Подготовить сообщения гипотеза происхождения жизни. Теории возникновения жизни на земле
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.
Известно, что научные журналы стараются не принимать к публикации статьи, посвященные проблемам, привлекающим всеобщее внимание, но не имеющим четкого решения, - серьезное издание по физике не будет публиковать проект вечного двигателя. Такой темой стало происхождение жизни на Земле. Вопрос о возникновении живой природы, о появлении человека волнует думающих людей многие тысячелетия, а однозначный ответ нашли для себя только креационисты - сторонники божественного происхождения всего сущего, но научной эта теория не является как не подлежащая проверке.
Взгляды древних
О появлении живых существ из воды и гниющих остатков повествуют древнекитайские и древнеиндийские рукописи, о рождении земноводных существ в илистых отложениях больших рек написано древнеегипетскими иероглифами и клинописью Древнего Вавилона. Гипотезы происхождения жизни на Земле путем самозарождения для мудрецов далекого прошлого были очевидны.
Античные философы также приводили примеры появления животных из неживой материи, но их теоретические обоснования имели разную природу: материалистическую и идеалистическую. Демокрит (460-370 до н. э.) находил причину возникновения жизни в особом взаимодействии мельчайших, вечных и неделимых частиц - атомов. Платон (428-347 до н. э.) и Аристотель (384-322 до н. э.) происхождение жизни на Земле объясняли чудесным воздействием на безжизненную материю высшего начала, вселяющего душу в объекты природы.
Идея о существовании некой «жизненной силы», способствующей появлению живых существ, оказалась очень стойкой. Она формировала взгляды на происхождение жизни на Земле у многих ученых, живших в средние века и позднее, вплоть до конца XIX века.
Теория самозарождения
Антони ван Левенгук (1632-1723 гг.) с изобретением микроскопа сделал открытые им мельчайшие микроорганизмы главным предметом спора между учеными, разделявшими две основные теории происхождения жизни на Земле - биогенез и абиогенез. Первые считали, что все живое может быть порождением только живого, вторые полагали возможным самозарождение органической материи в растворах, помещенных в особые условия. Суть этого спора не изменилась до сих пор.
Эксперименты одних натуралистов доказывали возможность самопроизвольного возникновения простейших микроорганизмов, сторонники биогенеза полностью отрицали такую вероятность. Луи Пастер (1822-1895 гг.) строго научными методами, высокой корректностью своих опытов доказал отсутствие мифической жизненной силы, передающейся по воздуху и порождающей живые бактерии. Однако в своих работах он допускал возможность самозарождения в каких-то особых условиях, выяснить которые предстояло ученым будущих поколений.
Теория эволюции
Труды великого Чарльза Дарвина (1809-1882 гг.) потрясли основы многих естественных наук. Провозглашенное им появление огромного многообразия биологических видов от одного общего предка опять сделало происхождение жизни на Земле важнейшим вопросом науки. Теория естественного отбора и в начале с трудом находила своих сторонников, и теперь подвергается критическим атакам, которые выглядят достаточно обоснованно, но именно дарвинизм лежит в основе современных естественных наук.
После Дарвина происхождение жизни на Земле биология не могла рассматривать с прежних позиций. Ученые многих отраслей биологической науки убеждались в истинности эволюционного пути развития организмов. Пусть во многом изменились современные взгляды на общего предка, помещенного Дарвиным в основание Древа жизни, но истинность общей концепции незыблема.
Теория стационарного состояния
Лабораторное опровержение спонтанного самозарождения бактерий и других микроорганизмов, осознание сложного биохимического строения клетки вместе с идеями дарвинизма оказали особое влияние на появление альтернативных вариантов теории происхождения жизни на Земле. В 1880 году одно из новых суждений предложил Вильям Прейер (1841-1897 гг.). Он считал, что нет необходимости говорить о рождении жизни на нашей планете, так как она существует вечно, и у неё не было начала как такового, она неизменна и постоянно готова к возрождению в любых подходящих условиях.
Идеи Прейера и его последователей представляют собой только чисто исторический и философский интерес, потому что в дальнейшем астрономы и физики рассчитали сроки конечного существования планетарных систем, зафиксировали постоянное, но неуклонное расширение Вселенной, т. е. она никогда не была ни вечной, ни постоянной.
Стремление рассматривать мир как единую глобальную живую сущность перекликалось со взглядами великого ученого и философа из России - Владимира Ивановича Вернадского (1863-1945 гг.), также имевшего своё представление о происхождении жизни на Земле. Оно основывалось на понимании жизни как неотъемлемой характеристики Вселенной, космоса. По мнению Вернадского, то, что наука не смогла найти пластов, не содержавших следов органических веществ, говорило о геологической вечности жизни. Одним из способов, которым жизнь появилась на молодой планете, Вернадский называл её контакты с космическими объектами - кометами, астероидами и метеоритами. Тут его теория смыкалась с другой версией, объяснявшей происхождение жизни на Земле методом панспермии.
Колыбель жизни - космос
Панспермия (греч. - "семенная смесь", "семена повсюду") считает жизнь фундаментальным свойством материи и не объясняет способов её возникновения, но называет космос источником зародышей жизни, которые попадают на небесные тела с подходящими для их «прорастания» условиями.
Первое упоминание об основных концепциях панспермии можно найти в сочинениях древнегреческого философа Анаксагора (500-428 до н. э.), а в XVIII веке о ней высказывался французский дипломат и геолог Бенуа де Майе (1656-1738 гг.). Реанимировали эти идеи Сванте Август Аррениус (1859-1927 гг.), лорд Кельвин Уильям Томсон (1824-1907 гг.) и Герман фон Гельмгольц (1821-1894 гг.).
