везде и заражать неживые вещества, для избавления от них необходима стерилизация, получившая название пастеризации .
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 оживлённой формы, как вечные плантации органических зародышей», откуда жизнь рассеивается в виде этих зародышей во Вселенной.
Подобным образом мыслили Кельвин, Гельмгольц и др. в начале нашего века с идеей радиопанспермии выступил Аррениус. Он описывал, как с населённых другими существами планет уходят в мировое пространство частички вещества, пылинки и живые споры микроорганизмов. Они сохраняют свою жизнеспособность, летая в пространстве Вселенной за счёт светового давления. Попадая на планету с подходящими условиями для жизни, они начинают новую жизнь на этой планете.
Эту гипотезу поддерживали многие, в том числе русские учёные академики Сергей Павлович Костычев (1877-1931), Лев Семёнович Берг (1876-1950) и Пётр Петрович Лазарев (1878-1942).
Для обоснования панспермии обычно используют наскальные рисунки с изображением предметов, похожих на ракеты или космонавтов, или появления НЛО. Полёты космических аппаратов разрушили веру в существование разумной жизни на планетах солнечной системы, которая появилась после открытия Скиапарелли каналов на Марсе (1877). Но пока следов жизни на Марсе не найдено.
В конце 60-х годов вновь возрос интерес к гипотезам панспермии. Так, геолог Б.И.Чувашов (Вопросы философии. 1966) писал, что жизнь во Вселенной, по его мнению, существует вечно.
При изучении вещества метеоритов и комет были обнаружены многие «предшественники живого» – органические соединения, синильная кислота, вода, формальдегит, цианогены. Формальдегид, в частности, обнаружен в 60% случаев в 22 исследованных областях, его облака с концентрацией примерно 1 тысяча молекул в куб.см заполняют обширные пространства. В 1975 г. предшественники аминокислот найдены в лунном грунте и метеоритах. Сторонники гипотезы занесения жизни из космоса считают их «семенами», посеянными на Земле.
В представлениях о зарождении жизни в результате физико-химических процессов важную роль играет эволюция живой планеты. По мнению многих биологов, геологов и физиков, состояние Земли за время её существования всё время изменялось. В очень давние времена Земля была горячей планетой, её температура достигала 5-8 тысяч градусов. По мере остывания планеты тугоплавкие металлы и углерод конденсировались и образовывали земную кору, которая не была ровной из-за активной вулканической деятельности и всевозможных подвижек формирующегося грунта. Атмосфера первичной Земли сильно отличалась от современной. Лёгкие газы – водород, гелий, азот, кислород, аргон и другие – не удерживались пока недостаточно плотной планетой, тогда как их более тяжёлые соединения оставались (вода, аммиак, двуокись углерода, метан). Вода оставалась в газообразном состоянии, пока температура не упала ниже 100 о С.
Химический состав нашей планеты сформировался в результате космической эволюции вещества солнечной системы, в ходе которой возникли определённые пропорции количественных соотношений атомов. Поэтому современные данные о соотношении атомов химических элементов оказываются важными. Космическое обилие кислорода и водорода выразилось в обилии воды и её многочисленных окислов. Относительно более высокая распространённость углерода явилась одной из причин, определивших большую вероятность возникновения жизни. Обилие кремния, магния и железа способствовало образованию в земной коре и метеоритах силикатов. Источниками сведений о распространённости элементов служат данные о составе Солнца, метеоритов, поверхностей Луны и планет. Возраст метеоритов
примерно соответствует возрасту земных пород, поэтому их состав помогает восстановить химический состав Земли в прошлом и выделить изменения, вызванные появлением жизни на Земле.
Научная постановка проблемы возникновения жизни принадлежит Энгельсу, считавшему, что жизнь возникла не внезапно, а сформировалась в ходе эволюции материи. В этом же ключе высказался и К.А.Тимирязев: «Мы вынуждены допустить, что живая материя осуществлялась так же, как и все остальные процессы, путём эволюции… Процесс этот, вероятно, имел место и при переходе из неорганического мира в органический» (1912).
3. Гипотеза происхождения жизни А.И. Опарина
Еще Ч.Дарвин понял, что жизнь может возникнуть только при отсутствии жизни. 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». Гетеротрофные организмы, распространенные сейчас на земле, использовали бы вновь возникающие органические вещества. Поэтому возникновение жизни в привычных нам земных условиях невозможно.
Второе условие, при котором жизнь может возникнуть, - отсутствие свободного кислорода в атмосфере. Это важное открытие сделал русский ученый А.И.Опарин в 1924 г. (к такому же выводу в 1929 г. пришел английский ученый Дж.Б.С.Холдейн). А.И.Опарин высказал предположение, что при мощных электрических разрядах в земной атмосфере, которая 4-4,5 млрд. лет назад состояла из азота, водорода, углекислого газа, паров воды и аммиака, возможно, с добавкой синильной кислоты (ее обнаружили в хвостах комет), могли возникнуть простейшие органические соединения, необходимые для возникновения жизни. Поэтому возникающие на поверхности Земли органические вещества могли накапливаться, не окисляясь. И сейчас на нашей планете они накапливаются только в бескислородных условиях, так возникают торф, каменный уголь и нефть. Создатель материалистической гипотезы возникновения жизни на Земле, русский биохимик, академик Александр Иванович Опарин (1894-1980) посвятил всю свою жизнь проблеме происхождения живого.
Американский биолог Ж.Леб в 1912 г. первым получил из смеси газов под действием электрического разряда простейший компонент белков – аминокислоту глицин.
Возможно, кроме глицина он получил и другие аминокислоты, но в то время еще не было методов, позволяющих определить их малые количества.
Открытие Леба прошло незамеченным, поэтому первый абиогенный синтез органических веществ (т.е. идущий без участия живых организмов) из случайной смеси газов приписывают американским ученым С.Миллеру и Г.Юри. В 1953 г. они поставили эксперимент по программе, намеченной Опариным, и получили под действием электрических разрядов напряжением до 60 тыс. В, имитирующих молнию, из водорода, метана, аммиака и паров воды под давлением в несколько Паскалей при t=80С сложную смесь из многих десятков органических веществ. Среди них преобладали органические
(карбоновые) кислоты – муравьиная, уксусная и яблочная, их альдегиды, а также аминокислоты (в том числе глицин и аланин). Опыты Миллера и Юри были многократно проверены на смесях разных газов и при разных источниках энергии (солнечный свет, ультрафиолетовое и радиоактивное излучение и просто тепло). Органические вещества возникали во всех случаях. Полученные Миллером и Юри результаты побудили ученых различных стран заняться исследованиями возможных путей предбиологической эволюции. В 1957 году в Москве состоялся первый Международный симпозиум по проблеме происхождения жизни.
По данным, полученным в последнее время нашими учеными, простейшие органические вещества могут возникать и в космическом пространстве при температуре, близкой к абсолютному нулю. В принципе Земля могла бы получить абиогенные органические вещества и как приданое при возникновении.
В результате океан превратился в сложный раствор органических веществ (т.н. первичный океан), которым в принципе могли бы питаться анаэробные бактерии
(организмы, способные жить и развиваться при отсутствии свободного кислорода и получающие энергию для жизнедеятельности за счет расщепления органических или неорганических веществ). Кроме аминокислот в нем были и предшественники нуклеиновых кислот – пуриновые основания, сахара, фосфаты и др.
Однако низкомолекулярные органические вещества еще не жизнь. Основу жизни представляют биополимеры – длинные молекулы белков и нуклеиновых кислот, слагающиеся из звеньев – аминокислот и нуклеотидов. Реакция полимеризации первичных звеньев в водном растворе не идет, так как при соединении друг с другом двух аминокислот или двух нуклеотидов отщепляется молекула воды. Реакция в воде пойдет в обратную сторону. Скорость расщепления (гидролиза) биополимеров будет больше, чем скорость их синтеза. В цитоплазме наших клеток синтез биополимеров - сложный процесс, идущий с затратой энергии АТФ. Чтобы он шел, нужны ДНК, РНК и белки, которые сами являются результатом этого процесса. Ясно, что биополимеры не могли возникнуть сами в первичном океане.
Возможно, первичный синтез биополимеров шел при замораживании первичного океана или же при нагревании сухого его остатка. Американский исследователь С.У. Фокс, нагревая до 130С сухую смесь аминокислот, показал, что в этом случае реакция полимеризации идет (выделяющаяся вода испаряется) и получаются искусственные протеиноиды, похожие на белки, имеющие до 200 и более аминокислот в цепи. Растворенные в воде, они обладали свойствами белков, представляли питательную среду для бактерий и даже катализировали (ускоряли) некоторые химические реакции, как настоящие ферменты. Возможно, они возникали в предбиологическую эпоху на раскаленных склонах вулканов, а затем дожди смывали их в первичный океан. Есть и такая точка зрения, что синтез биополимеров шел непосредственно в первичной атмосфере и образующиеся соединения выпадали в первичный океан в виде частиц пыли.
Следующий предполагаемый этап возникновения жизни – протоклетки. А.И. Опарин показал, что в стоящих растворах органических веществ образуются коацерваты – микроскопические «капельки», ограниченные полупроницаемой оболочкой – первичной мембраной. В коацерватах могут концентрироваться органические вещества, в них быстрее идут реакции, обмен веществ с окружающей средой, и они даже могут делиться, как бактерии. Подобный процесс наблюдал при растворении искусственных протеиноидов Фокс, он назвал эти шарики микросферами.
В протоклетках вроде коацерватов или микросфер шли реакции полимеризации нуклеотидов, пока из них не сформировался протоген – первичный ген, способный катализировать возникновение определенной аминокислотной последовательности - первого белка. Вероятно, первым таким белком был предшественник фермента, катализирующего синтез ДНК или РНК. Те протоклетки, в которых возник примитивный механизм наследственности и белкового синтеза, быстрее делились и забрали в себя все органические вещества первичного океана. На этой стадии шел уже естественный отбор на скорость размножения; любое усовершенствование биосинтеза подхватывалось, и новые протоклетки вытесняли все предыдущие.
Последние этапы возникновения жизни – происхождение рибосом и транспортных РНК, генетического кода и энергетического механизма клетки с использованием АТФ – еще не удалось воспроизвести в лаборатории. Все эти структуры и процессы имеются уже у самых примитивных микроорганизмов, и принцип их строения и функционирования не менялся за всю историю Земли. Поэтому заключительный этап происхождения жизни мы можем пока реконструировать только предположительно – до тех пор, пока его не удастся воссоздать в экспериментах.
Пока можно лишь утверждать, что на возникновение жизни в земном варианте потребовалось относительно мало времени – менее одного млрд. лет. Уже 3,8 млрд. лет назад существовали первые микроорганизмы, от которых произошло все многообразие форм земной жизни.
Жизнь возникла на земле абиогенным путем. В настоящее время живое происходит только от живого (биогенное происхождение). Возможность повторного возникновения жизни на земле исключена.
4. Естественнонаучные представления о жизни и её эволюции
Дарвин вскрыл движущие силы эволюции живой природы. Он попытался понять и объяснить действительную природу внутренних противоречий органического мира. Его теория не только объясняет характер этих противоречий, но и указывает пути, по которым они разрешаются в мире животных и растений.
Значительное место во всех трудах Дарвина, и в частности, в «Происхождении видов», занимают доказательства самого факта органической эволюции.
Сейчас общепризнанно, что в основе всего живого лежат сходные химические соединения группы белков, среди которых особое положение имеют нуклеопротеиды. Это - соединения белковых тел и нуклеиновых кислот. Нуклеопротеиды составляют основной компонент клеточного ядра растений и животных. Исследования в области молекулярной биологии показали, что нуклеиновые кислоты ответственны за многие важные процессы жизнедеятельности организмов. При этом особую роль играют макромолекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и рибонуклеиновой кислоты. (РНК). Молекула ДНК во взаимодействии с другими субстанциями клетки определяет синтез белка и ферментов, регулирующих обмен веществ в организме. Белки и нуклеопротеиды (в особенности ДНК и РНК) являются обязательной составной частью всех биологических организмов. Следовательно, с точки зрения химической эволюции они лежат в основе жизни всех известных на Земле биологических форм.
