Жизнь на Земле никогда бы не зародилась, не будь у Земли безжизненного спутника, Луны. Эта новейшая теория происхождения жизни на Земле принадлежит британскому биологу Ричарду Лэтсу. 4 миллиона лет назад Луна находилась на гораздо более близкой к Земле орбите, и под влиянием ее притяжения приливы и отливы океанов были значительно сильнее, чем ныне. Это, в свою очередь, способствовало ежедневной смене концентрации соли в морской воде, что в конечном счете и привело к зарождению жизни, утверждает ученый. Если эта теория верна, то одновременно она исключает возможность жизни на Марсе. Дело в том, что самый большой спутник Марса, Фобос, слишком мал для того, чтобы порождать приливы и отливы, даже если на Марсе есть или была вода, что пока также не доказано, пишет газета "The Daily Telegraph".
Химики выдвинули новую теорию происхождения жизни на Земле - по их мнению, ее зарождению вполне могли поспособствовать древние вулканы. Газы, извергаемые вулканами, содержат много сульфида карбонила (химическая формула COS), а этот газ мог оказаться "клеем", с помощью которого склеились первые на Земле кирпичики жизни - органические молекулы.
Около 20 лет назад вокруг горячих вулканических источников, бьющих посреди океана, был обнаружен, существующий совершенно независимо от солнца, биоценоз. В начале 90-х годов, в Аризонской пустыне, группа исследователей сделала попытку создать искусственную, полностью изолированную от внешнего мира, биосферу.
В опытах, поставленных учеными, молекулы аминокислот в присутствии сульфида карбонила склеивались друг с другом, образуя молекулы простейших белков. Скорость реакции была достаточно высокой, и никаких особых условий для ее осуществления не потребовалось. Если на заре земной истории концентрация сульфида карбонила, выбрасываемого огромным количеством вулканов, была значительной, именно он мог быть катализатором зарождения жизни на Земле.
Это предполагает и новая теория Вектерцхойзера. Теория бульона предполагает, что химические предшественники жизни соединились в среде, имеющей три измерения. Однако вещества, которые движутся свободно в воздухе или в воде, не остаются надолго вместе. На поверхности - другое дело. Первые реакции должны были произойти на поверхности, имеющей не три, а два измерения, рассуждал Вектерцхойзер.
Третье измерение завоевывали уже организмы. Поверхность, где формировались предшественники жизни, должна была омываться водой. Все гипотезы о происхождении жизни, пишет Вектерцхойзер в «Science», можно разделить на три класса в зависимости от того, какой элемент жизни у них решающий, с чего все началось. Одни считают, что с клеточных мембран. Но тогда им надо объяснить, как клеточная пища проходила сквозь мембрану.
Другие считают, что первыми образовались нуклеиновые кислоты. Однако молекулы даже самых простых нуклеиновых кислот - довольно сложные соединения. Вектерцхойзер держится третьей точки зрения: жизнь началась с метаболизма, с обмена веществ. Другими словами, с повторяющегося цикла химических перемен. Это метаболизм «изобрел» и клеточную мембрану, и нуклеиновые кислоты, и весь генетический аппарат. Участвовали же в обмене веществ атомы углерода. В каждом цикле они соединялись по два (научно это называется циклом фиксации углерода). Побочным, поначалу «бесполезным» продуктом этого метаболизма оказались аминокислоты - строительные блоки будущих белков. Тотчас же они стали собственными катализаторами - ускорителями тех химических перемен, которые по преимуществу направляли их собственный синтез. Нуклеиновые кислоты тоже появились как побочные продукты и тоже обнаружили способность к самокатализу. Позже, подобно пчелиной матке в улье, они взвалили на себя ответственность за воспроизведение всей системы. Рано или поздно все эти химические перемены привели к тому, что некоторым взаимосвязанным веществам удалось укрыться в мембране, которую они постепенно соорудили, и ускользнуть из плена двух измерений в сферу трех. Вот тогда-то и родилась первая клетка. Такова схема. Но всякая схема, всякая теория может рухнуть от соприкосновения с экспериментом. Теория же Вектерцхойзера не рухнула, а наоборот, получила экспериментальную поддержку, да еще в самом важном звене - цикле фиксаций углерода. Бактерии, эти древнейшие существа, до сих пор сохраняют редкую способность, родившуюся вместе с ними, - синтезировать уксусную кислоту, простое вещество, в своей активной форме охотно вступающее в химические реакции. В основе уксусной кислоты лежат как раз два атома углерода, соединенные в ее молекуле. Но может ли где-нибудь сегодня идти такой синтез? Да, может - в горячих серных газах, вырывающихся на большой глубине из подводных вулканов. Как известно, там при температуре в сотни градусов привольно обитают бактерии, питающиеся серой, и там же полным-полно сульфидов металла. Подводные вулканы - вот где родилась жизнь! Океан, конечно, но не тот. Не бульон, а сверхкипяток. Вектерцхойзер раздобыл вулканические газы и стал их помешивать в присутствии железных и никелевых сульфидов. Синтез уксусной кислоты не заставил себя ждать! А она - самый вероятный кандидат на метаболизм, породивший жизнь. Уксусная кислота активна - в этом все дело.
Эксперимент, который начали профессор Дорон Ланцет Кроны и его студенты, Дэниела Сегр и Дафна Бен в Центре Генома Человека в Институте Науки Германии, основан на поиске альтернативы белкам и рибонуклеиновым кислотам, так как появление белков или само-копирующихся молекул рибонуклеиновой кислоты осталось загадочным. Они развили модель, основанную на молекулах липида, и предложили новый взгляд на происхождение жизни.
Липиды - масляные вещества, известные как главные компоненты мембран клеток. Липиды имеют две различных формы: гидрофильную (привлекающую воду), и гидрофобную (отражающую воду). Липиды с готовностью синтезируются при моделируемых «предбиологических» условиях, и из-за их двусторонней природы имеют тенденцию спонтанно формировать надмолекулярные структуры, состоящие из тысяч молекулярных единиц. Это иллюстрируется на минимальных сообществах липида – на мицеллах, которые даже доказали, что они способнык росту и размножению в воде, что напоминает о жизнедеятельности клетки.
Все же критический вопрос был оставлен без ответа: как минимальные сообщества липида могли нести и размножать информацию?