Исследование жестокого влияния на живые организмы космического излучения и температурных условий межпланетного пространства сделало подобные гипотезы происхождения жизни на Земле не слишком актуальными, но с началом космической эры интерес к панспермии усилился.
В 1973 году нобелевский лауреат Френсис Крик (1916-2004 гг.) высказал мысль о внеземном производстве молекулярных живых систем и попадании их на Землю с метеоритами и кометами. При этом шансы абиогенеза на нашей планете им оценивались как очень низкие. Происхождение и развитие жизни на Земле методом самосборки органического вещества высокого уровня видный ученый не считал реальностью.
Окаменевшие биологические структуры находили в метеоритах по всей планете, подобные следы нашли в образцах грунта, доставленных с Луны и Марса. С другой стороны, проводятся многочисленные эксперименты по обработке биоструктур воздействиями, возможными при нахождении их в космическом пространстве и при прохождении атмосферы, подобной земной.
Важный эксперимент был проведен в 2006 году в рамках миссии Deep Impact. Комета Темпеля была протаранена специальным зондом-импактором, выпущенным автоматическим аппаратом. Анализ кометного вещества, которое выделилось в результате удара, показал наличие в нем воды и многообразных органических соединений.
Вывод: со времени появления теория панспермии значительно изменилась. Современная наука по-другому трактует те первичные элементы жизни, которые могли быть доставлены на нашу молодую планету космическими объектами. Исследования и эксперименты доказывают жизнестойкость живых клеток в условиях межпланетного путешествия. Всё это делает идею внеземного происхождения земной жизни актуальной. Основными концепциями происхождения жизни на Земле являются теории, в которые панспермия входит или как главная часть, или как способ доставки на Землю компонентов для создания живой материи.
Теория биохимической эволюции Опарина-Холдейна
Идея самозарождения живых организмов из неорганических веществ всегда оставалась чуть ли не единственной альтернативой креационизму, и в 1924 году вышла монография из 70 страниц, придавшая этой идее силу проработанной и обоснованной теории. Эта работа называлась «Происхождение жизни», автором её был русский ученый - Александр Иванович Опарин (1894-1980 гг.). В 1929 году, когда труды Опарина еще не были переведены на английский язык, похожие концепции происхождения жизни на Земле высказал английский биолог Джон Холдейн (1860-1936 гг.).
Опарин предположил, что, если примитивная атмосфера молодой планеты Земля была восстановительной (то есть не содержащей кислорода), мощный всплеск энергии (например, молния или ультрафиолетовое излучение) мог способствовать синтезу органических соединений из неорганического вещества. В дальнейшем такие молекулы могли образовывать сгустки и скопления - коацерватные капли, представляющие собой протоорганизмы, вокруг которых образуются водные рубашки - зачатки оболочки-мембраны, происходит расслоение, порождающее разность зарядов, значит, движение - начало обмена веществ, зачатки метаболизма и т. д. Коацерваты считались основой для начала эволюционных процессов, которые привели к созданию первых жизненных форм.
Холдейн ввел понятие «первичного бульона» - начального земного океана, ставшего огромной химической лабораторией, подключенной к мощному источнику питания - солнечному свету. Сочетание диоксида углерода, аммиака и ультрафиолетового излучения привело к появлению концентрированной популяции органических мономеров и полимеров. Впоследствии такие образования соединялись с появлением вокруг них липидной мембраны, и их развитие привело к образованию живой клетки.
Основные этапы происхождения жизни на Земле (по Опарину-Холдейну)
Согласно теории возникновения Вселенной из сгустка энергии, Большой Взрыв произошел около 14 млрд лет назад, а около 4,6 млрд лет назад завершилось создание планет Солнечной системы.
Молодая Земля, постепенно охлаждаясь, обрела твердую оболочку, вокруг которой происходило образование атмосферы. Первичная атмосфера содержала водяные пары и газы, в дальнейшем послужившие сырьем для органического синтеза: оксид и диоксид углерода, сероводород, метан, аммиак, цианистые соединения.
Бомбардировка космическими объектами, содержащими воду в замерзшем состоянии, и конденсация водных паров в атмосфере привели к образованию Мирового океана, в котором растворялись различные химические соединения. Мощные грозы сопровождали формирование атмосферы, сквозь которую проникало сильное ультрафиолетовое излучение. В таких условиях происходил синтез аминокислот, сахаров и другой простейшей органики.
В конце первого миллиарда лет существования Земли начался процесс полимеризации в воде простейших мономеров в белки (полипептиды) и нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды). Они начали образовывать предбиологические соединения - коацерваты (с зачатками ядра, метаболизма и мембраны).
3,5-3 млрд лет до нашей эры - этап образования протобионтов, обладающих самовоспроизведением, регулируемым обменом веществ, мембраной с изменяемой проницаемостью.
3 млрд лет до н. э. - появление клеточных организмов, нуклеиновых кислот, первичных бактерий, начало биологической эволюции.
Экспериментальные доказательства гипотезы Опарина-Холдейна
Многие ученые положительно оценили основные концепции происхождения жизни на Земле на основе абиогенеза, хотя с самого начала находили в теории Опарина-Холдейна узкие места и недоговоренности. В разных странах начались работы по проведению тестовых исследований гипотезы, из которых наиболее известен классический эксперимент, проведенный в 1953 году американскими учеными Стенли Миллером (1930-2007 гг.) и Гарольдом Юри (1893-1981 гг.).