Помимо этого между неживой и живой природой существует извечная, непрерывная связь. «Между косным и живым веществом есть - непрерывная, никогда не прекращающаяся связь, которая может быть выражена как непрерывный биогенный ток атомов из живого вещества в косное вещество биосферы, и обратно. Этот биогенный ток атомов вызывается живым веществом. Он выражается в непрекращающемся никогда дыхании, питании, размножении и т. п.».
На единство живой природы указывает и дифференцированность тела животных и растений. Таким образом, единство мира организмов проявляется как в их химическом составе, так и в строении, и функционировании. Этот факт не мог ускользнуть от внимания естествоиспытателей. Идея сходства живых организмов привела Ж. Кювье к учению о типах животного царства. В дальнейшем она получила разработку в трудах К. Бэра, Э. Геккеля, А. О. Ковалевского, И. И. Мечникова, которые доказывали, что сходство животных не может быть объяснено иначе, как общностью их происхождения.
На единство органического мира указывает и существование так называемых промежуточных форм, к которым относятся животные и растения, занимающие переходное, промежуточное положение между крупными таксонами.
В органическом мире нет жестких границ между его подразделениями. В то же время границы между видами всегда реальны. Дарвин уделяет большое место проблеме вида и видообразования. Не случайно в заглавие его труда вынесены слова «происхождение видов». Как важнейшая единица систематизации вид занимает центральное место в эволюционной теории. Задачей эволюционной теории является объяснение механизма возникновения жизни и изменения реальных видов животных и растений, населяющих Землю.
Доказательством эволюции служит и сходство органов животных, выражающееся в их положении, соотношении в общем плане строения и в развитии из сходного зачатка зародыша. Сходные органы называются гомологичными органами. Эволюционная теория объясняет сходство органов общностью происхождения сравниваемых форм, тогда как сторонники креационистских концепций истолковывали это сходство как волю творца,
создававшего группы животных по определенному плану.
Подтверждением идеи эволюции является отражение истории развития организмов на их строении и на процессах зародышевого развития, а также географическое распространение организмов.
Особое место в разработке и углублении эволюционных представлений занимает генетика. Представления о неизменности генов начинают преодолеваться в 20-30-е годы XX в. в связи с возникновением популяционной, эволюционной генетики. Выяснение структуры популяций позволило по-новому посмотреть на эволюционные процессы, разыгрывающиеся на популяционном уровне. Генетика дала возможность проследить основные этапы эволюционного процесса от появления нового признака в популяции до возникновения нового вида. Она принесла в исследование внутривидового, микроэволюционного уровня точные экспериментальные методы.
Элементарная единица наследственности - ген, представляющий собой участок молекулы ДНК, который определяет развитие элементарных признаков особи. Элементарная эволюционная единица должна отвечать следующим требованиям: конечности деления;
способности наследственного изменения в смене биологических поколений; реальности и конкретности существования в естественных условиях. Такой единицей эволюции считается популяция - элементарная единица эволюционного процесса, а наследственное изменение популяции представляет собой элементарное эволюционное явление. Оно отражает изменение генотипической структуры популяции. Ген подвержен мутациям - наследственным изменениям отдельных особей. Мутация - дискретное
изменение кода наследственной информации особи. Различают генные, хромосомные, геномные, а также внеядерные типы мутаций.
Процесс возникновения мутаций поддерживает очень высокую степень генетической разнородности природных популяций. Но, выполняя роль «поставщика» элементарного материала, сам мутационный процесс не направляет ход эволюционных изменений, он обладает вероятностным, статистическим характером.
Закономерности эволюции находят свое выражение в жизни отдельного индивида, но движущие силы эволюции содержатся внутри системы индивидов, в данном случае популяции. Разрешение противоречий популяции служит основой всей эволюции и при этом определяет преобразование организма как составной части популяции. Отношения между организмами в популяции носят сложный характер. Их изучение затрудняется тем, что помимо внутрипопуляционных взаимодействий организмы испытывают влияние со стороны других популяций, других видов и еще шире - условий окружающей среды.
5. Геологические эры и эволюция жизни
Под влиянием эволюционной теории и геологам пришлось пересмотреть свои представления об истории нашей планеты. Органический мир развивался в течении миллиардов лет вместе с той средой, в которой ему приходилось существовать, т.е. вместе с Землёй. Поэтому эволюцию жизни невзможно понять без эволюции Земли, и наоборот. Брат А.О. Ковалевского Владимир Ковалевский (1842-1883) положил эволюционную теорию в основу палеонтологии – науки об ископаемых организмах.
Первые следы органических остатков геологи обнаруживают уже в древнейших отложениях, относящихся к протерозойской геологической эре , охватывающей огромный промежуток времени – 700 млн лет. Земля в тот период была почти сплошь покрыта океаном. В нём обитали бактерии, простейшие водоросли, примитивные морские животные. Эволюция тогда шла настолько медленно, что проходили десятки миллионов лет, пока органический мир сколько-нибудь заметно изменялся.
В палеозойскую эру (продолжительностью около 365 млн лет) эволюция всего живого шла уже более быстрыми темпами. Образовались большие пространства суши, на которой появились наземные растения. Особенно бурно развивались папоротники: они образовывали гигантские дремучие леса. Морские животные тоже усовершенствовались, что привело к образованию огромных панцирных рыб. В каменноугольном (карбоновом) периоде, на который падает расцвет палеозойской фауны и флоры, появились земноводные. А в пермский период, завершавший палеозойскую эру и начинавший мезозойскую (она удалена от нас на 185 млн лет) появились пресмыкающиеся.
Ещё быстрее животный и растительный мир Земли стал развиваться в мезозойскую эру . Уже в самом её начале пресмыкающиеся стали господствовать на суше. Появились и первые млекопитающие – сумчатые. Всеобщее распространение получили хвойные деревья, возникли разнообразные птицы и млекопитающие.
Около 70 млн лет назад наступила кайнозойская эра . Виды млекопитающих и птиц продолжали совершенствоваться. В растительном мире преобладающая роль перешла к цветковым. Сформировались виды животных и растений, которые обитают на Земле и сейчас.
С возникновением человека около 2 млн лет назад начинается нынешний период кайнозойской эры – четвертичный или антропоген . Человек в геологическом масштабе времени – совершенный младенец. Ведь 2 млн лет для природы – чрезвычайно малый срок. Наиболее значительным событием в кайнозойской эре стало возникновение большого числа культурных растений и домашних животных. Все они – результат творческой деятельности человека, разумного существа, способного к целенаправленной деятельности.
Если Дарвин, разрабатывая теорию эволюции, изучал опыт селекционеров, то вооружённые научной теорией селекционеры научились выводить новые сорта значительно быстрее и целенаправленнее. Здесь особая роль принадлежит российскому учёному Н.И.Вавилову (1887-1943), разработавшему учение о происхождении культурных растений. Эволюция живого продолжается, но уже под влиянием человека.
Мы знаем теперь, что целесообразность органических форм – это не нечто наперёд данное, а результат долгого и сложного процесса развития материи, и, следовательно, целесообразность органических форм относительна. Человек теперь активно изменяет живую природу. Возрастающее вмешательство человека в природные процессы порождает новые серьёзные проблемы, которые могут быть решены лишь при условии, что сам человек возьмёт на себя заботу об окружающей природе, о сохранении тех тонких
соотношений в биосфере , которые сложились в ней за миллионы лет эволюции жизни на Земле.
Учение о биосфере было создано замечательным учёным В.И. Вернадским (1863-1945). Под биосферой учёный понимал ту тонкую оболочку Земли, в которой процессы протекают под прямым воздействием живых организмов.
Биосфера находится на стыке всех других оболочек Земли – литосферы, гидросферы и атмосферы и играет важнейшую роль в обмене веществ между ними. Огромные количества кислорода, углерода, азота, водорода и других элементов постоянно проходят через живые организмы Земли. В.И.Вернадский показал, что нет практически ни одного элемента в таблице Менделеева, который не включался бы в живое вещество планеты и не выделялся из него при его распаде. Поэтому лик Земли как небесного тела фактически сформирован жизнью. Вернадский впервые показал, какую решающую геологическую роль играло на нашей планете живое вещество.
Вернадский акцентировал внимание и на огромной геологической роли человека. Он показал, что будущее биосферы – это ноосфера , т.е. сфера разума. Учёный верил в силу человеческого разума, верил в то, что все активнее вторгаясь в природные эволюционные процессы, человек сумеет направить эволюцию живого таким образом, чтобы сделать нашу планету ещё прекраснее и богаче.
ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Т.Я.Дубнищева «Концепция современного естествознания» учебник., М., 2000 г.
2. С.Х.Карпенков «Концепции современного естествознания». М., «Высшая школа» 2000 г.
3. А.А.Горелов «Концепции современного естествознания». М. «Центр» 1998 г.
4. А.И.Опарин «Жизнь, её природа, происхождение и развитие» М. 1960 г.
5. Поннамперума С. «Происхождение жизни», М., «Мир», 1977 г.
6. Йосип Клечек Вселенная и земля – М. Артия 1985
7. Кесарев В.В. Эволюция вещества во вселенной – М. Атомиздат 1976
ВВЕДЕНИЕ. РАЗДЕЛ 1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ.
1.1Креационизм.
1.2Гипотеза самопроизвольного зарождения.
1.3Теория стационарного состояния.
1.4Гипотеза панспермии.
РАЗДЕЛ 2. БЕЛКОВО-КОАЦЕРВАТНАЯ ТЕОРИЯ А.И. ОПАРИНА.
2.1 Суть теории.
2.2 Александр Иванович Опарин.
2.3 Истоки химической эволюции «Первичный бульон».
2.4 Стадии процесса возникновения жизни.
РАЗДЕЛ 3. НЕОБХОДИМОСТЬ ИСЛЕДОВАНИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИЗНИ.
РАЗДЕЛ 4. СОВРЕМЕННЫЕ ВВОЗРЕНИЯ НА ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
ЛИТЕРАТУРА.
ВВЕДЕНИЕ
Вопрос о зарождении жизни на Земле и вероятности её существования на прочих планетах Вселенной издавна привлекал интерес как ученых и философов, так и простых людей. В последние годы внимание к данной «вечной проблеме» значительно увеличился.
Это обусловлено двумя обстоятельствами: во-первых, значительными успехами в лабораторном моделировании некоторых этапов эволюции материи, приведшей к зарождению жизни, и, во-вторых, стремительным развитием космических исследований, делающих все более реальным действительный поиск каких-либо форм жизни на планетах Солнечной системы, а в будущем и за её пределами.
Происхождение жизни - один из самых таинственных вопросов, исчерпывающий ответ, на который вряд ли когда-нибудь будет получен. Множество гипотез и даже теорий о возникновении жизни, объясняющих различные стороны этого явления, неспособны пока что преодолеть существенное обстоятельство - экспериментально подтвердить факт появления жизни. Современная наука не располагает прямыми доказательствами того, как и где возникла жизнь. Существуют лишь логические построения и косвенные свидетельства, полученные путем модельных экспериментов, и данные в области палеонтологии, геологии, астрономии и т.п.
При этом вопрос о происхождении жизни еще окончательно не решен. Существует множество гипотез происхождения жизни.
В разное время и в разных культурах рассматривались следующие идеи:
Креационизм (жизнь была создана Творцом);
Самопроизвольное зарождение (самозарождение;жизнь возникла неоднократно из неживого вещества);
Гипотеза стационарного состояния (жизнь существовала всегда);
Гипотеза панспермии (жизнь занесена на Землю с других планет);
Биохимические гипотезы (жизнь возникла в земных условиях в ходе процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам, т.е. в результате биохимической эволюции);
Цель работы - рассмотреть основные теории происхождения жизни на Земле.
Важно отметить, что для выполнения цели рассматриваются такие задачи:
Рассмотреть основные теории
Креационизм
Теория самопроизвольного зарождения жизни
Теория стационарного состояния
Гипотеза пансермии
Исследовать основную белково-коацерватную теорию А.И. Опарина
Ознакомиться с биографией А.И. Опарина
Описать истоки химической эволюции «первичный бульон»
Определить стадии процесса возникновения жизни на Земле
Необходимость исследования происхождения жизни на Земле
Современные воззрения на происхождение жизни
При выполнении работы использовались следующие методы: сравнительно-географический, анализ литературных источников, исторический.
Работа была написана по таким материалам: монографии, переводные издания, статьи из сборника научных работ, составные части книг, литература из интернета.