Модель, предложенная Ланцетом и коллегами предлагает решение. Они предполагают, что вначале липид-подобные составы существовали в очень большом разнообразии форм и размеров. Они показывают математически, что при существовавших условиях минимальные сообщества липида могли содержать почти так же много информации, как и рибонуклеиновые кислоты или белковая цепь. Информация была бы запасена в самом составе минимального сообщества, то есть в точном количестве каждого из его компонентов, что обеспечивало более точную передачу и сохранение информации, чем в последовательности молекулярных "гранул" на нити белка. Была представлена аналогия с духами: информация - аромат различается рецепторами, и запах в большей мере зависит от пропорции каждого компонента в смеси, чем в порядке, в котором ароматы добавлены.
Таким образом, авторы доказывают, что о гетерогенных минимальных сообществах липида можно думать как о примитивных геномах. Они далее демонстрируют, как капелька - минимальное сообщество липида, при росте и делении, могло проявлять форму наследования. Их машинные моделирования показывают, как геном был бы передан минимальным сообществам потомства. Критический аспект модели - то, как такое молекулярное наследование стало возможным. В современных клетках, передача информации, содержащейся в ДНК, облегчена белковыми катализаторами фермента. В ранней предбиологической эре катализ мог быть выполнен теми же самыми липид-подобными веществами, которые несли информацию. Молекулы, уже представленные в виде капельки, функционировали как молекулярный «комитет выбора», увеличивая вероятность передачи одних признаков, и уменьшая вероятность передачи других.
Группа Ланцета, разработала компьютеризированное моделирование, которое показывает, как, основанные исключительно на физико-химических принципах, капельки липида с определенным составом срастаются, вырастают, делятся, само-копируются, накапливают мутации, и вовлекаются в сложную эволюционную игру. Важно, что это - полные минимальные сообщества, с их сложными связями относительно маленьких молекул, которые копируются в дочерние капли.
Это отличается от предыдуших моделей, в которых копируется единственный длинный полимер рибонуклеиновой кислоты. Модель ученых делает очень немного химических предположений, но получает богатое молекулярное объяснение, проводящее параллель с современными процессами жизни. И поэтому имеет возможность стать тем давно разыскиваемым мостом, ведущим от неодушевленного мира до современного мира живых организмов.В XXI в. с целью прояснения проблемы возникновения жизни, исследователи проявляют повышенный интерес к двум объектам - к спутнику Юпитера, открытому еще в 1610 г. Г. Галилеем. Он находится на расстоянии от Земли, равном 671 000 км. Его диаметр составляет 3100 км. Он покрыт многокилометровым слоем льда. Однако под покровом льда находится океан, и в нем, возможно, сохранились простейшие формы древней жизни.
Другой объект - Восточное озеро, которое называют реликтовым водоемом. Находится оно в Антарктиде под четырехкилометровым слоем льда. Наши исследователи обнаружили его в результате глубоководного бурения. В настоящее время разрабатывается международная программа, ставящая своей целью проникнуть в воды этого озера, не нарушая его реликтовую чистоту. Возможно, что там существуют реликтовые организмы возрастом несколько миллионов лет.
Проявляется также большой интерес к обнаруженной на территории Румынии пещере, не имеющей доступа света. Когда же пробурили вход в эту пещеру, то обнаружили существование слепых живых организмов типа жучков, которые питаются микроорганизмами. Эти микроорганизмы используют для своего существования неорганические соединения, содержащие сероводород, поступающие изнутри дна этой пещеры. В эту пещеру не проникает свет, но там есть вода.
Особый интерес вызывают микроорганизмы, открытые в последнее время американскими учеными при исследованииодного из соленых озер. Эти микроорганизмы п роя an я ют исключительную устойчивость к среде обитания. Они могут жить даже на чисто мышьяковистой среде.
Привлекают также большое внимание организмы, живущие в так называемых «черных курильщиках» (рис. 2.1).
Рис. 2.1. «Черные курильщики» дна океана (струи горячей воды показаны стрелками)
«Черные курильщики» - действующие на дне океанов многочисленные гидротермальные источники, приуроченные к осевым частям срединно-океанических хребтов. Из них в океаны под высоким давлением в 250 атм. поступает высокоминерализованная горячая вода (350 °С). Их вклад в тепловой поток Земли составляет порядка 20%.
Гидротермальные океанические источники выносят растворенные элементы из океанической коры в океаны, изменяя кору и внося весьма значительный вклад в химический состав океанов. Совместно с циклом генерации океанической коры в океанических хребтах и ее рециклирования в мантию, гидротермальное изменение представляет двухэтапную систему переноса элементов между мантией и океанами. Рециклированная в мантию океаническая кора, видимо, ответственна за часть мантийных неоднородностей.
Гидротермальные источники в срединно-океанических хребтах - среда обитания необычных биологических сообществ, получающих энергию из разложения соединений гидротермальных флюидов (черный цвет струи).
В океанической коре, видимо, находятся самые глубинные части биосферы, достигающие глубины 2500 м.
Гидротермальные источники вносят значительный вклад в тепловой баланс Земли. Под срединными хребтами мантия подходит наиболее близко к поверхности. Морская вода по трещинам проникает в океаническую кору на значительную глубину, вследствие теплопроводности нагревается мантийным теплом и концентрируется в магматических камерах.
Глубокое изучение перечисленных выше «особых» объектов, несомненно, приведет ученых к более объективному пониманию проблемы происхождения жизни на нашей планете и образованию ее биосферы.
Однако следует указать, что к настоящему времени экспериментально получить жизнь не удается.
Гипотезы возникновения жизни на Земле
Проблема жизни и живого является объектом исследования многих естественных дисциплин, начиная с биологии и завершая философией, математикой, рассматривающих абстрактные модели феномена живого, а также физикой, определяющей жизнь с позиций физических закономерностей. Многовековые исследования и попытки решения этих вопросов породили различные гипотезы возникновения жизни.
В соответствии с двумя мировоззренческими позициями – материалистической и идеалистической - еще в древней философии сложились противоположные концепции происхождения жизни: креационизм и материалистическая теория происхождения органической природы из неорганической. Сторонники креационизма утверждают, что жизнь возникла в результате акта божественного творения, свидетельством чего является наличие в живых организмах особой силы, управляющей всеми биологическими процессами. Сторонники происхождения жизни из неживой природы утверждают, что органическая природа возникла благодаря действию естественных законов. Позднее эта концепция была конкретизирована в идее самозарождения жизни.