Суть эксперимента заключалась в моделировании в лаборатории условий ранней Земли, в которых мог происходить синтез простейших органических соединений. В приборе циркулировала газовая смесь, аналогичная по составу первичной земной атмосфере. Конструкция прибора обеспечивала имитацию вулканической деятельности, а пропускаемые через смесь электрические разряды создавали эффект молний.
После недельного циркулирования смеси по системе был отмечен переход десятой части углерода в органические соединения, были обнаружены аминокислоты, сахара, липиды и соединения, предшествующие аминокислотам. Повторные и модифицированные опыты полностью подтвердили возможность абиогенеза в имитируемых условиях ранней Земли. В последующие годы в других лабораториях были проведены повторные опыты. К составу газовой смеси добавлялся сероводород как возможный компонент вулканических выделений, вносились другие некардинальные изменения. В большинстве случаев опыт синтеза органических соединений удавался, хотя попытки пойти дальше и получить более сложные элементы, приближающиеся по составу к живой клетке, успехом не увенчались.
Мир РНК
К концу XX века многим ученым, которых не переставала интересовать проблема происхождения жизни на Земле, стало понятно, что при всей стройности теоретических построений и отчетливом опытном подтверждении теория Опарина-Холдейна имеет явные, может быть, непреодолимые изъяны. Главным из них являлась невозможность объяснить появление у протобионтов определяющих для живого организма свойств - размножаться с сохранением наследственных признаков. С открытием генетических клеточных структур, с определением функции и строения ДНК, с развитием микробиологии появился новый кандидат на роль молекулы первожизни.
Им стала молекула рибонуклеиновой кислоты - РНК. Эта макромолекула, входящая в состав всех живых клеток, представляет собой цепь нуклеотидов - простейших органических звеньев, состоящих из атомов азота, моносахарида - рибозы и фосфатной группы. Именно последовательность нуклеотидов является кодом наследственной информации, и у вирусов, например, РНК выполняет ту роль, что у сложных клеточных структур играет ДНК.
Кроме того, учеными открыта уникальная способность некоторых молекул РНК вносить разрывы в другие цепочки или склеивать отдельные элементы РНК, а некоторые играют роль автокатализаторов - то есть способствуют быстрому самовоспроизведению. Относительно небольшие размеры макромолекулы РНК и её упрощенное, по сравнению с ДНК, строение (в одну нить) сделали рибонуклеиновую кислоту главным кандидатом на роль основного элемента добиологических систем.
Окончательно новую теорию возникновения живой материи на планете сформулировал в 1986 году Уолтер Гилберт (род. 1932 г.) - американский физик, микробиолог и биохимик. Не все специалисты были согласны с таким взглядом на происхождение жизни на Земле. Кратко названная «Мир РНК», теория строения добиологического мира нашей планеты не может ответить на простой вопрос, как появилась первая молекула РНК с заданными свойствами, даже если присутствовало огромное количество «строительного материала» в виде нуклеотидов и т. д.
Мир ПАУ
Ответ постарался найти в мае 2004 года Саймон Николас Платтс, а в 2006 году группа ученых под руководством Паскаль Эренфройнд. В качестве исходного материала для РНК с катализирующими свойствами были предложены полиароматические углеводороды.
Мир ПАУ был основан на большой распространенности этих соединений в видимом космосе (они наверняка присутствовали в «первичном бульоне» молодой Земли) и особенностях их кольцеобразного строения, способствующего быстрому соединению с азотистыми основаниями - ключевыми компонентами РНК. Теория ПАУ в очередной раз говорит о злободневности некоторых положений панспермии.
Уникальная жизнь на уникальной планете
Пока у ученых не будет возможности вернуться на 3 млрд лет назад, тайна возникновения жизни на нашей планете не будет раскрыта - к такому выводу приходят многие из тех, кто занимался этой проблемой. Основными концепциями происхождения жизни на Земле являются: теория абиогенеза и теория панспермии. Они могут во многом пересекаться, но, скорее всего, не смогут ответить: как среди огромного космоса появилась удивительно точно сбалансированная система из Земли и её спутника - Луны, как зародилась на ней жизнь…
Гипотезы происхождения жизни на Земле.В настоящее время существует несколько концепций рассматривающих происхождение жизни на земле. Остановимся лишь на некоторых главных теориях, помогающих составить довольно полную картину этого сложного процесса.
Креационизм (лат. сгеа — создание).
Согласно этой концепции, жизнь и все населяющие Землю виды живых существ являются результатом творческого акта высшего существа в какое-то определенное время.
Основные положения креационизма изложены в Библии, в Книге Бытия. Процесс божественного сотворения мира мыслится как имевший место лишь единожды и поэтому недоступный для наблюдения.
Этого достаточно, чтобы вынести всю концепцию божественного сотворения за рамки научного исследования. Наука занимается только теми явлениями, которые поддаются наблюдению, а поэтому она никогда не будет в состоянии ни доказать, ни отвергнуть эту концепцию.
Самопроизвольное (спонтанное) зарождение .
Идеи происхождения живых существ из неживой материи были распространены в Древнем Китае, Вавилоне, Египте. Крупнейший философ Древней Греции Аристотель высказал мысль о том, что определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм.
Ван Гельмонт (1579—1644), голландский врач и натурфилософ, 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 зарождения мыши Ван Гельмонт считал человеческий пот.