РАЗДЕЛ 1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ
1.1Креационизм
Креационизм (от англ. creation- создание) - религиозно-философская концепция, в рамках которой всё многообразие органического мира, человечества, планеты Земля, а также мир в целом, рассматриваются так намеренно созданные неким верховным существо или божеством. Теория креационизма, отсылая ответ на вопрос о возникновении жизни к религии (сотворение жизни Богом), по критерию Поппера находится вне поля научных изысканий (так как она неопровержима: научными методами невозможно доказать, как то, что Бог сотворил жизни, так и то, что Бог её сотворял). Кроме того, эта теория не дает удовлетворительного ответа на вопрос о причинах возникновения и существования самого верховного существа, обычно просто постулируя его безначальность.
1.2Гипотеза самопроизвольного зарождения
Данная теория получила распространение в Древнем Китае, Вавилоне и Египте в качестве альтернативы креационизму, с которым она сосуществовала. Религиозные учения всех времен и всех народов приписывали обычно появление жизни тому или другому творческому акту божества. Весьма наивно решали этот вопрос и первые исследователи природы. Аристотель (384-322гг до н.э.), которого часто провозглашают основателем биологии, придерживался теории спонтанного зарождения жизни. Даже для столь выдающегося ума древности, коим был Аристотель, принять представление о том, что животные - черви, насекомые и даже рыбы - могли возникнуть из ила, не представляло особых затруднений. Напротив, этот философ утверждал, что всякое сухое тело, становясь влажным, и, наоборот, всякое мокрое тело, становясь сухим, родят животных.
Согласно гипотезе Аристотеля о спонтанном зарождении, определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм. Аристотель был прав, считая, что это активное начало содержится в оплодотворенном яйце, но ошибочно полагал, что оно присутствует также в солнечном веете, тине и гниющем мясе.
«Таковы факты - живое может возникать не только путем спаривания животных, но и разложением почвы. Так же обстоит дело и у растений: некоторые развиваются из семян, а другие как бы самозарождаются под действием всей природы, возникая из разлагающейся земли или определенных частей растений» (Аристотель).
Авторитет Аристотеля имел исключительное влияние на воззрения средневековых ученых. Мнение данного философа в их умах причудливо переплеталось с религиозными концепциями, зачастую давая нелепые и даже откровенно глупые на современный взгляд умозаключения. Приготовление живого человека или его подобия, «гомункулуса», в колбе, при помощи смешения и перегонки различных химических веществ, считалось в средние века хотя и весьма трудным и беззаконным, но, без сомнения, выполнимым делом. Получение же животных из неживых материалов представлялось ученым того времени настолько простым и обычным, что известный алхимик и врач Ван-Гельмонт (1577-1644) прямо дает рецепт, следуя которому можно искусственно приготовить мышей, покрывая сосуд с зерном мокрыми и грязными тряпками. Этот весьма удачливый ученый описал эксперимент, в котором он за три недели якобы создал мышей. Для этого нужны были грязная рубашка, темный шкаф и горсть пшеницы. Активным началом в процессе мыши Ван-Гельмонт считал человеческий пот.
Ряд источников, датированных XVI и XVIIв.в., подробно описывает превращение воды, камней и других неодушевленных предметов в пресмыкающихся, птиц и зверей. Гриндель фон Ах даже демонстрирует изображение лягушек, якобы возникающих из майской росы, а Альдрованд изображает процесс перерождения птиц и насекомых из веток и плодов деревьев.
Чем дальше развивалось естествознание, чем большее значение в деле познания природы приобретали точное наблюдение и опыт, а не одни только рассуждения и мудрствования, тем более сужалась область применения теории самопроизвольного зарождения. Уже в 1688г итальянский биолог и врач Франческо Реди, живший во Флоренции, подошел к проблеме возникновения жизни более строго и подверг сомнению теорию спонтанного зарождения. Доктор Реди простыми опытами доказал неосновательность мнений о самозарождении червей в гниющем мясе. Он установил, что маленькие белые червячки - это личинки мух. Проведя ряд экспериментов, он получил данные, подтверждающие мысль о том, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (концепция биогенеза).
«Убежденность была бы тщетой, если бы её нельзя было подтвердить экспериментом. Поэтому в середине июля я взял четыре больших сосуда с широким горлом, поместил в один из них землю, в другой - немного рыбы, в третий - угрей из Арно, в четвертый - кусок молочной телятины, плотно закрыл их и запечатал. Затем я поместил то же самое в четыре других сосуда, оставив их открытыми… Вскоре мясо и рыба в незапечатанных сосудах зачервили; можно было видеть, как мухи свободно залетают в сосуды и вылетают из них. Но в запечатанных сосудах я не видел ни одного червяка, хотя прошло много дней, после того как в них была положена дохлая рыба» (Реди).
Таким образом, относительно живых существ, видимых простым глазом, предроложение о самозарождении оказалось несостоятельным. Но в конце XVIIв. Кирхером и Левенгуком был открыт мир мельчайших существ, невидимых простым глазом и различимых только в микроскоп. Этих «мельчайших живых зверьков» (так Левенгук называл открытые им бактерии и инфузории) можно было обнаружить всюду, где только происходило гниение, в долго стоявших отварах и настоях растений, в гниющем мясе, бульоне, в кислом молоке, в испражнениях, в зубном налете. «В моем рту, - писал Левенгук, - их (микробов) больше, чем людей в соединенном королевстве». Стоит только поставить на некоторое время в теплое место скоропортящиеся и легко загнивающие вещества, как в них сейчас же развиваются микроскопические живые существа, которых раньше там не было. Откуда же эти существа берутся? Неужели они произошли из зародышей, случайно попавших в гниющую жидкость? Сколько, значит, должно быть повсюду этих зародышей! Невольно являлась мысль, что именно здесь, в гниющих отварах и настоях и происходит самозарождение живых микробов из неживой материи. Это мнение в середине XVIIIв получило сильное подтверждение в опытах шотландского священника Нидхэма. Нидхэм брал мясной бульон или отвары растительных веществ, помещал их в плотно закрывающиеся сосуды и короткое время кипятил. При этом, по мнению Нидхэма, должны были погибнуть все зародыши, новые же не могли попасть извне, так как сосуды были плотно закрыты. Тем не менее, спустя некоторое время в жидкостях появлялись микробы. Отсюда указанный ученый делал вывод, что он присутствует при явлении самозарождения.
При этом против этого мнения выступил другой ученый, итальянец Спалланцани. Повторяя опыты Нидхэма, он убедился, что более продолжительное нагревание сосудов, содержащих органические жидкости, совершенно их обесположивает. В 1765г Ладзаро Спалланцани провел следующий опыт: подвергнув мясные и овощные отвары кипячению в течение нескольких часов, он сразу же их запечатал, после чего снял с огня. Исследовав жидкости через несколько дней, Спалланцани не обнаружив в них никаких признаков жизни. Из этого он сделал вывод, что высокая температура уничтожила все формы живых существ, и что без них ничто живое уже не могло возникнуть.
Между представителями двух противоположных взглядов разгорелся ожесточенный спор. Спалланцани доказывал, что жидкости в опытах Нидхэма не были достаточно прогреты и там оставались зародыши живых существ. На это Нидхэм возражал, что не он нагревал жидкости слишком мало, а, наоборот, Спалланцани нагревал их слишком много и таким грубым приемом разрушал «зарождающую силу» органических настоев, которая очень капризна и непостоянна.
Следовательно, каждый из спорщиков остался на исходных позициях, и вопрос о самозарождении микробов в гниющих жидкостях не был разрешен ни в ту, ни в другую сторону в течение целого столетия. За это время было сделано немало попыток опытным путем доказать или опровергнуть самозарождение, но ни одна из них не привела к определенным результатам.
Вопрос запутывался все больше и больше, и только в половине XIXв он был окончательно разрешен благодаря блестящим исследованиям гениального французского ученого.
Луи Пастер занялся проблемой происхождения жизни в 1860г. К этому времени он уже многое сделал в области микробиологии и сумел разрешить проблемы, угрожавшие шелководству и виноделию. Он доказал также, что бактерии вездесущи и что неживые материалы легко могут быть заражены живыми существами, если их не стерилизовать должным образом. Рядом опытов он показал, что всюду, а в особенности около человеческого жилья, в воздухе носятся мельчайшие зародыши. Они так легки, что свободно плавают в воздухе, лишь очень медленно и постепенно опускаясь на землю.
В результате ряда экспериментов, в основе которых лежали методы Спалланцани, Пастер доказал справедливость теории биогенеза и окончательно опроверг теорию спонтанного зарождения.
Таинственное появление микроорганизмов в опытах предыдущих исследователей Пастер объяснял или неполным обесположиванием среды, или недостаточной защитой жидкостей от проникновения зародышей. Если тщательно прокипятить содержимое колбы и затем предохранять его от зародышей, которые могли бы попасть с притекающим в колбу воздухом, то в ста случаях из ста загнивания жидкости и образования микробов не происходит.
Важно отметить, что для обесположивания, притекающего в колбу воздуха Пастер применял самые разнообразные приемы: он или прокаливал воздух в стеклянных и металлических трубках, или защищал горло колбы ватной пробкой, в которой задерживаются все мельчайшие частицы, взвешенные в воздухе, или, наконец, пропускал воздух через тонкую стеклянную трубку, изогнутую в виде буквы S, - в этом случае все зародыши механически задерживались на влажных поверхностях изгибов трубки.
Всюду, где защита была в достаточной степени надежной, появление микробов в жидкости не наблюдалось. Но, возможно, продолжительное нагревание химически изменило среду и сделало её непригодной для поддержания жизни? Пастер легко опроверг и это возражение. Он бросал в обесположенную нагреванием жидкость ватную пробку, через которую пропускался воздух и которая, следовательно, содержала зародышей, - жидкость быстро загнивала. Следовательно, прокипяченные настои являются вполне подходящей почвой для развития микробов. Это развитие не происходит только потому, что нет зародыша. Как только зародыш попадает в жидкость, так сейчас же он прорастает и дает пышный урожай.
Опыты Пастера с несомненностью показали, что самозарождения микробов в органических настоях не происходит. Все живые организмы развиваются из зародышей, т.е. берут свое начало от других живых существ. При этом подтверждение теории биогенеза породило другую проблему. Коль скоро для возникновения живого организма необходим другой живой организм, то откуда же взялся самый первый живой организм? Только теория стационарного состояния не требует ответа на этот вопрос, а вов всех других теориях подразумевается, что на какой-то стадии истории жизни произошел переход от неживого к живому.
1.3Теория стационарного состояния .
Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень незначительно. Согласно этой версии, виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности - либо изменение численности, либо вымирание.
При этом гипотеза стационарного состояния в корне противоречит данным современной астрономии, которые указывают на конечное время существования любых звезд и, соответственно, планетных систем вокруг звёзд. По современным оценкам, основанным на учете скоростей радиоактивного распада, возраст Земли, Солнца, Солнечной системы исчисляются ~4,6млрд лет. Поэтому эта гипотеза обычно не рассматривается академической наукой.
Сторонники этой теории не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводит в качестве примера представителя кистеперых рыб - латимерию (целаканта). По палеонтологическим данным кистеперые вымерли в конце мелового периода. При этом это заключение пришлось пересмотреть, когда в районе Мадагаскара были найдены живые представители кистеперых. Сторонники теории стационарного состояния утверждают, что, только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми останками, можно сделать вывод и вымирании, да и в этом случае весьма вероятно, что он окажется неверным. Используя палеонтологические данные для подтверждения теории стационарного состояния, её сторонники интерпретируют появление ископаемых остатков в экологическом аспекте. Так, например, внезапное появление какого-либо ископаемого вида в определенном пласте они объясняют увеличением численности его популяции или его перемещением в места, благоприятные для сохранения остатков.
1.4Гипотеза пансермии
Гипотеза о появлении жизни на Земле вследствие переноса с других планет неких зародышей жизни называется теорией пансермии (от греч. παν - весь, всякий и σπερμα - семя). Эта гипотеза примыкает к гипотезе стационарного состояния. Её приверженцы поддерживают мысль о вечном существовании жизни и выдвигают идею о внезапном её происхождении. Одним из первых идею о космическом (внезапном) происхождении жизни высказал немецкий ученый Г. Рихтер в 1865г. Согласно Рихтеру жизнь на Земле не возникла из неорганических веществ, а была занесена с других планет. В связи с этим возникали вопросы, насколько возможно такое перенесение с одной планеты на другую и как это могло быть осуществлено. Ответы искали в первую очередь в физике, и неудивительно, что первыми защитниками этих взглядов выступили представители этой науки, выдающиеся ученные Г. Гельмгольц, С. Аррениус, Дж. Томсон, П.П. Лазарев и др.