Итак, существуют следующие гипотезы происхождения жизни.
1. Креационизм . Согласно концепции креационизма, жизнь возникла в результате сверхъестественных, т. е. нарушающих законы физики, событий в прошлом. Концепции креационизма придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религий. Согласно традиционным иудейско-христианским представлениям о сотворении мира, изложенным в Книге Бытия, мир и все населяющие его организмы были созданы всемогущим Творцом за 6 дней продолжительностью 24 часа. Однако в настоящее время многие христиане не относятся к Библии как к научной книге и считают, что в ней в понятной для всех людей всех времен форме изложено теологическое откровение о сотворении богом всех живых существ.
Логически не может быть противоречия между научным и богословским объяснениями сотворения мира т.к. эти две сферы мышления взаимно исключают друг друга. Богословие познает истину через божественное откровение и веру и признает вещи, которым нет доказательств в научном смысле слова. Наука широко использует наблюдение и эксперимент, научная истина всегда содержит элемент гипотезы, в то время как для верующего теологическая истина абсолютна. Процесс божественного сотворения мира мыслится как имевший место единожды, поэтому он недоступен для наблюдения. Концепция божественного сотворения мира находится вне рамок научного исследования, поэтому наука, занимающаяся явлениями, поддающимися наблюдению, никогда не сможет ни доказать, ни опровергнуть эту концепцию.
В пользу неслучайного характера процесса зарождения и развития жизни говорит антропный принцип, сформулированный в 70-е годы нашего века. Его сущность заключается в том, что даже незначительные отклонения значения любой из фундаментальных констант приводит к невозможности появления во Вселенной высокоупорядоченных структур и, следовательно, жизни. Так, увеличение постоянной Планка на 10 % лишает протон возможности объединиться с нейтроном, т.е. делает невозможным первичный нуклеосинтез. Уменьшение постоянной Планка на 10 % привело бы к образованию устойчивого изотопа 2 Не, следствием чего явилось бы выгорание всего водорода на ранних этапах расширения Вселенной. Неслучайный характер значений фундаментальных констант может говорить о наличии “творческого замысла” с самого начала образования Вселенной, что подразумевает наличие Творца – автора этого замысла.
2. Гипотеза спонтанного зарождения жизни . Согласно Аристотелю, определенные “частицы“ вещества содержат некое “активное начало“, которое при подходящих условиях может создать живой организм.
Гипотеза спонтанного зарождения жизни была широко распространена в Древнем Китае, Вавилоне и Египте в качестве альтернативы креационизму. Вслед за Эмпедоклом, одним из первых высказавшим идею органической эволюции, концепции спонтанного зарождения жизни придерживался Аристотель, связывавший все организмы в единую “лестницу природы“. Согласно Аристотелю, определенные “частицы“ вещества содержат некое “активное начало“, которое при подходящих условиях может создать живой организм. Это начало, по мнению Аристотеля, присутствует в оплодотворенном яйце, в солнечном свете, тине и гниющем мясе. В 1688 г. итальянский врач Франческо Реди подверг сомнению теорию самозарождения жизни и провел ряд экспериментов, в которых показал, что жизнь может возникать только из предшествующей жизни (концепция биогенеза). Окончательно опроверг теорию спонтанного зарождения жизни и доказал справедливость теории биогенеза Луи Пастер (1860 г.). Опыты Л. Пастера продемонстрировали, что микроорганизмы появляются в органических растворах в силу того, что туда ранее были занесены их зародыши. Если сосуд с питательной средой оградить от занесения в него микробов, то никакого самозарождения жизни не происходит.
Концепция самозарождения, несмотря на ошибочность, сыграла позитивную роль; опыты, призванные ее подтвердить, представили богатый эмпирический материал для развивающейся биологической науки. Окончательный отказ от идеи самозарождения произошел только в XIX в.
Подтверждение теории биогенеза породило проблему первого живого организма, из которого возникли все остальные. Во всех теориях (кроме теории стационарного состояния) подразумевается, что на какой-то стадии истории жизни произошел переход от неживого к живому. Как же это произошло?
3. Гипотеза стационарного состояния . Согласно этой гипотезе, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; Земля всегда была способна поддерживать жизнь. Виды существовали всегда, у каждого вида есть только две возможности: изменение численности или вымирание.
4. Гипотеза панспермии утверждает, что жизнь могла возникнуть один или несколько раз в разное время и в разных местах Вселенной. Эта гипотеза возникла в 60-е годы XIX века и связана с именем немецкого ученого Г. Рихтера. Позднее концепцию панспермии разделяли такие крупные ученые, как С. Аррениус, Г. Гельмгольц, В.И. Вернадский. Для обоснования этой теории используются наблюдения за НЛО, наскальные изображения древних, похожих на ракеты и инопланетян и т.д. Советские и американские космические исследования позволяют считать вероятность обнаружения внеземной жизни в пределах Солнечной системы ничтожной, однако не дают оснований для подтверждения или опровержения существования жизни за ее пределами. При изучении материала метеоритов и комет в них были обнаружены многие “предшественники живого” (цианогены, синильная кислота и др.), которые могли бы сыграть роль ”семян” жизни. Как бы то ни было, теория панспермии не является теорией возникновения жизни как таковой; она просто переносит проблему возникновения жизни в другое место Вселенной.
В начале XX в. идею космического происхождения биологических систем на Земле и вечности существования жизни в космосе развивал русский ученый академик В.И. Вернадский.
5. Гипотеза вечного существования жизни . Она была выдвинута в XIX в. Было высказано предположение, что жизнь существует в космосе и переносится с одной планеты на другую.
6. Гипотеза биохимической эволюции . Возраст Земли оценивается в 4,5–5 млрд лет. В далеком прошлом температура на поверхности нашей планеты составляла 4000-8000 градусов по Цельсию. По мере остывания углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались, образуя земную кору; в результате вулканической деятельности, непрерывных подвижек коры и сжатия, вызванного охлаждением, происходило образование складок и разрывов. Атмосфера Земли в давние времена была, очевидно, восстановительной (в самых древних породах Земли имеются металлы в восстановительной форме, например двухвалентное железо, более молодые породы содержат металлы в окисленной форме, например трехвалентное железо). Кислород в атмосфере практически отсутствовал. Появление жизни тесно связано с возникновением земных океанов, что произошло около 3,8 млрд лет назад. Палеонтологические данные свидетельствуют о том, что температура воды в них была не слишком низкой, но и не превышала 58 °С. Следы древнейших организмов обнаружены в пластах, возраст которых оценивается в 3,2-3,5 млрд лет.