В ХVII—ХVIII веках благодаря успехам в изучении низших организмов, оплодотворения и развития животных, а также наблюдениям и экспериментам итальянского естествоиспытателя Ф. Реди (1626—1697), голландского микроскописта А. Левенгука (1632—1723), итальянского ученого Л. Спалланцани (1729—1799), русского микроскописта М. М. Тереховского (1740—1796) и других вера в самопроизвольное зарождение была основательно подорвана.
Однако вплоть до появления в середине Х века работ основоположника микробиологии Луи Пастера это учение продолжало находить приверженцев.
Развитие идеи самозарождения относится, по существу, к той эпохе, когда в общественном сознании господствовали религиозные представления.
Те философы и натуралисты, которые не хотели принимать церковного учения о «сотворении жизни», при тогдашнем уровне знаний легко приходили к идее ее самозарождения.
В той мере, в какой, в противовес вере в сотворение, подчеркивалась мысль о естественном возникновении организмов, идея самозарождения имела на определенном этапе прогрессивное значение. Поэтому против этой идеи часто выступали Церковь и теологи.
Гипотеза панспермии .
Согласно этой гипотезе, предложенной в 1865г. немецким ученым Г. Рихтером и окончательно сформулированной шведским ученым Аррёниусом в 1895 г., жизнь могла быть занесена на Землю из космоса.
Наиболее вероятно попадание живых организмов внеземного происхождения с мётеоритами и космической пылью. Это предположение основывается на данных о высокой устойчивости некоторых организмов и их спор к радиации, глубокому вакууму, низким температурам и другим воздействиям.
Однако до сих пор нет достоверных фактов, подтверждающих внеземное происхождение микроорганизмов, найденных в метеоритах.
Но если бы даже они попали на Землю и дали начало жизни на нашей планете, вопрос об изначальном возникновении жизни оставался бы без ответа.
Гипотеза биохимической эволюции .
В 1924 г. биохимиком А. И. Опариным, а позднее английским ученым Дж. Холдейном (1929) была сформулировала гипотеза, рассматривающая жизнь как результат длительной эволюции углеродных соединений.
Современная теория возникновения жизни на Земле, называемая теорией биопоэза, была сформулирована в 1947 г. английским ученым Дж. Берналом.
В настоящее время в процессе становления жизни условно выделяют четыре этапа:
- 1. Синтез низкомолекулярных органических соединении (биологических мономеров) из газов первичной атмосферы.
- 2. Образование биологических полимеров.
- 3. Формирование фазообособленных систем органических веществ, отделенных от внешней среды мембранами (протобионтов).
- 4. Возникновение простейших клеток, обладающих свойствами живого, в том числе репродуктивным аппаратом, обеспечивающим передачу дочерним клеткам свойств клеток родительских.
Первые три этапа относят к периоду химической эволюции, а с четвертого начинается эволюция биологическая.
Рассмотрим более подробно процессы, в результате которых на Земле могла возникнуть жизнь. Согласно современным представлениям, Земля сформировалась около 4,6 млрд. лет назад. Температура ее поверхности была очень высокой (4000—8000° С), и по мере остывания планеты и действия гравитационных сил происходило образование земной коры из соединений раз личных элементов.
Процессы дегазации привели к созданию атмосферы, обогащенной, возможно, азотом аммиаком, парами воды, углекислым и угарным газами. Такая атмосфера была, по-видимому, восстановительной, о чем свидетельствует наличие в самых древних горных породах Земли металлов в восстановленной форме, таких, как, например, двухвалентное железо.
Важно отметить при этом, что в атмосфере имелись атомы водорода, углерода, кислорода и азота, составляющие 99% атомов, входящих в мягкие ткани любого живого организма.
Однако, чтобы атомы превратились в сложные молекулы, простых столкновений их было недостаточно. Нужна была дополнительная энергия, которая имелась на Земле как результат вулканической деятельности, электрических грозовых разрядов, радиоактивности, ультрафиолетового излучения Солнца.
Отсутствие свободного кислорода было, вероятно, недостаточным условием для возникновения жизни. Если бы свободный кислород присутствовал на Земле в добиотический период, то, с одной стороны, он окислял бы синтезирующиеся органические вещества, а с другой — образуя озоновый слой в верхних горизонтах атмосферы, поглощал бы высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение Солнца.
В рассматриваемый период возникновения жизни, длившийся примерно 1000 млн. лет, ультрафиолет был, вероятно, основным источником энергии для синтеза органических веществ.
Опарин А.И.
Из водорода, азота и соединений углерода при наличии свободной энергии на Земле должны были возникать сначала простые молекулы (аммиак, метан и подобные простые соединения).
В дальнейшем эти несложные молекулы в первичном океане могли вступать в реакции между собой и с другими веществами, образуя новые соединения.
В 1953 году американский исследователь Стенли Миллер в ряде экспериментов моделировал условия, существовавшие на Земле приблизительно 4 млрд. лет назад.
Пропуская электрические разряды через смесь аммиака, метана, водорода и паров воды, он получил ряд аминокислот, альдегидов, молочную, уксусную и другие органические кислоты. Американский биохимик Сирил Поннаперума добился образования нуклеотидов и АТФ. В ходе таких и аналогичных им реакций воды первичного океана могли насыщаться различными веществами, образуя так называемый «первичный бульон».
Второй этап состоял в дальнейших превращениях органических веществ и образовании абиогенным путем более сложных органических соединений, в том числе и биологических полимеров.