Согласно представлениям Томсона и Гельмгольца, споры бактерий и других организмов могли быть занесены на Землю с метеоритами. Лабораторные исследования подтверждают высокую устойчивость живых организмов к неблагоприятным воздействиям, в частности к низким температурам. Например, споры и семена растений не погибали даже при длительном выдерживании в жидком кислороде или азоте.
Современные приверженцы концепции пансермии (в числе которых - лауреат Нобелевской премии английский биофизик Ф. Крик) считают, что жизнь на Землю занесена случайно или преднамеренно космическими пришельцами. К гипотезе пансермии примыкает точка зрения астрономов Ч. Викрамасингха (Шри-Ланка) и Ф. Хойла (Великобритания). Они считают, что в космическом пространстве, в основном в газовых и пылевых облаках, в большом количестве присутствуют микроорганизмы, где они, по мнению ученых, и образуются. Далее эти микроорганизмы захватываются кометами, которые затем, проходя вблизи планет, «сеют зародыши жизни».
РАЗДЕЛ 2. БЕЛКОВО-КОАЦЕРВАТНАЯ ТЕОРИЯ А.И. ОПАРИНА
2.1 Суть теории
Первую научную теорию относительно происхождения живых организмов на Земле создал советский биохимик А.И. Опарин (1894-1980). В 1924г он опубликовал работы, в которых изложил представления о том, как могла возникнуть жизнь на Земле. Согласно этой теории, жизнь возникла в специфических условиях древней Земли, и рассматривается Опариным как закономерный результат химической эволюции соединений углерода во Вселенной.
По Опарину, процесс, приведший к возникновению жизни на Земле, может быть разделен на три этапа:
Возникновение органических веществ.
Образование из более простых органических веществ биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липидов и др.).
Возникновение примитивных самовопроизводящихся организмов.
Теория биохимической эволюции имеет наибольшее количество сторонников среди современных ученых. Земля возникла около пяти миллиардов лет назад; первоначально температура её поверхности была очень высокой (до нескольких тысяч градусов). По мере её остывания образовалась твёрдая поверхность (земная кора - литосфера).
Атмосфера, первоначально состоявшая из лёгких газов (водород, гелий), не могла эффективно удерживаться недостаточно плотной Землёй, и эти газы заменялись более тяжелыми: водяным паром, углекислым газом, аммиаком и метаном. Когда температура Земли опустилась ниже 100 градусов по Цельсию, водяной пар начал конденсироваться, образуя мировой океан. В это время, в соответствии с представлениями А.И. Опарина, состоялся абиогенный синтез, то есть в первичных земных океанах, насыщенных разными простыми химическими соединениями, «в первичном бульоне» под влиянием вулканического тепла, разрядов молний, интенсивной ультрафиолетовой радиации и других факторах среды начался синтез более сложных органических соединений, а затем и биополимеров. Образованию органических веществ способствовало отсутствие живых организмов - потребителей органики - и главного окислителя - кислорода. Сложные молекулы аминокислот случайно объединялись в пептиды, которые, в свою очередь, создали первоначальные белки. Из этих белков синтезировались первичные живые существа микроскопических размеров.
Наиболее сложной проблемой в современной теории эволюции является превращение сложных органических веществ в простые живые организмы. Опарин полагал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежит белкам. По-видимому, белковые молекулы, притягивая молекулы воды, образовывали коллоидные гидрофильные комплексы. Дальнейшее слияние таких комплексов друг с другом приводило к отделению коллоидов от водной среды (коацервация). На границе между коацерватом (от лат. Coacervus - сгусток, куча) и средой выстраивались молекулы липидов - примитивная клеточная мембрана. Предполагается, что коллоиды могли обмениваться молекулами с окружающей средой (прообраз гетеротрофного питания) и накапливать определенные вещества. Еще один тип молекул обеспечивал способность к самовоспроизведению. Система взглядов А.И. Опарина получила название «коацерватная гипотеза».
Гипотеза Опарина была лишь первым шагом в развитии биохимических представлений о возникновении жизни. Следующим шагом стали эксперименты Л.С. Миллера, который в 1953г показал, как из неорганических составляющих первичной земной атмосферы под воздействием электрических разрядов и ультрафиолетового излучения могут образовываться аминокислоты и другие органические молекулы.
Академик РАН В.Н. Пармон и ряд других ученых предполагают различные модели, позволяющие объяснить, как в среде насыщенной органическими молекулами могут протекать автокаталитические процессы, реплицирующие некоторые из этих молекул. Одни молекулы реплицируются успешнее, другие - хуже. Так запускается процесс химической эволюции, которая предшествует эволюции биологической.
На сегодняшний день среди биологов преобладает гипотеза РНК-мира, утверждающей, что между химической эволюцией, в которой размножались и конкурировали отдельные молекулы и полноценной жизнью, основанной на модели ДНК-РНК-белок, был промежуточный этап, на котором размножались и конкурировали между собой отдельные молекулы РНК. Уже есть исследования, показывающие, что некоторые молекулы РНК обладают автокаталитическими свойствами и могут обеспечивать самовоспроизведение без участия сложных белковых молекул.
Современная наука еще далека от исчерпывающего объяснения, как конкретно неорганическое вещество достигло высокого уровня организации, характерного для процессов жизнедеятельности. Тем не менее, ясно, что это был многоступенчатый процесс, в ходе которого уровень организации вещества шаг за шагом повышался. Восстановить конкретные механизмы этого ступенчатого усложнения - задачу будущих научных исследований. Эти исследования идут по двум основным направлениям:
Сверху вниз: анализ биообъектов и изучение возможных механизмов образования их отдельных элементов;
Снизу вверх: усложнение «химии» - изучение всё более сложных химических соединений.
Пока добиться полноценного соединения этих двух подходов не удалось. Тем не менее, биоинженеры уже сумели «по чертежам», то есть, по известному генетическому коду и структуре белковой оболочки собрать из простейших биологических молекул простейший живой организм - вирус. Тем самым доказано, что для создания живого организма из неживой материи не требуется сверхъестественного воздействия. Так что необходимо лишь ответить на вопрос, как этот процесс мог пройти без участия человека, в естественной среде.
Широко распространено «статистическое» возражение против абиогенного механизма возникновения жизни. Например, в 1996г немецкий биохимик Шрам подсчитал, что вероятность случайного сочетания 6000 нуклеотидов в РНК-вирусе табачной мозаики: 1 шанс из 102000. Это чрезвычайно низкая вероятность, которая указывает на полную невозможность случайного образования подобной РНК. При этом в действительности это возражение построено некорректно. Оно исходит из предположения, что вирусная молекула РНК должна образоваться «с нуля» из разрозненных амиокислот. В слчае ступенчатого усложнения химических и биохимических систем вероятность рассчитывается совершенно иначе. Кроме того, нет никакой необходимости получить именно такой вирус, а не какой-то другой. С учетом этих возражений получается, что оценки вероятности синтеза возникновения вирусной РНК занижены до полной неадекватности и не могут рассматриваться как убедительное возражение против абиогенной теории возникновения жизни.
2.2 Александр Иванович Опарин и его теория возникновения жизни
С начала 1935г начинает свою работу институт биохимии АН СССР, основанный Опариным совместно с А.Н. Бахом. С самого основания Института Опарин руководил Лабораторией энзимологии, которая в будущем преобразовалась в лабораторию эволюционной биохимии и субклеточных структур. До 1946г он является заместителем директора, после смерти А.Н. Баха - директором этого института.
3 мая 1924г на собрании Русского ботанического общества выступил с докладом «О возникновении жизни», в котором предложил теорию возникновения жизни из бульона органических веществ. В середине XXв были экспериментально получены сложные органические вещества при пропускании электрических зарядов через смесь газов и паров, которая гипотетически совпадает с составом атмосферы древней Земли. В качестве проклеток Опарин рассматривал коацерваты - органические структуры, окруженные жировыми мембранами.
После смерти в 1951г С.И. Вавилова А.И. Опарин стал вторым председателем правления Всесоюзного просветительского общества «Знание». Оставался на этом посту по 1956г, когда председателем «Знания» был избран М.Б. Митин.
В 1970г было организовано Международное научное общество по изучению возникновения жизни (International Society for the Study of the Origin of Life), первым президентом, а затем почетным президентом которого был избран Опарин. Исполком ISSOL в 1977г учредил Золотую медаль имени А.И. Опарина (англ. Oparin Medal), присуждаемую за важнейшие экспериментальные исследования в этой области.
2.3 Истоки химической эволюции «Первичный бульон»
Несмотря на некоторые пробелы в наших знаниях о первой стадии возникновения жизни, мы в состоянии сделать достаточно определенные выводы. Ведь нам известно, что в пределах солнечной системы возможен синтез соединений, содержащих до 24 атомов углерода и азота. Быть может, возможен также синтез и более сложных соединений, в том числе полимеров, хотя данных о существовании полимеров с упорядоченной последовательностью не имеется. Это все, что мы можем сказать относительно состава среды, известной под названием «первичного бульона».
По мере накопления новых сведений становится все более очевидным, что продукты первичного синтеза из молекул простых гибридов обязательно будут образовываться в соответствующих условиях. Эти условия могут быть чрезвычайно многообразными, и потому рассматриваемые синтезы не связаны с каким-либо сторого определенным временем и местом.
Факты, эксперименты и наблюдения говорят о возможности синтеза довольно сложных химических соединений в окрестности любой звезды при наличии достаточного количества «сырья» - пыли и газов. Таким образом, первая стадия - это еще не столько возникновение жизни, сколько подготовка к этому. Все начинается с материалов, образующихся за счет обычных астрофизических процессов; дальнейшие превращения совершаются в полном согласии с законами химии, без привлечения каких-либо новых принципов. В то же время уже на этой стадии происходит некий предварительный отбор тех типов соединений, которые пойдут впоследствии на построение живых существ. Следовательно, поскольку процессы, протекающие на этой первой стадии, оказывают воздействие на весь последующий ход биосинтеза, они и сами зависят от конкретных условий, существующих на планетах. Вот поэтому Земля - единственная планета солнечной системы, имеющая океаны на своей поверхности, - оказалось в тоже время и единственной планетой с развитой жизнью.
2.4 Стадии процесса возникновения жизни
Стадия 1. Эта стадия соответствует возрастанию сложности молекул и молекулярных систем, которым суждено было, в конечном счете включиться в живые системы. На первой стадии произошло формирование предорганизменных молекул из гибридов углерода, азота и кислорода (т.е. из метана, аммиака и воды). Эти газы обнаруживаются в молекулярной форме в космическом пространстве (в более холодных частях Вселенной) и сейчас. Кажется очевидным, что первая стадия могла бы осуществиться во многих местах - из них нам достоверно известны только Земля и метеориты астероидного происхождения. Таким местом могло быть и первичное полевое облако. Оказалось также возможным имитировать эти процессы в лаборатории, что и было сделано Миллером и его последователями. В этих экспериментах были получены важнейшие биологические молекулы: некоторые органические основания (например, адеин), входящие в состав белков; некоторые сахара, в частности рабоза и их фосфаты, и, наконец, некоторые более сложные азотосодержащие соединения, такие, как порфирины, которые служат важной составной частью окислительных ферментов и переносчиков энергии.
Стадия 2. На второй стадии из компонентов опаринского «первичного бульона», состоявшего главным образом из только что упомянутых молекул, а также из более сложных молекул, образовались полимеры путем соединения в линейном порядке сходных или идентичных мономеров или субмолекул. На какой-то решающей стадии в процессе эволюции таких полимеров, являющихся, по-видимому, более простыми аналогами существующих ныне нуклеиновых кислот и белков, должен был возникнуть механизм строгой репродукции и репликации, которые рассматриваются многими биологами как важная отличительная особенность самой жизни. Пока что мы можем лишь логически реконструировать те процессы, которые могли бы привести к этому в условиях, по-видимому, существовавших в то время на Земле, т.е. в присутствии воды в свободном состоянии, а также молекул газов и ионов металла в растворе. Трудно представить себе, чтобы всё это могло происходить на таких безводных небесных телах, как Луна, или тем более на метеоритах астероидного происхождения, содержащих воду лишь в связанном состоянии - в виде гидратов или льда.