Гипотеза биохимической эволюции была изложена академиком А.И. Опариным (1894-1980 гг.) в книге «Происхождение жизни», опубликованной в 1924 г. Он выступил с утверждением, что принцип Реди, вводящий монополию биотического синтеза органических веществ, справедлив лишь для современной эпохи существования нашей планеты. В начале же своего существования, когда Земля была безжизненной, на ней происходили абиотические синтезы углеродистых соединений и их последующая предбиологическая эволюция.
Суть гипотезы Опарина заключается в следующем: зарождение жизни на Земле – длительный эволюционный процесс становления живой материи в недрах неживой. Произошло это путем химической эволюции, в результате которой простейшие органические вещества образовались из неорганических под влиянием сильнодействующих физико-химических факторов.
Появление жизни А.И. Опарин рассматривал как единый естественный процесс, который состоял из протекавшей в условиях ранней Земли первоначальной химической эволюции, перешедшей постепенно на качественно новый уровень – биохимическую эволюцию. Рассматривая проблему возникновения жизни путем биохимической эволюции, Опарин выделяет три этапа перехода от неживой материи к живой.
Первый этап – химическая эволюция . Когда Земля была еще безжизненной (около 4 млрд лет назад), на ней происходили абиотический синтез углеродистых соединений и их последующаяпредбиологическая эволюция. Для этого периода эволюции Земли были характерны многочисленные вулканические извержения с выбросом огромного количества раскаленной лавы. По мере остывания планеты водяные пары, находившиеся в атмосфере, конденсировались и обрушивались на Землю ливнями, образуя огромные водные пространства (первичный океан). Эти процессы продолжались многие миллионы лет. В водах первичного океана были растворены различные неорганические соли. Кроме того, в океан попадали и различные органические соединения, непрерывно образующиеся в атмосфере под действием ультрафиолетового излучения, высокой температуры и активной вулканической деятельности. Концентрация органических соединений постоянно увеличивалась, и, в конце концов, воды океана стали «бульоном » из белковоподобных веществ – пептидов.
Рисунок 26 – Схема возникновения жизни по Опарину
Второй этап – появление белковых веществ . По мере смягчения условий на Земле, под воздействием на химические смеси первичного океана электрических разрядов, тепловой энергии и ультрафиолетовых лучей стало возможным образование сложных органических соединений – биополимеров и нуклеотидов, которые, постепенно объединяясь и усложняясь, превращались в протобионтов (доклеточных предков живых организмов). Итогом эволюции сложных органических веществ стало появление коацерватов, или коацерватных капель. Коацерваты – комплексы коллоидных частиц, раствор которых разделяется на два слоя: слой, богатый коллоидными частицами, и жидкость, почти свободную от них. Коацерваты обладали способностью поглощать различные вещества, растворенные в водах первичного океана. В результате внутреннее строение коацерватов менялось в сторону повышения их устойчивости в постоянно меняющихся условиях. Теория биохимической эволюции рассматривает коацерваты как предбиологические системы, представляющие собой группы молекул, окруженные водной оболочкой. Так, например, коацерваты способны поглощать вещества из окружающей среды, вступать во взаимодействие друг с другом, увеличиваться в размерах и т.д. Однако в отличие от живых существ коацерватные капли не способны к самовоспроизводству и саморегулированию, поэтому их нельзя отнести к биологическим системам.
Третий этап – формирование способности к самовоспроизводству, появление живой клетки . В этот период начал действовать естественный отбор, т.е. в массе коацерватных капель происходил отбор коацерватов, наиболее устойчивых к данным условиям среды. Процесс отбора шел в течение многих миллионов лет. Сохранившиеся коацерватные капли уже обладали способностью к первичному метаболизму – главному свойству жизни. Вместе с тем, достигнув определенных размеров, материнская капля распадалась на дочерние, сохраняющие особенности материнской структуры. Таким образом, можно говорить о приобретении коацерватами свойства самовоспроизводства – одного из важнейших признаков жизни. По сути дела, на этой стадии коацерваты превратились в простейшие живые организмы. Дальнейшая эволюция этих предбиологических структур была возможна только при усложнении обменных процессов внутри коацервата.
Внутренняя среда коацервата нуждалась в защите от воздействий окружающей среды. Поэтому вокруг коацерватов, богатых органическими соединениями, возникли слои липидов, отделившие коацерват от окружающей его водной среды. В процессе эволюции липиды трансформировались в наружную мембрану, что значительно повысило жизнеспособность и устойчивость организмов. Появление мембраны предопределило направление дальнейшей биологической эволюции по пути все более совершенной авторегуляции, завершившейся образованием первичной клетки – археклетки. Клетка – элементарная биологическая единица, структурно-функциональная основа всего живого. Клетки осуществляют самостоятельный обмен веществ, способны к делению и саморегулированию, т.е. обладают всеми свойствами живого. Образование новых клеток из неклеточного материала невозможно, размножение клеток происходит только благодаря делению. Органическое развитие рассматривается как универсальный процесс клеткообразования.
В структуре клетки выделяют: мембрану, отграничивающую содержимое клетки от внешней среды; цитоплазму, представляющую собой соляной раствор с растворимыми и взвешенными ферментами и молекулами РНК; ядро, содержащее хромосомы, состоящие из молекул ДНК и присоединенных к ним белков.
Следовательно, началом жизни следует считать возникновение стабильной самовоспроизводящейся органической системы (клетки) с постоянной последовательностью нуклеотидов. Только после возникновения таких систем можно говорить о начале биологической эволюции.
Переход от неживого к живому осуществился после того, как на базе предшественников возникли и развились зачатки двух основополагающих жизненных систем: системы обмена веществ и системы воспроизводства материальных основ живой клетки.