Американский химик С. Фокс составлял смеси аминокислот, подвергал их нагреванию и получал протеиподобные вещества. На первобытной земле синтез белка мог проходить на поверхности земной коры. В небольших углублениях в застывающей лаве возникали водоемы, содержащие растворенные в воде малые молекулы, в том числе и аминокислоты.
Когда вода испарялась или выплескивалась на горячие камни, аминокислоты вступали в реакцию, образуя протеноиды. Затем дожди смывали протеноиды в воду. Если некоторые из этих протеноидов обладали каталитической активностью, то мог начаться синтез полимеров, т. е. белковоподобных молекул.
Третий этап характеризовался выделением в первичном «питательном бульоне» особых коацерватных капель, представляющих собой группы полимерных соединений. Было показано в ряде опытов, что образование коацерватных суспензий, или микросфер, типично для многих биологических полимеров в растворе.
Коацерватные капли обладают некоторыми свойствами, характерными и для живой протоплазмы, как, например, избирательно адсорбировать вещества из окружающего раствора и за счет этого «расти», увеличивать свои размеры.
Благодаря тому, что концентрация веществ в коацерватных каплях была в десятки раз больше, чем в окружающем растворе, возможность взаимодействия между отдельными молекулами значительно возрастала.
Известно, что молекулы многих веществ, в частности полипептидов и жиров, состоят из частей, обладающих разным отношением к воде. Гидрофильные части молекул, расположенные на границе между коацерватами и раствором, поворачиваются в сторону раствора, где содержание воды больше.
Гидрофобные части ориентируются внутрь коацерватов, где концентрация воды меньше. В результате поверхность коацерватов приобретает определенную структуру и, в связи с этим, свойство пропускать в определенном направлении одни вещества и не пропускать другие.
Благодаря этому свойству, концентрация некоторых веществ внутри коацерватов еще больше возрастает, а концентрация других уменьшается, и реакции между компонентами коацерватов приобретают определенную направленность. Коацерватные капли становятся системами, обособленными от среды. Возникают протоклетки, или протобионты.
Важным этапом химической эволюции явилось образование мембранной структуры. Параллельно с появлением мембраны шло упорядочение и усовершенствование метаболизма. В дальнейшем усложнении обмена веществ в таких системах существенную роль должны были играть катализаторы.
Одним из основных признаков живого является способность к репликации, т. е. созданию копий, не отличаемых от материнских молекул. Таким свойством обладают нуклеиновые кислоты, которые в отличие от белков способны к репликации.
В коацерватах мог образовываться протеноид, способный катализировать полимеризацию нуклеотидов с образованием коротких цепочек РНК. Эти цепочки могли выполнять роль как примитивного гена, так и информационной РНК. В этом процессе не участвовали еще ни ДНК, ни рибосомы, ни транспортные РНК, ни ферменты белкового синтеза. Все они появились позже.
Уже на стадии формирования протобионтов имел место, вероятно, естественный отбор, т. е. сохранение одних форм и элиминация (гибель) других. Так прогрессивные изменения в структуре протобионтов закреплялись благодаря отбору.
Появление структур, способных к самовоспроизведению, репликации, изменчивости определяет, по-видимому, четвертый этап становления жизни.
Итак, в позднем архее (приблизительно 3,5 млрд. лет назад) на дне небольших водоемов или мелководных, теплых и богатых питательными веществами морей возникли первые примитивные живые организмы, которые по типу питания были гетеротрофами, т. е. питались готовыми органическими веществами, синтезированными в ходе химической эволюции.
Способом обмена веществ им служило, вероятно, брожение — процесс ферментативного превращения органических веществ, в котором акцепторами электронов служат другие органические вещества.
Часть энергии, выделяемой в этих процессах, запасается в виде АТФ. Возможно, некоторые организмы для жизненных процессов использовали и энергию окислительно-восстановительных реакций, т. е. были хемосинтетиками.
Со временем происходило уменьшение запасов свободной органики в окружающей среде и преимущество получили организмы, способные синтезировать органические соединения из неорганических.
Таким путем, вероятно, около 2 млрд. лет назад возникли первые фототрофные организмы типа цианобактерий, способные использовать световую энергию для синтеза органических соединений из СО2 и Н2О выделяя при этом свободный кислород.
Переход к автотрофному питанию имел большое значениё для эволюции жизни на Земле не только с точки зрения создания запасов органического вещества, но и для насыщения атмосферы кислородом. При этом атмосфера стала приобретать окислительный характер.
Появление озонового экрана защитило первичные организмы от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей и положило конец абиогенному (небиологическому) синтезу органических веществ.
Таковы современные научные представления об основных этапах происхождения и становления жизни в Земле.
Наглядная схема развития жизни на Земле (кликабельно)
Дополнение:
Удивительный мир «чёрных курильщиков»
В науке долгое время считалось, что живые организмы могут существовать только от энергии Солнца. Жюль Верн в своем романе «Путешествие к центру Земли» описал подземный мир с динозаврами и древними растениями. Однако это художественная литература. Но, кто бы мог подумать, что найдется обособленный от энергии Солнца мир с абсолютно не похожими живыми организмами. И найден он был на дне Тихого океана.
Еще в пятидесятых годах двадцатого века считалось, что на океанских глубинах жизни быть не может. Изобретение Огюстом Пикаром батискафа развеяло эти сомнения.
Его сын, Жак Пикар вместе с Доном Уолшем спустился в батискафе «Триест» в Марианскую впадину на глубину свыше десяти тысяч метров. На самом дне участники погружения увидели живую рыбу.