РАЗДЕЛ 3. НЕОБХОДИМОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИЗНИ
Главный практический мотив для изучения возникновения жизни состоит в том, что без этого мы не сможем понять современную жизнь, и, следовательно, не сможем управлять ею. Необходимо изучить возникновение жизни для того, чтобы разобраться в её сущности, её возможностях и ограничениях, а затем уже для того, чтобы развить первые и преодолеть вторые. В более широком понимании изучение о происхождении жизни представляет собой дальнейшую попытку поисков смысла жизни. С древнейших времен смысл жизни усматривали в самых различных вещах, но со временем все яснее становилась ложность разнообразных трактов смысла жизни, их конечная несостоятельность. Вплоть до средних веков и даже позднее назначение жизни в общей системе миропорядка считалось известным. Разные люди в различных цивилизациях по-разному решали этот вопрос, но и решения эти были настолько сходными, что их можно считать вариантами одного и того же ответа простейший ответ сводился к тому, что жизнь имеет смысл в предначертаниях всеведущего и всемогущего Бога. Волю Господню следует исполнять, а если понять в чем она состоит подчас затруднительно, то допускаются различные толкования. Но из всех таких ответов правильным может быть лишь один. И каков этот ответ - дано знать не всем, а лишь истинно верующим.
Научная революция, начавшаяся в XVIIв, постепенно подтачивала основы веры. Но даже в умах тех, кто так или иначе, своими открытиями и интеллектуальными прозрениями разрушал твердыню веры (подчас совершенно бессознательно), вера все же продолжала существовать. Как это ни парадоксально, но чем более мощной была атака, тем сильнее цеплялись за эту веру людские умы. Отсюда и сопротивление дальнейшим исследователям, которые, естественно, должны были положить конец религиозным воззрениям на Вселенную. Хотя сопротивление новым идеям перестало быть столь ожесточенным, как это было во времена Коперника и даже Дарвина, но оно все же существует. А между тем уже то немногое, что известно о возможном происхождении жизни, достаточно для того, чтобы потрясти основы веры гораздо глубже, чем это было в состоянии сделать любое другое открытие в прошлом. Строение Вселенной в целом и протекающие в ней процессы начинают для нас прояснятся, пусть пока даже вчерне, и после этого уже ничто не может остаться неизменным.
Потребность в мифах, объясняющих происхождение и судьбу человека, возникла еще на заре истории, и подобных мифов известно с глубокой древности великое множество, однако до сих пор не появилось ничего, что в равной мере удовлетворяло бы разум и сердце. С одной стороны, веры была призвана исправить несовершенство человеческого разума и его наблюдений, а с другой - то, что считалось научной картиной Вселенной, стало казаться бессмысленным, сухим и неудовлетворительным. Сейчас, наконец, мы начинаем прозревать искомый смысл, и это не благодаря созданию «утешительной философии», а практически благодаря уменьшению жизненных тягот и увеличению возможностей человека.
РАЗДЕЛ 4. СОВРЕМЕННЫЕ ВОЗЗРЕНИЯ НА ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ
У теории А.И. Опарина и других подобных гипотез есть один существенный недостаток: нет ни одного факта, который бы подтвердил возможность абиогенного синтеза на Земле хотя бы простейшего живого организма из безжизненных соединений. В многочисленных лабораториях мира осуществлены тысячи попыток такого синтеза. Например, американский ученый С. Миллер, исходя из предположений относительно состава первичной атмосферы Земли, в специальном приборе пропускал электрические разряды через смесь метана, аммиака, водорода и паров воды. Ему удалось получить молекулы аминокислот - тех основных «кирпичиков», из которых складывается основа жизни - белки. Эти опыты были многократно повторены, кое-кому из ученых удалось получить довольно длинные цепочки пептидов (простых белков). И только! Ни одного хотя бы простейшего живого организма никому не посчастливилось синтезировать. Ныне среди ученых популярностью пользуется принцип Реди: «Живое - лишь от живого».
Но предположим, что такие попытки когда-то увенчаются успехом. Что докажет такой опыт? Лишь то, что для синтеза жизни нужны ум человека, сложная развитая наука и современная техника. Ничего этого на первоначальной Земле не было. Больше того, синтез сложных органических соединений из простых противоречит второму закону термодинамики, который запрещает переход материальных систем от состояния большей вероятности к состоянию меньшей, а развитие от простых органических соединений к сложным, потом от бактерий к человеку происходил именно в этом направлении. Здесь мы наблюдаем ничто иное, как творческий процесс. Второй закон термодинамики непреложный закон, единственный закон, который еще ни разу не был подвергнут сомнению, нарушен или опровергнут. Поэтому порядок (генная информация) не может стихийно возникнуть из беспорядка случайных процессов, что и подтверждается теорией вероятности.
В последнее время сокрушительный удар гипотезе абиогенного синтеза нанесли математические исследования. Математики подсчитали, что вероятность самозарождения живого организма из безжизненных блоков практически равно нулю. Так, Л. Блюменфельд доказал, что вероятность случайного образования за все время существования Земли хотя бы одной молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты - одной из важнейших составных частей генетического кода) составляет 1/10800. вдумайтесь в ничтожно маленькую величину этого числа! Ведь в знаменателе его находится цифра, где после единицы тянется ряд из 800 нулей, а это число в невероятное количество раз больше общего количества всех атомов во Вселенной. Современный американский астрофизик Ч. Викрамасингхе так образно высказал невозможность абиогенного синтеза: «Быстрее ураган, который пронесется над кладбищем старых самолетов, соберет новенький суперлайнер из кусков лома, чем в результате случайного процесса возникнет из своих компонентов жизнь».
Противоречат теории абиогенного синтеза и геологические данные. Как бы далеко мы не проникали вглубь геологической истории, не находим следов «азойской эры», то есть периода, когда на Земле не существовало жизни.
Сейчас палеонтологи в породах, век которых достигает 3,8млрд лет, то есть близки ко времени образования Земли (4-4,5млрд лет тому по последним оценкам), нашли ископаемые остатки довольно сложно организованных существ - бактерий, сине-зеленых водорослей, простых грибков. В. Вернадский был уверен, что жизнь геологически вечна, то есть в геологической истории не было эпохи, когда наша планета была безжизненной. «Проблема абиогенеза (спонтанного зарождения живых организмов), - писал ученый в 1938г, - остается бесплодной и парализует действительно назревшую научную работу».
Сейчас форма жизни чрезвычайно тесно связана с гидросферой. Об этом свидетельствует хотя бы тот факт, что вода является основной частью массы любого земного организма (человек, например, больше чем на 70% состоит из воды, а такие организмы, как медуза - на 97-98%). Очевидно, что жизнь на Земле сформировалась лишь тогда, когда на ней появилась гидросфера, а это, по геологическим сведениям, произошло почти с начала существования нашей планеты. Многие из свойств живых организмов обусловленные именно свойствами воды, сама же вода есть феноменальное соединение. Так, по данным П. Привалова, вода - это кооперативная система, в которой всякое действие распространяется «эстафетным» путем, то есть имеет место «далекодействие».
Некоторые ученые считают, что вся гидросфера Земли, в сущности, есть одна гигантская «молекула» воды. Установлено, что вода может активироваться естественными электромагнитными полями земного и космического происхождения (в частности искусственного). Чрезвычайно интересным было недавнее открытие французскими учеными «памяти воды». Возможно, то, что биосфера Земли есть единый суперорганизм, и обусловлено этими свойствами воды? Ведь организмы - это составные части, «капли» этой супермолекулы земной воды.
Хотя нам до сих пор известна лишь земная белково-нуклеиново-водная жизнь, это не означает, что в безграничном Космосе не могут существовать другие его формы. Некоторые ученый, в частности американские, Г. Файнберг и Р. Шапиро, моделируют такие гипотетично возможные его варианты:
Плазмоиды - жизнь в звездных атмосферах за счет магнитных сил, связанных с группами подвижных электрических разрядов;
Радиобы - жизнь в межзвездных облаках на основе агрегатов атомов, которые находятся в разных состояниях возбуждения;
Лавобы - жизнь на основе соединений кремния, который может существовать в озерах расплавленной лавы на очень горячих планетах;
Водоробы - жизнь, которая может существовать при низких температурах на планетах, покрытых «водоемами» из жидкого метана, и черпать энергию из преобразований ортоводорода на параводород;
Термофаги - разновидность космической жизни, которая получает энергию из градиента температур в атмосфере или океанах планет.
Конечно, такие экзотические формы жизни пока что существуют лишь в воображении ученых и писателей-фантастов. Тем не менее, не исключена возможность реального существования некоторых из них, в частности плазмоидов. Есть некоторые основания считать, что на Земле параллельно с «нашей» формой жизни существует другая её разновидность, похожая на упомянутых плазмоидов. К ним относят некоторые виды НЛО (неопознанных летающих объектов), образования, похожие на шаровые молнии, а также невидимые для глаза, но фиксируемые цветной фотопленкой летающие в атмосфере энергетические «сгустки», которые в ряде случаев проявляли разумное поведение.
Таким образом, сейчас есть основания утверждать, что жизнь на Земле появилась с самого начала её существования и возникла, по словам Ч. Викрамасингхе, «от всепроникающей общегалактической живой системы».
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Имеем ли мы логическое право на признание коренного различия между живым и неживым? Есть ли в окружающей нас природе такие факты, которые убеждают нас в том, что жизнь существует вечно и имеет так мало общего с неживой природой, что ни при каких условиях, никогда не могла из нее образоваться, выделиться? Можем ли мы признать организмы образованиями совершенно, принципиально отличными от всего остального мира?
Биология XXв углубила понимание существенных черт живого, раскрыв молекулярные основы жизни. В основе современной биологической картины мира лежит представление о том, что мир живого - это грандиозная система высокоорганизованных систем.
Несомненно, в модели происхождения жизни будут включаться новые знания, и они будут всё более обоснованными. Но чем более качественно новое отличается от старого, тем труднее объяснить его возникновение.
Необходимо изучить возникновение жизни для того, чтобы разобраться в её сущности, её возможностях и ограничениях, а затем уже для того, чтобы развить первые и преодолеть вторые.
Жизнь - одно из сложнейших явлений природы. С глубокой древности она воспринималась как таинственная и непознаваемая - вот почему по вопросам её происхождения всегда шла острая борьба между материалистами и идеалистами. Некоторые приверженцы идеалистических взглядов считают жизнь духовным, нематериальным началом, возникшим в результате божественного творения. Материалисты же, напротив, полагают, что жизнь на Земле возникла из неживой материи путем самозарождения (абиогенез) или была занесена из других миров, т.е. является порождением других живых организмов (биогенез).
По современным научным представлениям, жизнь - это процесс существования сложных систем, состоящих из больших органических молекул и неорганических веществ и способных самовоспроизводиться, саморазвиваться и поддерживать свое существование в результате обмена энергией и веществом с окружающей средой. Таким образом, биологическая наука стоит на материалистических позициях.
При этом, вопрос о происхождении жизни еще окончательно не решен.
ЛИТЕРАТУРА
1.Опарин А. И. Возникновение жизни на Земле. - Тбилиси: Минцебра, 1985г. - 270с.
2.Бернал Д. Возникновение жизни Приложение №1: Опарин А. И. Происхождение жизни. - Москва: Мир, 1969г. - 365с.
3.Вернадский в. И. Живое вещество. - Москва: Наука, 1978г. - 407с.
4.Найдыш В. М. Концепции современного естествознания - Москва: Наука, 1999г. - 215с.
5.общая биология. Под ред. Н. Д. Лисова. - Минск, 1999г. - 190с.
6.Поннамперума С. Происхождение жизни. - Москва: Мир, 1977г. - 234с.
7.Вологодин А. Г. Происхождение жизни на Земле. - Москва: Знание, 1970г. - 345с.
8.Игнатов А. И. Проблема происхождения жизни. - Москва: Советская Россия, 1962г. - 538с.
9.Бернал Дж. Возникновение жизни. - Москва: Мир, 1969г. - 650с.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СЕРВИСА И ЭКОНОМИКИ
Кафедра «Прикладная физика»
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
по курсу: «Концепции современного естествознания»
по теме: « Гипотезы происхождения жизни»
Выполнила: студентка 1 курса
138 группы
Быкова И.Б.