Вероятность того, что белковая молекула, состоящая из 100 аминокислот 20 видов, будет случайным образом сформирована по определенному образцу равна 1/20 100 ≈1/10 130 . Живая клетка – комплекс взаимодействующих белков, липидов и нуклеотидов, образующих генетический код. В простейшей клетке содержится более 2000 ферментов. Вероятность случайного образования таких сложных структур мала.
Возможность абиогенного синтеза биополимеров была экспериментально доказана в середине XX в. В 1953 г. американский ученый С. Миллер смоделировал первичную атмосферу Земли и синтезировал уксусную и муравьиную кислоты, мочевину и аминокислоты путем пропускания электрических зарядов через смесь газов (вода, углекислый газ, водород, азот, метан). Таким образом, было продемонстрировано, как под действием абиогенных факторов возможен синтез сложных органических соединений.
Несмотря на теоретическую и экспериментальную обоснованность, концепция Опарина имеет как сильные, так и слабые стороны. Сильной стороной концепции является достаточно точное экспериментальное обоснование химической эволюции, согласно которой зарождение жизни является закономерным результатом предбиологической эволюции материи. Убедительным аргументом в пользу этой концепции является также возможность экспериментальной проверки ее основных положений. Слабой стороной концепции является невозможность объяснения самого момента скачка от сложных органических соединений к живым организмам.
Одну из версий перехода от предбиологической к биологической эволюции предлагает немецкий ученыйМ. Эйген. Согласно его гипотезе возникновение жизни объясняется взаимодействием нуклеиновых кислот и протеинов. Нуклеиновые кислоты являются носителями генетической информации, а протеины служат катализаторами химических реакций. Нуклеиновые кислоты воспроизводят себя и передают информацию протеинам. Возникает замкнутая цепь – гиперцикл, в котором процессы химических реакций самоускоряются за счет присутствия катализаторов. В гиперциклах продукт реакции одновременно выступает и катализатором, и исходным реагентом. Такие реакции называются автокаталитическими.
Другой теорией, в рамках которой можно объяснить переход от предбиологической эволюции к биологической, является синергетика . Закономерности, открытые синергетикой, позволяют прояснить механизм возникновения органической материи из неорганической в терминах самоорганизации через спонтанное возникновение новых структур в ходе взаимодействия открытой системы с окружающей средой.
Здравствуйте уважаемые читатели блога сайт! В сегодняшней статье хотелось бы поговорить об одной из теорий происхождения жизни. Это теория эволюции, о которой так много говорил Дарвин. Здесь можно прочесть о ДНК, о древних окаменелостях, о некоторых лабораторных опытах и т. д.
В результате химических реакций, примерно 3 800 миллионов лет назад, образовалось первое сложное соединение, которое способно самовоспроизводится.
По-прежнему, загадкой остается происхождение жизни на Земле . Ученные придерживаются мнения, что все формы жизни находятся в процессе постоянного и непрерывного развития, с тех пор как Чарлз Дарвин впервые описал процесс и .
С каждым последующим поколением слабые стороны отсеиваются, а сильные оттачиваются и выявляются все новые возможности. Один вид пращуров мог породить несколько форм жизни, после чего или находил собственную нишу в экосистеме, или вымирал.
Собственная ниша в экосистеме позволяла выжить и сохранить первоначальную форму, а в это время потомки этих видов прекрасно вписывались в другие ниши.
В результате образовалась сложная система родственных линий, которая сегодня связует все живущие на Земле организмы с их уже вымершими предками. Сегодня, в виде окаменелостей сохранились древние останки многих из исчезнувших видов.
В осадочных породах можно обнаружить окаменелости. Возраст этих окаменелостей определяют с помощью передовых методов радиоизотопного датирования.
Это позволило ученным воссоздать примерную картину жизни на Земле любого – примерную, потому как сохранилась лишь малая доля останков из всего многообразия когда-либо существовавшего животного и растительного мира.
И все же, ясно одно по найденным окаменелостям: между исчезнувшими и существующими организмами есть система родственных связей, которая напоминает дерево, а на этом дереве в течение времени появляются все новые ветви.
Многие из этих ветвей засыхают и отмирают (например, динозавры), а другие ветви вырастают и расцветают. Если проследить любую из этих ветвей до самого основания, то в конечном итоге, придем к единому стволу – прародителю всех когда-либо живших организмов, то есть источнику происхождения жизни.
Следы в горной породе.
К сожалению, это непросто сделать. Примерно 4 500 млн. лет, по современным оценкам, составляет возраст Земли. Как считают, древнейшим окаменелостям не более 590 млн. лет, это соответствует началу кембрийского геологического периода (кембрия).
Найденные в породах кембрия окаменелости, включают останки различных форм жизни. Например, таких как: произошедших от своих примитивных предков, моллюсков и червей.
По-другому говоря, они были где-то в середине эволюционного дерева. Неясным остается их происхождение, в так называемую, эпоху докембрия, это в связи с тем, что не осталось никаких органических останков в породах этого периода.
Легко объяснить причину этого. Окаменелостей мягкотелые организмы не оставляют, потому что, обычно, после смерти, они прежде чем их окружающие отложения превратятся в твердую породу, успевают полностью разложиться.
Вероятнее всего, что большинство живших в докембрийский период организмов, были слишком хрупкими, чтобы оставить четкие отложения. Этот период составляет 80% всей истории Земли.
Но это вовсе не означает, что они совсем не оставили никаких следов. Двое исследователей, в начале 1950-х годов, приступили к тщательному изучению пласта породы на берегах Верхнее в .
Этот пласт породы, известной как кремнистый сланец, был возрастом 2000 млн. лет. Ничего органического, на первый взгляд, в них не было, но ученные, несмотря на это, решили с помощью микроскопа исследовать небольшие образцы колец.
Удивительное открытие.
Ими были обнаружены несомненные признаки древней жизни. Это были останки крошечных организмов, которые напоминают микроскопичные одноклеточные, жившие и поныне, бактерии и водоросли.
Эти хрупкие организмы пропитались каким-то чудесным образом стекловидным кремнеземом, который затвердел и превратился в кремнистый сланец, в котором эти организмы сохранились, подобно мухам в янтаре. Эти любопытные белые кольца в породе оказались размытыми останками колоний этих организмов.
Эта находка, которая содержала органические останки образцов, стала открытием. Изучение пород возобновили ученные всего мира. Их ожидало удивительное вознаграждение, после изучения тех пород, которые они ранее считали лишенными окаменелостей.