После этого океанографические экспедиции многих стран начали прочесывать глубоководными сетями океанскую бездну и открывать новые виды животных, семейства, отряды и даже классы!
Погружения в батискафах совершенствовались. Жак-Ив Кусто и ученые многих стран совершали дорогостоящие погружения на дно океанов.
В 70-х годах было совершено открытие, которое перевернуло многие представления ученых. Возле Галапагосских островов на глубине от двух до четырех тысяч метров были обнаружены разломы.
И на дне были обнаружены маленькие вулканы — гидротермы. Морская вода, попадая в разломы земной коры, испарялась вместе с различными полезными ископаемыми через небольшие вулканы высотой до 40 метров.
Эти вулканы назвали «черными курильщиками» из-за того, что вода выходила из них черного цвета.
Однако самое невероятное, что в такой воде, наполненной сероводородом, тяжелыми металлами и различными ядовитыми веществами, процветает бурная жизнь.
Температура воды, выходящей из черных курильщиков, достигает 300° С. На глубину четыре тысячи метров не проникают солнечные лучи, и, следовательно, тут не может быть богатой жизни.
Даже в более мелких глубинах очень редко встречаются донные организмы, не говоря уже о глубоких безднах. Там животные питаются органическими остатками, которые падают сверху. И чем больше глубины, тем меньше беднее донная жизнь.
На поверхностях черных курильщиков были найдены хемоавтотрофные бактерии, которые расщепляют соединения серы, извергаемые из недр планеты. Бактерии покрывают сплошным слоем поверхность дна и живут в агрессивных условиях.
Они стали пищей для многих других видов животных. Всего было описано около 500 видов животных, обитающих в экстремальных условиях «черных курильщиков».
Еще одним открытием стали вестиментиферы, которые относятся к классу причудливых животных — погонофор.
Это маленькие трубочки, из которых высовываются длинные трубки на концах с щупальцами. Необычность этих животных состоит в том, что у них нет пищеварительной системы! Они вступили в симбиоз с бактериями. Внутри вестиментифер есть орган — трофосома, где живет много сернистых бактерий.
Бактерии получают сероводород и диоксид углерода для жизни, излишек размножающихся бактерий поедает сама вестиментифера. Кроме того, рядом были найдены двустворчатые моллюски родов Calyptogena и Bathymodiolus, которые также вступили в симбиоз с бактериями и перестали зависеть от поисков пищи.
Одни из самых необычных созданий глубоководного мирка гидротерм — это помпейные черви Alvinella.
Названы они из-за аналогии с извержением вулкана Помпеи — живут эти существа в зоне горячей воды, достигающей 50°С, и на них постоянно падает пепел из частиц серы. Черви вместе с вестиментиферами образуют настоящие «сады», дающие пищу и приют многим организмам.
Среди колоний вестиментифер и помпейных червей живут крабы и десятиногие раки, которые питаются ими. Также среди этих «садов» встречаются осьминоги и рыбы из семейства бельдюговых. Мир черных курильщиков приютил и давно уже вымерших животных, которые были вытеснены из других частей океана, таких как усоногих рачков Neolepas.
Эти животные были широко распространены 250 миллионов лет назад, однако затем вымерли. Здесь же представители усоногих ракообразных чувствуют себя спокойно.
Открытие экосистем «черных курильщиков» стало самым значимым событием в биологии. Такие экосистемы были обнаружены в разных частях Мирового Океана и даже на дне озера Байкал.
Помпейский червь. Фото life-grind-style.blogspot.com
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.
Происхождении жизни на Земле является ключевой и нерешенной проблемой естествознания, нередко служащей почвой для столкновения науки и религии. Если наличие в природе эволюции живой материи можно считать доказанным, так как были вскрыты ее механизмы, археологами обнаружены древние более просто устроенные организмы, то ни одна гипотеза возникновения жизни не имеет такой обширной доказательной базы. Эволюцию мы можем наблюдать воочию хотя бы в селекции. Создать же живое из неживого никому не удавалось.
Несмотря на большое количество гипотез о происхождении жизни, лишь одна из них имеет приемлемое научное объяснение. Это гипотеза абиогенеза - длительной химической эволюции, которая протекала в особых условиях древней Земли и предшествовала биологической эволюции. При этом из неорганических веществ сначала были синтезированы простые органические, из них более сложные, далее появились биополимеры, следующие этапы более умозрительны и малодоказуемы. Гипотеза абиогенеза имеет много нерешенных проблем, различных взглядов на определенные этапы химической эволюции. Однако некоторые ее моменты были подтверждены опытным путем.
Другие гипотезы происхождения жизни - панспермия (занесение жизни из космоса), креационизм (сотворение творцом), самопроизвольное зарождение (в неживой материи вдруг появляются живые организмы), стационарное состояние (жизнь существовала всегда). Невозможность самозарождения жизни в неживом была доказано Луи Пастером (XIX в.) и рядом ученых до него, но не так безапелляционно (Ф. Реди - XVII в.). Гипотеза панспермии не решает проблему возникновения жизни, а переносит ее с Земли в космическое пространство или на другие планеты. Однако и опровергнуть эту гипотезу сложно, особенно тех ее представителей, которые утверждают, что жизнь была занесена на Землю не метеоритами (в этом случае живое могло сгореть в слоях атмосферы, подвергнуться разрушительному действию космической радиации и т. д.), а разумными существами. Только вот как они долетели до Земли? С точки зрения физики (огромных размеров Вселенной и невозможности преодолеть скорость света) это вряд ли возможно.