Преподаватель: Найдёнова С.Н.
Выборг
2003 г.
С О Д Е Р Ж А Н И Е :
1. Введение …………………………………………………………. стр. 1
2. Концепции возникновения жизни ……………………………… стр. 2
3. Гипотеза происхождения жизни А.И. Опарина ……………….. стр. 5
- Естественнонаучные представления о жизни и её эволюции … стр. 8
5. Геологические эры и эволюция жизни ………………………… стр. 10
6. Используемая литература ……………………………………….. стр. 12
ВВЕДЕНИЕ.
Одним из наиболее трудных и в тоже время интересных в современном естествознании является вопрос о происхождении жизни. Он труден потому, что, когда наука подходит к проблемам развития как создания нового, она оказывается у предела своих возможностей как отрасли культуры, основанной на доказательстве и экспериментальной проверке утверждений.
Учёные сегодня не в состоянии воспроизвести процесс возникновения жизни с такой же точностью, как это было несколько миллиардов лет назад. Даже наиболее тщательно поставленный опыт будет лишь модельным экспериментом, лишённым ряда факторов, сопровождавших появление живого на Земле. Трудность методологическая - в невозможности проведения прямого эксперимента по возникновению жизни (уникальность этого процесса препятствует использованию основного научного метода).
Жизнь на Земле представлена громадным разнообразием форм, которым присуща возрастающая сложность строения и функций. Всем живым организмам свойственны два признака: целостность и самовоспроизведение. В ходе индивидуального изменения (онтогенеза) организмы приспосабливаются к внешним условиям, а смена поколений приобретает эволюционно-исторический характер (филогенез). Организмы выработали способность к относительной независимости от внешней среды (автономность). Одно из главных свойств всякого живого организма — обмен веществ. Наряду с ним существенными признаками жизни являются раздражимость, рост, размножение, изменчивость, наследственность. Всякий живой организм как бы стремится к главному — воспроизведению себе подобных.
2. Концепции возникновения жизни.
Существует пять концепций возникновения жизни:
- Жизнь была создана Творцом в определённое время - креационизм.
- Жизнь возникла самопроизвольно из неживого вещества (её придерживался ещё 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;
- Концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов подчиняющихся физическим и химическим законам.
Согласно креационизму возникновение жизни относится к определённому 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.
Аристотель на основе сведений о животных, которые поступали от воинов Александра Македонского и купцов-путешественников, сформулировал 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.
С распространением христианства идеи самозарождения были объявлены еретическими, и долгое время о них не вспоминали. Гельмонт придумал рецепт получения мышей из пшеницы и грязного белья. Бэкон тоже считал, что гниение - зачаток нового рождения. Идеи самозарождения поддерживали Галилей, Декарт, Гарвей, Гегель, Ламарк.
В 1688 г. итальянский биолог Франческо Реди серией опытов с открытыми и закрытыми сосудами доказал, что появляющиеся в гниющем мясе белые маленькие черви - это личинки мух, и сформулировал свой принцип: всё живое - из живого . В 1860 г. Пастер показал, что бактерии могут быть везде и заражать неживые вещества, для избавления от них необходима стерилизация, получившая название пастеризации .
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 оживлённой формы, как вечные плантации органических зародышей», откуда жизнь рассеивается в виде этих зародышей во Вселенной.
Подобным образом мыслили Кельвин, Гельмгольц и др. в начале нашего века с идеей радиопанспермии выступил Аррениус. Он описывал, как с населённых другими существами планет уходят в мировое пространство частички вещества, пылинки и живые споры микроорганизмов. Они сохраняют свою жизнеспособность, летая в пространстве Вселенной за счёт светового давления. Попадая на планету с подходящими условиями для жизни, они начинают новую жизнь на этой планете.
Эту гипотезу поддерживали многие, в том числе русские учёные академики Сергей Павлович Костычев (1877-1931), Лев Семёнович Берг (1876-1950) и Пётр Петрович Лазарев (1878-1942).
Для обоснования панспермии обычно используют наскальные рисунки с изображением предметов, похожих на ракеты или космонавтов, или появления НЛО. Полёты космических аппаратов разрушили веру в существование разумной жизни на планетах солнечной системы, которая появилась после открытия Скиапарелли каналов на Марсе (1877). Но пока следов жизни на Марсе не найдено.
В конце 60-х годов вновь возрос интерес к гипотезам панспермии. Так, геолог Б.И.Чувашов (Вопросы философии. 1966) писал, что жизнь во Вселенной, по его мнению, существует вечно.
При изучении вещества метеоритов и комет были обнаружены многие «предшественники живого» - органические соединения, синильная кислота, вода, формальдегит, цианогены. Формальдегид, в частности, обнаружен в 60% случаев в 22 исследованных областях, его облака с концентрацией примерно 1 тысяча молекул в куб.см заполняют обширные пространства. В 1975 г. предшественники аминокислот найдены в лунном грунте и метеоритах. Сторонники гипотезы занесения жизни из космоса считают их «семенами», посеянными на Земле.
В представлениях о зарождении жизни в результате физико-химических процессов важную роль играет эволюция живой планеты. По мнению многих биологов, геологов и физиков, состояние Земли за время её существования всё время изменялось. В очень давние времена Земля была горячей планетой, её температура достигала 5-8 тысяч градусов. По мере остывания планеты тугоплавкие металлы и углерод конденсировались и образовывали земную кору, которая не была ровной из-за активной вулканической деятельности и всевозможных подвижек формирующегося грунта. Атмосфера первичной Земли сильно отличалась от современной. Лёгкие газы - водород, гелий, азот, кислород, аргон и другие - не удерживались пока недостаточно плотной планетой, тогда как их более тяжёлые соединения оставались (вода, аммиак, двуокись углерода, метан). Вода оставалась в газообразном состоянии, пока температура не упала ниже 100 о С.
Химический состав нашей планеты сформировался в результате космической эволюции вещества солнечной системы, в ходе которой возникли определённые пропорции количественных соотношений атомов. Поэтому современные данные о соотношении атомов химических элементов оказываются важными. Космическое обилие кислорода и водорода выразилось в обилии воды и её многочисленных окислов. Относительно более высокая распространённость углерода явилась одной из причин, определивших большую вероятность возникновения жизни. Обилие кремния, магния и железа способствовало образованию в земной коре и метеоритах силикатов. Источниками сведений о распространённости элементов служат данные о составе Солнца, метеоритов, поверхностей Луны и планет. Возраст метеоритов
примерно соответствует возрасту земных пород, поэтому их состав помогает восстановить химический состав Земли в прошлом и выделить изменения, вызванные появлением жизни на Земле.
Научная постановка проблемы возникновения жизни принадлежит Энгельсу, считавшему, что жизнь возникла не внезапно, а сформировалась в ходе эволюции материи. В этом же ключе высказался и К.А.Тимирязев: «Мы вынуждены допустить, что живая материя осуществлялась так же, как и все остальные процессы, путём эволюции… Процесс этот, вероятно, имел место и при переходе из неорганического мира в органический» (1912).
3. Гипотеза происхождения жизни А.И. Опарина
Еще Ч.Дарвин понял, что жизнь может возникнуть только при отсутствии жизни. 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». Гетеротрофные организмы, распространенные сейчас на земле, использовали бы вновь возникающие органические вещества. Поэтому возникновение жизни в привычных нам земных условиях невозможно.
Второе условие, при котором жизнь может возникнуть, - отсутствие свободного кислорода в атмосфере. Это важное открытие сделал русский ученый А.И.Опарин в 1924 г. (к такому же выводу в 1929 г. пришел английский ученый Дж.Б.С.Холдейн). А.И.Опарин высказал предположение, что при мощных электрических разрядах в земной атмосфере, которая 4-4,5 млрд. лет назад состояла из азота, водорода, углекислого газа, паров воды и аммиака, возможно, с добавкой синильной кислоты (ее обнаружили в хвостах комет), могли возникнуть простейшие органические соединения, необходимые для возникновения жизни. Поэтому возникающие на поверхности Земли органические вещества могли накапливаться, не окисляясь. И сейчас на нашей планете они накапливаются только в бескислородных условиях, так возникают торф, каменный уголь и нефть. Создатель материалистической гипотезы возникновения жизни на Земле, русский биохимик, академик Александр Иванович Опарин (1894-1980) посвятил всю свою жизнь проблеме происхождения живого.
Американский биолог Ж.Леб в 1912 г. первым получил из смеси газов под действием электрического разряда простейший компонент белков - аминокислоту глицин.
Возможно, кроме глицина он получил и другие аминокислоты, но в то время еще не было методов, позволяющих определить их малые количества.
Открытие Леба прошло незамеченным, поэтому первый абиогенный синтез органических веществ (т.е. идущий без участия живых организмов) из случайной смеси газов приписывают американским ученым С.Миллеру и Г.Юри. В 1953 г. они поставили эксперимент по программе, намеченной Опариным, и получили под действием электрических разрядов напряжением до 60 тыс. В, имитирующих молнию, из водорода, метана, аммиака и паров воды под давлением в несколько Паскалей при t=80С сложную смесь из многих десятков органических веществ. Среди них преобладали органические
(карбоновые) кислоты - муравьиная, уксусная и яблочная, их альдегиды, а также аминокислоты (в том числе глицин и аланин). Опыты Миллера и Юри были многократно проверены на смесях разных газов и при разных источниках энергии (солнечный свет, ультрафиолетовое и радиоактивное излучение и просто тепло). Органические вещества возникали во всех случаях. Полученные Миллером и Юри результаты побудили ученых различных стран заняться исследованиями возможных путей предбиологической эволюции. В 1957 году в Москве состоялся первый Международный симпозиум по проблеме происхождения жизни.
По данным, полученным в последнее время нашими учеными, простейшие органические вещества могут возникать и в космическом пространстве при температуре, близкой к абсолютному нулю. В принципе Земля могла бы получить абиогенные органические вещества и как приданое при возникновении.
В результате океан превратился в сложный раствор органических веществ (т.н. первичный океан), которым в принципе могли бы питаться анаэробные бактерии
(организмы, способные жить и развиваться при отсутствии свободного кислорода и получающие энергию для жизнедеятельности за счет расщепления органических или неорганических веществ). Кроме аминокислот в нем были и предшественники нуклеиновых кислот - пуриновые основания, сахара, фосфаты и др.
Однако низкомолекулярные органические вещества еще не жизнь. Основу жизни представляют биополимеры - длинные молекулы белков и нуклеиновых кислот, слагающиеся из звеньев - аминокислот и нуклеотидов. Реакция полимеризации первичных звеньев в водном растворе не идет, так как при соединении друг с другом двух аминокислот или двух нуклеотидов отщепляется молекула воды. Реакция в воде пойдет в обратную сторону. Скорость расщепления (гидролиза) биополимеров будет больше, чем скорость их синтеза. В цитоплазме наших клеток синтез биополимеров - сложный процесс, идущий с затратой энергии АТФ. Чтобы он шел, нужны ДНК, РНК и белки, которые сами являются результатом этого процесса. Ясно, что биополимеры не могли возникнуть сами в первичном океане.
Возможно, первичный синтез биополимеров шел при замораживании первичного океана или же при нагревании сухого его остатка. Американский исследователь С.У. Фокс, нагревая до 130С сухую смесь аминокислот, показал, что в этом случае реакция полимеризации идет (выделяющаяся вода испаряется) и получаются искусственные протеиноиды, похожие на белки, имеющие до 200 и более аминокислот в цепи. Растворенные в воде, они обладали свойствами белков, представляли питательную среду для бактерий и даже катализировали (ускоряли) некоторые химические реакции, как настоящие ферменты. Возможно, они возникали в предбиологическую эпоху на раскаленных склонах вулканов, а затем дожди смывали их в первичный океан. Есть и такая точка зрения, что синтез биополимеров шел непосредственно в первичной атмосфере и образующиеся соединения выпадали в первичный океан в виде частиц пыли.
Следующий предполагаемый этап возникновения жизни - протоклетки. А.И. Опарин показал, что в стоящих растворах органических веществ образуются коацерваты - микроскопические «капельки», ограниченные полупроницаемой оболочкой - первичной мембраной. В коацерватах могут концентрироваться органические вещества, в них быстрее идут реакции, обмен веществ с окружающей средой, и они даже могут делиться, как бактерии. Подобный процесс наблюдал при растворении искусственных протеиноидов Фокс, он назвал эти шарики микросферами.