В западной части Австралии была обнаружена древнейшая на сегодняшний день форма жизни, около 3 500 млн. лет. А вот ожидаемых результатов не дало изучение самых древних из известных нам пород – гнейсов Амитсока на юго-западе Гренландии, возрастом 3 800 млн. лет.
Никаких чудес.
В том, что найденные первобытные останки напоминают современные и , биологи не находят ничего удивительного. Простейшими формами жизни всегда считались такие одноклеточные организмы, и естественно, что они – наиболее примитивные ее формы.
Способ существования одноклеточных форм жизни легко выяснить благодаря их простоте. Биологи, вместо изучения механизма функционирования мышц и органов, исследуют, как исходные химические вещества превращаются в «кирпичики» жизни – сахар, жиры и белки.
Простая клетка.
Для раскрытия тайны возникновения жизни эти исследования особенно важны. Поскольку, следующее превращение, которое положило начало всего процесса – из неорганических живых веществ в живую материю, должно было иметь место.
Сама по себе бактерия – питающая простейшая клетка; это наполненная жидкостью, студенистая оболочка, перерабатывающая простые химические вещества, которые состоят из азота, углерода, кислорода и водорода, в сложные органические соединения: углеводы, дающие ей энергию (сахар) и необходимые белки для ее роста.
Строение ДНК.
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)
– органическое вещество, которое в конечном итоге управляет данными процессами. ДНК
, кроме того, обладает еще одним важным свойством: она может сама себя воспроизводить.
Каждая молекула ДНК напоминает винтовую лестницу, в которой цепочки из атомов образуют боковые стороны с перемычками («ступеньками»), расположенными через разные промежутки.
При необходимости, вся молекула может раздваиваться, причем перемычки разделяются посередине. После раздвоения спирали укороченные «ступеньки» притягивают другие вещества, которые, присоединяясь, образуют недостающие половинки «лестницы» — таким образом, из одной спирали получаются две.
Является сущностью жизни этот простой прием. Одноклеточный организм, благодаря ему, растет и воспроизводит себя, расщепляется посередине и при этом копирует свой внутренний химический процесс.
Размножающиеся клетки, в более сложных формах жизни, совместно формируют многоклеточные структуры, каждая структура, при этом, это лишь часть крайне сложного процесса. Генетический код – управляет всем процессом. Этот код заложен в молекуле ДНК и отличается у разных видов и особей.
Функции ДНК.
Механизмами являются все жизненные процессы (питье, еда, выведение продуктов жизнедеятельности из организма), которые служат для обеспечения деятельности ДНК.
ДНК является очень сложной молекулой, чем сложнее форма жизни, тем сложнее ее ДНК . Из тысячи атомов состоит структура самой простой ДНК, эти атомы сгруппированы в нуклеотиды – это соединения фосфатов, сахаров и азотистых оснований.
Так же достаточно сложной структурой является сам по себе каждый нуклеотид. И к другим органическим молекулам, таким как углеводы и белки, это тоже относится. Из цепей аминокислот (которых всего 20 различных видов), расположенных в определенной последовательности, состоят белки.
Простая цепь может состоять из 100 звеньев, а сложная цепь – из нескольких тысяч звеньев. Генетическим кодом данного организма определяется вся структура.
В самой простой клетке бактерии содержатся ДНК, углеводы и белки, без которых функционировать она не сможет. Из известных сегодня форм жизни – эти клетки наиболее примитивная форма.
Из этого можно сделать вывод, что они произошли из неживых структур, которые синтезировали эти важнейшие элементы жизни до того, как нашли им органическое применение.
«Первичный бульон».
Каким был наш мир 3 800 млн. лет назад, не знает никто. Ученные Халдейн и Опарин, в 20-е годы выдвинули теорию, согласно которой, в те далекие времена Земли почти полностью была лишена кислорода, и состояла из водорода, аммиака, воды, метана, окиси углерода и ряда других веществ.
Они предполагали, что горячей водой была покрыта большая часть поверхности Земли, а кипение этой воды поддерживалось магмой, расплавленной породой, которая находится под тонкой океанической .
По их гипотезе, такая смесь горячей воды и газов могла привести к образованию, так называемого, «первичного бульона», который богат необходимыми для синтеза жизни химическими элементами.
Инициирована реакция, могла быть вулканической деятельностью, электрическим разрядом молнии или интенсивным ультрафиолетовым излучением, который проходит через тонкий слой атмосферы. Американским ученым Стэнли Миллером, в 1953 году, опытным путем была проверена данная теория.
Стэнли Миллер создал модель первозданного мира, которая состояла из двух колб и стеклянных трубок. В одной из этих колб находился раствор, состав которого, теоретически, соответствовал морской воде. Смесью газов он заполнил пространство над жидкостью.
Эта смесь газов так же, теоретически, соответствовала предполагаемой атмосфере. Эта колба была соединена трубкой с другой колбой, которая имела два электрода для получения искры – миниатюрной модели молнии.
Еще одна трубка отходила от искровой камеры, эта трубка вела к первой колбе через конденсатор П-образный коллектор.
Когда в нижней колбе Миллер нагрел смесь, она закипела и превратилась в газ, потом поступила в камеру с искрой, а затем сконденсировалась и стекла обратно в нижнюю колбу. Этот процесс проводили непрерывно в течение недели, а после жидкость откачали для анализа.
Результаты были положительными. Смесь, которая получилась, содержала три аминокислоты – соединения, из которых образуются белки. Эту идею подхватили многие исследователи. Они провели подобные этим эксперименты, и в результате, получили еще больше аминокислот, и даже простые нуклеотиды – строительные блоки ДНК.
Удивительные результаты.
Результаты этих экспериментов считают убедительными и они дают основания полагать, что весь белок (и не только он) мог быть синтезирован на протяжении нескольких миллиардов лет. ДНК, предположительно, тоже могла быть создана вместе с ее тысячами строго расположенных атомов.
Она, однажды возникнув, могла репродуцировать себя, создавать свои собственные белки и другие сложные органические вещества и развиваться в функциональную самовоспроизводящуюся форму жизни, такую как клетка бактерии.