Впервые возможный абиогенез был обоснован А.И. Опариным (1923-1924 г.), позже данную гипотезу разрабатывал Дж. Холдейн (1928 г). Однако мысль, что жизни на Земле могло предшествовать абиогенное образование органических соединений, высказывал еще Дарвин. Теория абиогенеза была доработана и дорабатывается другими учеными и по сей день. Главная ее нерешенная проблема - это подробности перехода от сложных неживых систем к простым живым организмам.
В 1947 г. Дж. Бернал, на основе разработок Опарина и Холдейна, сформулировал теорию биопоэза, выделив в абиогенезе три стадии: 1) абиогенное возникновение биологических мономеров; 2) образование биополимеров; 3) образование мембран и формирование первичных организмов (протобионтов).
Абиогенез
Ниже в общих чертах описан предположительный сценарий происхождения жизни согласно теории абиогенеза.
Возраст Земли составляет около 4,5 млрд. лет. Жидкая вода на планете, так необходимая для жизни, по оценкам ученых появилась не ранее 4 млрд. лет назад. При этом 3,5 млрд. лет назад жизнь на Земле уже существовала, что доказано обнаружением пород таких возрастов со следами жизнедеятельности микроорганизмов. Таким образом, первые простейшие организмы возникли относительно быстро - менее чем за 500 млн. лет.
Когда Земля только образовалась, ее температура могла достигать 8000 °C. При остывании планеты металлы и углерод как наиболее тяжелые элементы конденсировались и образовывали земную кору. В то же время происходила вулканическая активность, кора двигалась и сжималась, на ней образовывались складки и разрывы. Гравитационные силы приводили к уплотнению коры, при этом выделялась энергия в виде тепла.
Легкие газы (водород, гелий, азот, кислород и др.) не удерживались планетой и уходили в космос. Но в составе других веществ эти элементы оставались. До тех пор, пока температура на Земле не упала ниже 100 °C, вся вода находилась в парообразном состоянии. После снижения температуры испарение и конденсация повторялись множество раз, шли сильные ливни с грозами. Горячая лава и вулканический пепел, оказавшись в воде, создавали разные условия среды. В каких-то могли протекать определенные реакции.
Таким образом, физические и химические условия на ранней Земле были благоприятны для образования органических веществ их неорганических. Атмосфера была восстановительного типа, свободного кислорода и озонового слоя в ней не было. Поэтому на Землю проникали ультрафиолетовое и космическое излучение. Другими источниками энергии были теплота земной коры, которая еще не остыла, извергающиеся вулканы, грозы, радиоактивный распад.
В атмосфере присутсвовали метан, оксиды углерода, аммиак, сероводород, цианистые соединения, а также пары воды. Из них синтезировались ряд простейших органических веществ. Далее могли образовываться аминокислоты, сахара, азотистые основания, нуклеотиды и другие более сложные органические соединения. Многие из них послужили мономерами для будущих биологических полимеров. Отсутствие в атмосфере свободного кислорода благоприятствовало протеканию реакций.
Химическими опытами (впервые в 1953 г. С. Миллер и Г. Юри), моделирующих условия древней Земли, была доказана возможность абиогенного синтеза органических веществ из неорганических. При пропускании электрических разрядов через газовую смесь, имитировавшую первобытную атмосферу, в присутсвии паров воды были получены аминокислоты, органические кислоты, азотистые основания, АТФ и др.
Следует отметить, что в древней атмосфере Земли простейшие органические вещества могли образовываться не только абиогенно. Они также заносились из космоса, содержались в вулканической пыли. Причем это могли быть достаточно большие количества органики.
Низкомолекулярные органические соединения накапливались в океане, создавая так называемый первичный бульон. Вещества адсорбировались на поверхности глинистых отложений, что повышало их концентрацию.
В определенных условиях древней Земли (например на глине, склонах остывающих вулканов) могла происходить полимеризация мономеров. Так образовались белки и нуклеиновые кислоты - биополимеры, ставшие в последствии химической основой жизни. В водной среде полимеризация маловероятна, так как в воде обычно происходит деполимеризация. Опытом была доказана возможность синтеза полипептида из аминокислот, соприкасающихся с кусками горячей лавы.
Следующий важный шаг на пути происхождения жизни – образование в воде коацерватных капель (коацерватов ) из полипептидов, полинуклеотидов, других органических соединений. Подобные комплексы снаружи могли иметь слой, имитировавший мембрану и сохраняющий их стабильность. Опытным путем в коллоидных растворах были получены коацерваты.
Белковые молекулы амфотерны. Они притягивают к себе молекулы воды так, что вокруг них образуется оболочка. Получаются коллоидные гидрофильные комплексы, обособленные от водной массы. В результате в воде образуется эмульсия. Далее коллоиды сливаются между собой и образуются коацерваты (процесс называется коацервацией). Коллоидный состав коацервата зависел от состава среды, в которой он образовывался. В разных водоемах древней Земли образовывались разные по химическому составу коацерваты. Какие-то из них были более устойчивыми и могли в определенной степени осуществлять избирательный обмен веществ с окружающей средой. Происходил своего рода биохимический естественный отбор.
Коацерваты способны избирательно поглощать из окружающей среды некоторые вещества и выделять в нее некоторые продукты протекающих в них химических реакций. Это напоминает обмен веществ. По мере накопления веществ коацерваты росли, а при достижении критических размеров распадались на части, каждая из которых сохраняла черты исходной организации.
В самих коацерватах могли происходить химические реакции. При поглощении коацерватами ионов металлов могли образовываться ферменты.