В протоклетках вроде коацерватов или микросфер шли реакции полимеризации нуклеотидов, пока из них не сформировался протоген - первичный ген, способный катализировать возникновение определенной аминокислотной последовательности - первого белка. Вероятно, первым таким белком был предшественник фермента, катализирующего синтез ДНК или РНК. Те протоклетки, в которых возник примитивный механизм наследственности и белкового синтеза, быстрее делились и забрали в себя все органические вещества первичного океана. На этой стадии шел уже естественный отбор на скорость размножения; любое усовершенствование биосинтеза подхватывалось, и новые протоклетки вытесняли все предыдущие.
Последние этапы возникновения жизни - происхождение рибосом и транспортных РНК, генетического кода и энергетического механизма клетки с использованием АТФ - еще не удалось воспроизвести в лаборатории. Все эти структуры и процессы имеются уже у самых примитивных микроорганизмов, и принцип их строения и функционирования не менялся за всю историю Земли. Поэтому заключительный этап происхождения жизни мы можем пока реконструировать только предположительно - до тех пор, пока его не удастся воссоздать в экспериментах.
Пока можно лишь утверждать, что на возникновение жизни в земном варианте потребовалось относительно мало времени - менее одного млрд. лет. Уже 3,8 млрд. лет назад существовали первые микроорганизмы, от которых произошло все многообразие форм земной жизни.
Жизнь возникла на земле абиогенным путем. В настоящее время живое происходит только от живого (биогенное происхождение). Возможность повторного возникновения жизни на земле исключена.
4. Естественнонаучные представления о жизни и её эволюции
Дарвин вскрыл движущие силы эволюции живой природы. Он попытался понять и объяснить действительную природу внутренних противоречий органического мира. Его теория не только объясняет характер этих противоречий, но и указывает пути, по которым они разрешаются в мире животных и растений.
Значительное место во всех трудах Дарвина, и в частности, в «Происхождении видов», занимают доказательства самого факта органической эволюции.
Сейчас общепризнанно, что в основе всего живого лежат сходные химические соединения группы белков, среди которых особое положение имеют нуклеопротеиды. Это — соединения белковых тел и нуклеиновых кислот. Нуклеопротеиды составляют основной компонент клеточного ядра растений и животных. Исследования в области молекулярной биологии показали, что нуклеиновые кислоты ответственны за многие важные процессы жизнедеятельности организмов. При этом особую роль играют макромолекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и рибонуклеиновой кислоты. (РНК). Молекула ДНК во взаимодействии с другими субстанциями клетки определяет синтез белка и ферментов, регулирующих обмен веществ в организме. Белки и нуклеопротеиды (в особенности ДНК и РНК) являются обязательной составной частью всех биологических организмов. Следовательно, с точки зрения химической эволюции они лежат в основе жизни всех известных на Земле биологических форм.
Помимо этого между неживой и живой природой существует извечная, непрерывная связь. «Между косным и живым веществом есть — непрерывная, никогда не прекращающаяся связь, которая может быть выражена как непрерывный биогенный ток атомов из живого вещества в косное вещество биосферы, и обратно. Этот биогенный ток атомов вызывается живым веществом. Он выражается в непрекращающемся никогда дыхании, питании, размножении и т. п.».
На единство живой природы указывает и дифференцированность тела животных и растений. Таким образом, единство мира организмов проявляется как в их химическом составе, так и в строении, и функционировании. Этот факт не мог ускользнуть от внимания естествоиспытателей. Идея сходства живых организмов привела Ж. Кювье к учению о типах животного царства. В дальнейшем она получила разработку в трудах К. Бэра, Э. Геккеля, А. О. Ковалевского, И. И. Мечникова, которые доказывали, что сходство животных не может быть объяснено иначе, как общностью их происхождения.
На единство органического мира указывает и существование так называемых промежуточных форм, к которым относятся животные и растения, занимающие переходное, промежуточное положение между крупными таксонами.
В органическом мире нет жестких границ между его подразделениями. В то же время границы между видами всегда реальны. Дарвин уделяет большое место проблеме вида и видообразования. Не случайно в заглавие его труда вынесены слова «происхождение видов». Как важнейшая единица систематизации вид занимает центральное место в эволюционной теории. Задачей эволюционной теории является объяснение механизма возникновения жизни и изменения реальных видов животных и растений, населяющих Землю.
Доказательством эволюции служит и сходство органов животных, выражающееся в их положении, соотношении в общем плане строения и в развитии из сходного зачатка зародыша. Сходные органы называются гомологичными органами. Эволюционная теория объясняет сходство органов общностью происхождения сравниваемых форм, тогда как сторонники креационистских концепций истолковывали это сходство как волю творца,
создававшего группы животных по определенному плану.
Подтверждением идеи эволюции является отражение истории развития организмов на их строении и на процессах зародышевого развития, а также географическое распространение организмов.
Особое место в разработке и углублении эволюционных представлений занимает генетика. Представления о неизменности генов начинают преодолеваться в 20—30-е годы XX в. в связи с возникновением популяционной, эволюционной генетики. Выяснение структуры популяций позволило по-новому посмотреть на эволюционные процессы, разыгрывающиеся на популяционном уровне. Генетика дала возможность проследить основные этапы эволюционного процесса от появления нового признака в популяции до возникновения нового вида. Она принесла в исследование внутривидового, микроэволюционного уровня точные экспериментальные методы.
Элементарная единица наследственности — ген, представляющий собой участок молекулы ДНК, который определяет развитие элементарных признаков особи. Элементарная эволюционная единица должна отвечать следующим требованиям: конечности деления;
способности наследственного изменения в смене биологических поколений; реальности и конкретности существования в естественных условиях. Такой единицей эволюции считается популяция — элементарная единица эволюционного процесса, а наследственное изменение популяции представляет собой элементарное эволюционное явление. Оно отражает изменение генотипической структуры популяции. Ген подвержен мутациям — наследственным изменениям отдельных особей. Мутация — дискретное
изменение кода наследственной информации особи. Различают генные, хромосомные, геномные, а также внеядерные типы мутаций.
Процесс возникновения мутаций поддерживает очень высокую степень генетической разнородности природных популяций. Но, выполняя роль «поставщика» элементарного материала, сам мутационный процесс не направляет ход эволюционных изменений, он обладает вероятностным, статистическим характером.
Закономерности эволюции находят свое выражение в жизни отдельного индивида, но движущие силы эволюции содержатся внутри системы индивидов, в данном случае популяции. Разрешение противоречий популяции служит основой всей эволюции и при этом определяет преобразование организма как составной части популяции. Отношения между организмами в популяции носят сложный характер. Их изучение затрудняется тем, что помимо внутрипопуляционных взаимодействий организмы испытывают влияние со стороны других популяций, других видов и еще шире — условий окружающей среды.
5. Геологические эры и эволюция жизни
Под влиянием эволюционной теории и геологам пришлось пересмотреть свои представления об истории нашей планеты. Органический мир развивался в течении миллиардов лет вместе с той средой, в которой ему приходилось существовать, т.е. вместе с Землёй. Поэтому эволюцию жизни невзможно понять без эволюции Земли, и наоборот. Брат А.О. Ковалевского Владимир Ковалевский (1842-1883) положил эволюционную теорию в основу палеонтологии - науки об ископаемых организмах.
Первые следы органических остатков геологи обнаруживают уже в древнейших отложениях, относящихся к протерозойской геологической эре , охватывающей огромный промежуток времени - 700 млн лет. Земля в тот период была почти сплошь покрыта океаном. В нём обитали бактерии, простейшие водоросли, примитивные морские животные. Эволюция тогда шла настолько медленно, что проходили десятки миллионов лет, пока органический мир сколько-нибудь заметно изменялся.
В палеозойскую эру (продолжительностью около 365 млн лет) эволюция всего живого шла уже более быстрыми темпами. Образовались большие пространства суши, на которой появились наземные растения. Особенно бурно развивались папоротники: они образовывали гигантские дремучие леса. Морские животные тоже усовершенствовались, что привело к образованию огромных панцирных рыб. В каменноугольном (карбоновом) периоде, на который падает расцвет палеозойской фауны и флоры, появились земноводные. А в пермский период, завершавший палеозойскую эру и начинавший мезозойскую (она удалена от нас на 185 млн лет) появились пресмыкающиеся.
Ещё быстрее животный и растительный мир Земли стал развиваться в мезозойскую эру . Уже в самом её начале пресмыкающиеся стали господствовать на суше. Появились и первые млекопитающие - сумчатые. Всеобщее распространение получили хвойные деревья, возникли разнообразные птицы и млекопитающие.
Около 70 млн лет назад наступила кайнозойская эра . Виды млекопитающих и птиц продолжали совершенствоваться. В растительном мире преобладающая роль перешла к цветковым. Сформировались виды животных и растений, которые обитают на Земле и сейчас.
С возникновением человека около 2 млн лет назад начинается нынешний период кайнозойской эры - четвертичный или антропоген . Человек в геологическом масштабе времени - совершенный младенец. Ведь 2 млн лет для природы - чрезвычайно малый срок. Наиболее значительным событием в кайнозойской эре стало возникновение большого числа культурных растений и домашних животных. Все они - результат творческой деятельности человека, разумного существа, способного к целенаправленной деятельности.
Если Дарвин, разрабатывая теорию эволюции, изучал опыт селекционеров, то вооружённые научной теорией селекционеры научились выводить новые сорта значительно быстрее и целенаправленнее. Здесь особая роль принадлежит российскому учёному Н.И.Вавилову (1887-1943), разработавшему учение о происхождении культурных растений. Эволюция живого продолжается, но уже под влиянием человека.
Мы знаем теперь, что целесообразность органических форм - это не нечто наперёд данное, а результат долгого и сложного процесса развития материи, и, следовательно, целесообразность органических форм относительна. Человек теперь активно изменяет живую природу. Возрастающее вмешательство человека в природные процессы порождает новые серьёзные проблемы, которые могут быть решены лишь при условии, что сам человек возьмёт на себя заботу об окружающей природе, о сохранении тех тонких
соотношений в биосфере , которые сложились в ней за миллионы лет эволюции жизни на Земле.
Учение о биосфере было создано замечательным учёным В.И. Вернадским (1863-1945). Под биосферой учёный понимал ту тонкую оболочку Земли, в которой процессы протекают под прямым воздействием живых организмов.
Биосфера находится на стыке всех других оболочек Земли - литосферы, гидросферы и атмосферы и играет важнейшую роль в обмене веществ между ними. Огромные количества кислорода, углерода, азота, водорода и других элементов постоянно проходят через живые организмы Земли. В.И.Вернадский показал, что нет практически ни одного элемента в таблице Менделеева, который не включался бы в живое вещество планеты и не выделялся из него при его распаде. Поэтому лик Земли как небесного тела фактически сформирован жизнью. Вернадский впервые показал, какую решающую геологическую роль играло на нашей планете живое вещество.
Вернадский акцентировал внимание и на огромной геологической роли человека. Он показал, что будущее биосферы - это ноосфера , т.е. сфера разума. Учёный верил в силу человеческого разума, верил в то, что все активнее вторгаясь в природные эволюционные процессы, человек сумеет направить эволюцию живого таким образом, чтобы сделать нашу планету ещё прекраснее и богаче.
ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Т.Я.Дубнищева «Концепция современного естествознания» учебник., М., 2000 г.
2. С.Х.Карпенков «Концепции современного естествознания». М., «Высшая школа» 2000 г.
3. А.А.Горелов «Концепции современного естествознания». М. «Центр» 1998 г.
4. А.И.Опарин «Жизнь, её природа, происхождение и развитие» М. 1960 г.
5. Поннамперума С. «Происхождение жизни», М., «Мир», 1977 г.
6. Йосип Клечек Вселенная и земля - М. Артия 1985
7. Кесарев В.В. Эволюция вещества во вселенной - М. Атомиздат 1976
Представление о жизни на Земле неоднозначно. Существует несколько гипотез о происхождении жизни на Земле.
Креационизм – земная жизнь была создана Творцом. Представления о Божественном сотворении мира придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религиозных учений. Ни доказать, ни опровергнуть креационистическую концепцию в настоящее время невозможно.