Могло произойти нечто возможное, но математическая вероятность создания такого сложного вещества, как ДНК или белок, бесконечно мала в «первичном бульоне», в результате случайного соединения химических элементов.
На примере обезьяны с пишущей машинкой можно показать эту вероятность. Например, если дать обезьяне достаточное количество бумаги и позволить в течение нескольких лет печатать наобум, она сможет воспроизвести некоторые слова, но вероятность создания ею литературного шедевра практически равна нулю. По этому примеру, со словом можно сравнить аминокислоту, но шедевром, несомненно, является ДНК.
Сегодня данная теория признана многими ученными, которые продолжают поиск механизмов способствующих соединению аминокислот в белки без управления со стороны ДНК.
Если будет найден такой механизм, человечество сделает важный шаг на пути к пониманию загадки образования ДНК и, следовательно, к тому, чтобы выяснить происхождение жизни на Земле.
Это статья об эволюционной теории происхождения жизни, которую, конечно же еще полностью не заполнили, и которую можно много оспаривать, но мы этого делать не будем 😉
Происхождение жизни – это обширная научная проблема. За последние 10 лет имеется огромное количество новых данных и исследований. На сегодняшний день остаются еще нерешенные вопросы, но общая картина того, как из неживой материи могла зародиться жизнь, очень быстро проясняется. Но, как известно, в науке каждый ответ порождает 10 новых вопросов.
Модели постепенной эволюции от неорганических соединений до первых организмов на сегодняшний день хорошо проработаны. Но история этого вопроса берёт своё начало еще со знаменитого автора .
Английский натуралист и исследователь в своих научных трудах ничего по этому поводу не писал и всерьез теориями и гипотезами происхождения жизни не занимался. Эта тема была за пределами понимания науки 19-го века. Чарльз лишь говорил, как из уже существующих первых живых организмов получилось всё то многообразие биологических форм, которое мы видим.
Только из его писем лучшему другу мы знаем, что Дарвин пытался размышлять на эту тему, но конечно на том уровне знаний он ничего конкретно предположить не мог, кроме самых общих представлений, что как-то всё же могли из неорганической химии, солей аммония, фосфора с использования электричества в небольшом тёплом пруду зародиться органические вещества.
Но следует отметить, что даже в этом письме он многое очень точно угадал. Например, химики обнаружили правдоподобный путь абиогенного синтеза нуклеотидов, кирпичиков из которых состоит РНК. Оказалось, эти нуклеотиды могут самопроизвольно синтезироваться в условиях, схожих с условиями маленького теплого водоёма.
Версий возникновения всего живого на Земле придумано огромное количество. Многие из них придуманы конспирологами и лжеучеными. Но всё же основная часть теорий основана на реальных фактах и исследованиях.
Основные теории происхождения жизни:
— креационизм;
— панспермия;
— теория стационарного состояния;
— спонтанное зарождение;
— биохимическая эволюция.
Креационистской гипотезе придерживаются люди, считающие, что жизнь создал творец, Бог, вселенский разум. Не имеет доказательств, а её продвижением занимаются не ученые, а журналисты, богословы и теологи. К ним же присоединяются люди, желающие подзаработать путём обмана.
Эти же креационисты продолжают утверждать, что в вопросе происхождения людей есть загадка, так как археологи не могут найти некое недостающее звено, то есть переходную форму от древнего человека кроманьонца к современному homo sapiens. Чрезвычайно важные для понимания статьи:
» 100% Происхождение человека: теории и гипотезы
Теория стационарного состояния заключается в том, что живое вместе с вселенной, а соответственно и всем миром, существовало и будет существовать всегда, независимо от времени. Наряду с этим производные вселенной тела и образования вроде звёзд, планетарных систем, живых организмов ограничены во времени: они рождаются и погибают.
На данный момент эта гипотеза имеет лишь историческое значение, и в научных кругах уже давно не обсуждается, так как опровергнуто современной наукой в ключевом моменте: вселенная возникла благодаря большому взрыву и последующему её расширению. Важная статья на эту тему простым и понятным языком: 100% Происхождение и эволюция вселенной .
Теория панспермии уже более научна. Она предполагает следующее: живые организмы на нашу планету занесли космические тела вроде метеоритов или комет. Некоторые особо мечтательные сторонники уверены, что это сделали НЛО и инопланетяне осознанно, преследуя свои цели.
В нашей Солнечной системе вероятность найти ещё где-либо живые организмы чрезвычайно мала, однако жизнь могла прилететь к нам из другой звёздной системы. Астрономические данные показывают, что согласно биохимическому составу метеоритов, метеоров и комет в них зачастую можно обнаружить органические соединения, к примеру, аминокислоты. Именно они и могли стать семенами при контакте космического тела с Землёй, подобно тому, как разлетаются семена одуванчика на сотни метров вокруг.
Основным противовесом утверждениям панспермистов служит логичный вопрос, откуда же взялась жизнь на других планетах, с которых летел этот самый астероид или комета. Таким образом, панспермическая гипотеза инопланетного происхождения живых организмов может лишь дополнить основную версию – биохимическую.
Теория абиогенеза посредством биохимической эволюции изучает и успешно доказывает образование органических структур из неорганической материи, причем вне организма и без применения специальных ферментов.
Синтез простейших органических соединений из неорганической материи способен проходить в самых разнообразных естественных природных условиях: на планете или в космосе (например, в протопланетном диске — проплиде). В 1953 году был проведен знаменитый классический эксперимент Миллера-Юри, доказывающий, что такая органика как аминокислоты имеют возможность появиться в смеси разных газов, имитировавших бы атмосферный состав планеты.
В природе со временем образовалась и приобрела способность к (кстати, на сегодняшний день её синтез человеком весьма затруднён). А ведь это основной кирпичик, и ответ на вопрос происхождения жизни на Земле кроется именно в нём.
Сейчас абсолютно точно известно, каким образом возникла молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты. Сперва биологические существа была основаны на другой похожей молекуле под названием РНК. Долгое время существовал иной живой мир, в котором организмы имели наследственную информацию в форме молекулы рибонуклеиновой кислоты, выполнявшей роль белков. Эта молекула способна хранить наследственную информацию подобно ДНК и выполнять активную работу, подобную белкам.
В современных клетках эти функции разделены – ДНК хранит наследственную информацию, белки выполняют работу, а РНК служит своеобразным посредником между ними. В самых первых древних организмах была только РНК, справлявшаяся с обеими задачами сама.