В процессе эволюции остались лишь такие системы, которые были способны к саморегуляции и самовоспроизведению. Это знаменовало наступление следующего этапа происхождения жизни – возникновение протобионтов (по некоторым источникам это то же самое, что коацерваты) - тел, имеющие сложный химический состав и ряд свойств живых существ. Протобионты можно рассматривать как наиболее устойчивые и удачно получившиеся коацерваты.
Мембрана могла образоваться следующим образом. Жирные кислоты соединялись со спиртами и образовывали липиды. Липиды формировали пленки на поверхности водоемов. Их заряженные головки обращены в воду, а неполярные концы - наружу. Плавающие в воде белковые молекулы притягивались к головкам липидов, в результате чего образовывались двойные липопротеиновые пленки. От ветра такая пленка могла изгибаться, и образовывались пузырьки. В эти пузырьки могли быть случайно захвачены коацерваты. Когда такие комплексы снова оказывались на поверхности воды, то покрывались уже вторым липопротеиновым слоем (за счет гидрофобных взаимодействий, обращенных друг к другу неполярных концов липидов). Общая схема мембраны сегодняшних живых организмов представляет собой два слоя липидов внутри и два слоя белков, расположенных по краям. Но за миллионы лет эволюции произошло усложнение мембраны за счет включения белков, погруженных в липидный слой и пронизывающих его, выпячивание и впячивание отдельных участков мембраны и др.
В коацерваты (или протобионты) могли попадать уже существующие молекулы нуклеиновых кислот, способные к самовоспроизведению. Далее в некоторых протобионтах могла произойти такая перестройка, что нуклеиновая кислота стала кодировать белок.
Эволюция протобионтов - это уже не химическая, а предбиологическая эволюция. Она привела к усовершенствованию каталитической функции белков (они стали выполнять роль ферментов), мембран и их избирательной проницаемости (что делает протобионт устойчивым набором полимеров), возникновению матричного синтеза (переноса информации с нуклеиновой кислоты на нуклеиновую кислоту и с нуклеиновой кислоты на белок).
| Эволюция | Результаты | |
|---|---|---|
| 1 | Химическая эволюция - синтез соединений |
|
| 2 | Предбиологическая эволюция – химический отбор: остаются наиболее устойчивые, способные к самовоспроизведению протобионты |
|
| 3 | Биологическая эволюция – биологический отбор: борьба за существование, выживание наиболее приспособленных к условиям окружающей среды |
|
Одной из самых больших загадок происхождения жизни остается вопрос: как РНК стала кодировать аминокислотную последовательность белков. В вопросе фигурирует РНК, а не ДНК, так как считается, что сначала рибонуклеиновая кислота играла не только роль в реализации наследственной информации, но и отвечала за ее хранение. ДНК ее заменила позже, возникнув из РНК путем обратной транскрипции. ДНК лучше подходит для хранения информации и более устойчива (менее склонна к реакциям). Поэтому в процессе эволюции именно она была оставлена в качестве хранителя информации.
В 1982 г. Т. Чеком была открыта каталитическая активность РНК. Кроме того РНК могут синтезироваться в определенных условиях даже при отсутствии ферментов, а также образовывать свои копии. Поэтому можно предположить, что РНК были первыми биополимерами (гипотеза РНК-мира). Какие-то участки РНК случайно могли кодировать полезные для протобионта пептиды, остальные участки РНК в процессе эволюции стали вырезаемыми интронами.
В протобионтах возникла обратная связь - РНК кодирует белки-фермены, белки-ферменты увеличивают количество нуклеиновых кислот.
Начало биологической эволюции
Химическая эволюция и эволюция протобионтов длилась более 1 млрд. лет. Жизнь возникла, и началась ее биологическая эволюция.
От некоторых протобионтов произошли примитивные клетки, включающие всю совокупность наблюдаемых нами сегодня свойств живого. В них было реализовано хранение и передача наследственной информации, ее использование для создания структур и обмена веществ. Энергия для процессов жизнедеятельности обеспечивалась молекулами АТФ, появились типичные для клеток мембраны.
Первые организмы были анаэробные гетеротрофы. Энергию, запасаемую в АТФ, они получали с помощью брожения. Пример - гликолиз - бескислородное расщепление сахаров. Питались эти организмы за счет органических веществ первичного бульона.
Но запасы органических молекул постепенно истощались, так как условия на Земле менялись, и новая органика уже почти не синтезировалась абиогенным путем. В условиях конкуренции за пищевые ресурсы эволюция гетеротрофов ускорилась.
Преимущество получили бактерии, оказавшиеся способными фиксировать углекислый газ с образованием органических веществ. Автотрофный синтез питательных веществ более сложный, чем гетеротрофное питание, поэтому у ранних форм жизни он возникнуть не мог. Из некоторых веществ под действием энергии солнечного излучения образовывались соединения, необходимых клетке.
Первые фотосинтезирующие организмы не выделяли кислорода. Фотосинтез с его выделением скорее всего появился позже у организмов, сходных с нынешними сине-зелеными водорослями.
Накопление в атмосфере кислорода, появление озонового экрана, уменьшение количества ультрафиолетового излучения привело к почти невозможности абиогенного синтеза сложных органических веществ. С другой стороны, возникшие формы жизни стали более устойчивыми в таких условиях.
На Земле распространилось кислородное дыхание. Анаэробные организмы сохранились лишь в отдельных местах (например, есть анаэробные бактерии, живущие в горячих подземных источниках).