Гипотеза вечности жизни – жизнь, как и сама Вселенная, существовала всегда, и будет существовать вечно, не имея начала и конца. Вместе с тем отдельные тела и образования – галактики, звезды, планеты, организмы – возникают и погибают, т.е. существование во времени ограничено. Жизнь могла распространяться от одной галактики к другой и эта идея «заноса» на Землю жизни из Космоса называется панспермией . Идеи «вечности и безначальности» жизни придерживались многие ученые, среди них С.П. Костычев, В.И. Вернадский.
Гипотеза самопроизвольного зарождения жизни из неживой материи. Идеи о самозарождении жизни высказывались еще со времен античности. На протяжении тысячелетий они верили в возможность постоянного самопроизвольного зарождения жизни , считая его обычным способом появления живых существ из неживой материи. По мнению многих ученых средневековья, рыбы могли зарождаться из ила, черви – из почвы, мыши – из тряпок, мухи – из гнилого мяса.
В XVII в. итальянский ученый Ф. Реди экспериментально показал невозможность постоянного самозарождения живого. В нескольких стеклянных сосудах он поместил кусочки мяса. Часть из них он оставил открытыми, а часть прикрыл кисеей. Личинки мух появились только в открытых сосудах, в закрытых их не было. Принцип Реди: «живое – от живого». Окончательно версия о постоянном самозарождении живых организмов была опровергнута в середине XIX в. Л. Пастером. Опыты убедительно показывали, что в современную эпоху живые организмы любого размера происходят от других живых организмов.
Гипотеза биохимической эволюции. По представлениям, высказанным в 20-х гг. ХХ в. А.И.Опариным, а затем Дж. Холдейном, жизнь, а точнее, живое, возникло из неживой материи на Земле в результате биохимической эволюции .
Условия возникновения жизни при биохимической эволюции
В настоящее время учеными предложены более или менее вероятные объяснения, каким образом в первичных условиях Земли из неживой материи постепенно, шаг за шагом, развились разнообразные формы жизни. Возникновению жизни путем химической эволюции способствовали следующие условия:
— первоначальное отсутствие жизни;
— наличие в атмосфере соединений, обладающих восстановительными свойствами (при почти полном отсутствии кислорода О 2);
— наличие воды и биогенных веществ;
— наличие источника энергии (относительно высокая температура, мощные электрические разряды, высокий уровень УФ-излучения).
Механизм возникновения жизни
Возраст Земли составляет около 4,6–4,7 млрд. лет. Жизнь имеет свою историю, начавшуюся, по палеонтологическим данным, 3–3,5 млрд. лет назад.
В 1924 г. русский академик А.И. Опарин выдвинул гипотезу о механизме зарождения жизни. В 1953 г. американские ученые С. Миллер и Г. Юри экспериментально подтвердили гипотезу образование органических веществ (мономеров) из газов, присутствующих в первичной атмосфере Земли.
В настоящее время имеется уже достаточно много неоспоримых доказательств того, что первичная атмосфера Земли была бескислородной и, вероятно, состояла главным образом из водяных паров H 2 O, водорода H 2 и углекислого газа CO 2 с небольшой примесью других газов (NH 3 , CH 4 , CO, H 2 S). Возникшая на Земле жизнь постепенно изменила эти условия и преобразовала химию верхних оболочек планеты.
Происхождение жизни на Земле — подробности для пытливых умов
Согласно биохимической теории А.И. Опарина в отсутствие кислорода и живых организмов, абиогено синтезировались простейшие органические соединения – мономеров , предшественники биологических макромолекул живого вещества и ряда других органических соединений.
Возможными источниками энергии для образования органических веществ без участия живых организмов, видимо, являлись электрические разряды, ультрафиолетовое излучение, радиоактивные частицы, космические лучи, ударные волны от метеоритов, попадавших в земную атмосферу, теплота от интенсивной вулканической деятельности. В отсутствие кислорода, который мог бы их разрушить, а также живых организмов, которые использовали бы их в качестве пищи, абиогенно образовавшиеся органические вещества накапливались в Мировом океане – «первичном бульоне ».
Следующим шагом было образование более крупных полимеров из малых органических мономеров, опять же без участия живых организмов. Американский ученый С. Фокс в результате нагревания смеси сухих аминокислот получил полипептиды различной длины. Они были названы протеиноидами, т.е. белковообразными веществами. Видимо, на первобытной Земле образование таких протеиноидов и полинуклеотидов со случайной последовательностью аминокислот или нуклеотидов могло происходить при испарении воды в водоемах, остававшихся после отлива.
Если полимер образовался, он способен влиять на образование других полимеров. Некоторые протеиноиды способны, подобно ферментам, катализировать определенные химические реакции: именно эта способность, наверное, была главной чертой, определившей их последующую эволюцию. Эксперименты показывают, что один полинуклеотид, возникший из смеси нуклеотидов может служить матрицей для синтеза другого.
Полипептиды благодаря их амфотерности формировали коллоидные гидрофильные комплексы (т.е. молекулы воды, образуя вокруг белковых молекул оболочку, обособляли их от всей массы воды). При этом отдельные комплексы ассоциировались друг с другом, что приводило к образованию обособленных от первичной среды капель коацерватов , способных поглощать и избирательно накапливать различные соединения . Естественный отбор способствовал выживанию наиболее устойчивых коацерватных систем, способных к дальнейшему усложнению.
Дальнейшая самоорганизация сложных молекул, происходившая за счет концентрирования на границе между коацерватами и внешней средой молекул липидов, привела к образованию перегородок мембранного типа. Во внутренних полостях коацерватов, куда уже только выборочно проникать молекулы, началась эволюцию от химических реакций к биохимическим. Одной из важнейших ступеней этой теории явилось объединение способности полинуклеотидов с каталитической активностью белков-ферментов.
Точка зрения Опарина и его сторонников по существу сформировала гипотезу голобиоза : структурную основу доклеточного предка (биоида) составляют жизнеподобные открытые (коацерватные) микросистемы, типа клеточной, способные к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма . Первичной белковая субстанция.
Гипотеза генобиоза : первичной была макромолекулярная система, подобная гену, способная к саморепродукции . Первичной признана молекула РНК.
Начальные этапы развития жизни на Земле
Современное представление о жизни на Земле сводится к тому, что первые примитивные клетки появились в водной среде Земли 3,8 млрд. лет назад – анаэробные, гетеротрофные прокариоты , они питались синтезированными абиогенно органическими веществами или менее удачливыми своими собратьями; энергетические потребности удовлетворяли за счет брожения.
При увеличении численности гетеротрофных прокариотических клеток запас органических соединений в первичном океане истощался. В этих условиях значительное преимущество при отборе должны были приобрести организмы, способные к автотрофности , т.е. к синтезу органических орг. веществ из неорганических. Видимо, первыми автотрофными организмами были хемосинтезирующие бактерии . Следующим этапом было развитие реакций с использованием солнечного света – фотосинтез .
Для первых фотосинтезирующих бактерий источником электронов был сероводород. Значительно позже у цианобактерий (синезеленых водорослей) развился более сложный процесс получения электронов из воды. В качестве побочного продукта фотосинтеза в земной атмосфере начал накапливаться кислород. Это явилось предпосылкой для возникновения в ходе эволюции аэробного дыхания
. Способность синтезировать при дыхании большее количество АТФ позволяла организмам расти и размножаться быстрее, а также усложнять свои структуры и обмен веществ.
Считают, что предками эукариот были прокариотические клетки. Согласно теории клеточного симбиогенеза эукариотическая клетка представляет сложную структуру, состоящую из нескольких прокариотических клеток, которые взаимодополняют друг друга. Целый ряд данных свидетельствует о происхождении митохондрий и хлоропластов, а возможно, и жгутиков от ранних прокариотических клеток, ставших внутренними симбионтами большей по размерам анаэробной клетки.
Глубокие преобразования в строении и функционировании значительно увеличили эволюционные возможности эукариот, которые, появившись всего 0,9 млрд. лет назад, смогли достигнуть многоклеточного уровня и сформировать современную флору и фауну. Для сравнения следует сказать, что с момента появления первых прокариотических клеток (3,8 млрд. лет назад) до появления первых эукариотических клеток потребовалось 2,5 млрд. лет.
Происхождение жизни на Земле: Основные этапы развития биосферы
| Эон | Эра | Период | Возраст (начало), млн. лет | Органический мир |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Криптозой | Архей | 4500±100 | Образование Земли. Возникновение прокариот и примитивных эукариот. | |
| Протерозой | 2600±100 | Распространены водоросли, бактерии, все типы беспозвоночных. | ||
| Фанерозой | Палеозой | Кембрий | 570±10 | Процветание водорослей и водных беспозвоночных. |
| Ордовик | 495±20 | |||
| Силур | 418±15 | Появление наземных растений (псилофитов) и беспозвоночных. | ||
| Девон | 400±10 | Богатая флора псилофитов, появляются мхи, папоротниковидные, грибы, кистеперые и двоякодышащие рыбы. | ||
| Карбон | 360±10 | Обилие древовидных папоротников, исчезновение псилофитов. Доминируют земноводные, моллюски, рыбы; появляются рептилии. | ||
| Пермь | 290±10 | Богатая флора травянистых и семенных папоротников, появление голосеменных; вымирание древовидных папоротниковидных. Господство морских беспозвоночных, акул; развитие рептилий; вымирают трилобиты. | ||
| Мезозой | Триас | 245±10 | Преобладают древние голосемянные; вымирают семенные папоротники. Преобладают земноводные, рептилии; появляются костистые рыбы, млекопитающие. | |
| Юра | 204±5 | Господствуют современные голосемянные; появляются первые покрытосемянные; вымирают древние голосемянные. Господствуют гигантские рептилии, костистые рыбы, насекомые. | ||
| Мел | 130±5 | Доминируют современные покрытосемянные; сокращаются папоротники и голосемянные. Преобладают костистые рыбы, первоптицы, мелкие млекопитающие; вымирают гигантские рептилии. | ||
| Кайнозой | Палеоген | 65±3 | Широко распространены покрытосемянные, особенно травянистые. Доминируют млекопитающие, птицы, насекомые. Исчезают многие рептилии, головоногие моллюски. | |
| Неоген | 23±1 | |||
| Антропоген (четвертич.) | 1,8 | Современный растительный и животный мир. Эволюция и господство человека. |
Многообразие живых организмов – основа организации и
устойчивости биосферы
Современное биологическое разнообразие: на Земле от 5 до 30 млн. видов. Биологическое разнообразие – как результат взаимодействия двух процессов – видообразования и вымирания. Биологическое разнообразие – наиболее ценный «ресурс» планеты. Биологическое разнообразие включает два понятия: генетическое разнообразие или многообразие генетических свойств у особей одного вида и видовое разнообразие или число различных видов внутри сообщества или всей биосферы. Биоразнообразие обеспечивает новыми источниками питания, энергии, сырья, химических и лекарственных продуктов. Генетическое разнообразие позволяет видам совершенствоваться, приспосабливаться, использовать необходимые ресурсы, найти место в биогеохимическом круговороте Земли. Биоразнообразие – страховая политика природы против катастроф.
Структура биологического разнообразия. Единицы системы – демы и популяции. Генофонд популяции.
Эволюция биологического разнообразия. Сквозная эволюционная тенденция – увеличение разнообразия , прерываемое резкими спадами в результате массовых вымираний видов.
Воздействие человека на биологическое разнообразие. Прямой ущерб в результате человеческой деятельности. Косвенный ущерб от воздействий, нарушающих сбалансированные соотношения и процессы в экосистемах.
Сохранение биологического разнообразия. Инвентаризация и охрана биологического разнообразия. Сочетание прав человека с правами животных. Биоэтика. Сочетание этических принципов и экономических интересов. Сохранение и естественная эволюция биологического разнообразия.
Биологическое разнообразие как индикатор воздействий. Используются как отдельные компоненты биологического разнообразия, так и суммарные показатели. Нарушение структуры функции или сукцессионной последовательности развития экосистемы обычно выражается в сокращении биологического разнообразия.
В настоящее время на Земле описано около 3 млн. видов живых организмов. В современной систематике живых организмов существует следующая иерархия таксонов: царство, отдел (тип в систематике животных), класс, порядок (отряд в систематике животных), семейство, род, вид. Кроме того, выделяют промежуточные таксоны: над- и подцарства, над- и подотделы и т.д.