Интересная закономерность в вопросе происхождения всего живого заключается в том, что за последние несколько лет появились десятки новых научных статей, максимально близко подводящих к разгадке тайны, и никакие другие теории и гипотезы возникновения жизни кроме абиогенной на данный момент уже не требуются.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Министерство образования и науки российской федерации
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Башкирский государственный университет
Биологический факультет
Кафедра физиологии человека и зоологии
Реферат
по дисциплине: Философские проблемы биологии
тема: Основные теории происхождения жизни
Выполнила: Демидова Е.С.
Проверил: Шевченко А.М.
Введение
1. Ранние теории
2. Современные теории
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Актуальность темы. Вопрос происхождения жизни на Земле - один из самых сложных вопросов современного естествознания, на который до настоящего времени нет однозначного ответа.
Для перехода к проблеме происхождения жизни на Земле сначала определим, что такое жизнь. Вспомним определения понятия "жизнь".
"Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел" - Ф. Энгельс. Жизнь - это высшая по сравнению с физической и химической форма существования материи.
Живые объекты отличаются от неживых обменом веществ - непрерывным условием жизни, способностью к размножению, росту, раздражимостью, приспособляемостью к среде и т. д.
Окончательного и строгого определения понятия "жизнь" нет до сих пор.
Живые системы характеризуются очень высоким уровнем структурной и функциональной организации на молекулярном уровне, высочайшей информационной плотностью, самоорганизацией, способностью к самовосстановлению.
Степень разработанности. Данная тема уже анализировалась у разных авторов, таких как: Вернадский В.И., Опарин А.И., Войткевич Г.В., - в различных изданиях.
Цель работы - рассмотреть основные теории происхождения жизни.
Цель определила основные задачи:
1. Раскрыть суть ранних теорий происхождения жизни.
2. Раскрыть сущность теории биохимической эволюции И.А. Опарина.
3. Дать понятие о теории голобиоза и генобиоза.
1. Ранние теории
Теория самозарождения
Теория самозарождения жизни была широко распространена в Древнем мире - Вавилоне, Китае, Древнем Египте и Древней Греции.
Ученые Древнего мира и средневековой Европы верили в то, что живые существа постоянно возникают из неживой материи: черви - из грязи, лягушки - из тины, светлячки - из утренней росы и т.п. Так, известный голландский ученый XVII в. Ван-Гельмонт совершенно серьезно описывал в своем научном трактате опыт, в котором он за 3 недели получил в запертом темном шкафу мышей непосредственно из грязной рубашки и горсти пшеницы. Впервые широко распространенную теорию решился подвергнуть экспериментальной проверке итальянский ученый Франческо Реди (1688). Он поместил несколько кусков мяса в сосуды и часть из них закрыл кисеей. В открытых сосудах на поверхности гниющего мяса появились белые червячки - личинки мух. В сосудах же, прикрытых кисеей, личинки мух отсутствовали. Таким образом, Ф. Реди удалось доказать, что личинки мух появляются не из гниющего мяса, а из яиц, отложенных мухами на его поверхность.
В 1765 г. известный итальянский ученый и врач Ладзаро Спаланцани прокипятил в запаянных стеклянных колбах мясные и овощные бульоны. Бульоны в запаянных колбах не портились. Он сделал вывод, что под действием высокой температуры погибли все живые существа, способные вызывать порчу бульона. Однако опыты Ф. Реди и Л. Спаланцани убедили далеко не всех. Ученые-виталисты считали, что в прокипяченном бульоне не происходит самозарождения живых существ, так как в нем разрушается особая "жизненная сила", которая не может проникнуть в запаянный сосуд, поскольку переносится по воздуху.
Споры по поводу возможности самозарождения жизни активизировались в связи с открытием микроорганизмов. Если сложные живые существа не могут самозарождаться, возможно, это могут и микроорганизмы.
В связи с этим в 1859 г. французская Академия объявила о присуждении премии тому, кто окончательно решит вопрос о возможности или невозможности самозарождения жизни. Эту премию получил в 1862 г. знаменитый французский химик и микробиолог Луи Пастер. Так же как Спаланцани, он прокипятил питательный бульон в стеклянной колбе, но колба была не обычная, а с горлышком в виде S -образной трубки. Воздух, а следовательно и "жизненная сила", могли проникать в колбу, но пыль, а вместе с нею и микроорганизмы, присутствующие в воздухе, оседали в нижнем колене S-образной трубки, и бульон в колбе оставался стерильным. Однако стоило сломать горло колбы или ополоснуть стерильным бульоном нижнее колено S-образной трубки, как бульон начинал быстро мутнеть - в нем появлялись микроорганизмы.
Таким образом, благодаря работам Луи Пастера теория самозарождения была признана несостоятельной и в научном мире утвердилась теория биогенеза, краткая формулировка которой - "все живое - от живого".
Однако эксперимент Пастера вовсе не доказывает, что живое вообще никогда не может самозарождаться из неживого. Эксперимент доказывает лишь невозможность зарождения микроорганизмов конкретно в тех питательных средах, которые использовались, при весьма ограниченном диапазоне условий и в течение коротких промежутков времени. Но он не доказывает невозможность самозарождения жизни в течение сотен миллионов лет химической эволюции, в самых разных средах и при разных условиях (особенно при условиях ранней Земли: в бескислородной атмосфере, наполненной метаном, углекислым газом, аммиаком и циановодородом, при пропускании электрических разрядов и т. д.). Этот эксперимент в принципе не может касаться вопроса об изначальном зарождении жизни хотя бы потому, что в своих опытах Пастер использовал мясные и дрожжевые бульоны (а также мочевину и кровь), а до зарождения жизни не было ни дрожжей, ни мяса. И тем более эксперимент Пастера никак не опровергает современные научные теории и гипотезы о зарождении жизни в глубоководных горячих гидротермальных источниках, в геотермальных источниках, на минеральных кристаллах, в космическом пространстве, в протопланетной туманности, из которой сформировалась Солнечная система и др.
Теория стационарного состояния
Согласно теории стационарного состояния, 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.
Однако гипотеза стационарного состояния в корне противоречит данным современной астрономии, которые указывают на конечное время существования любых звёзд и, соответственно, планетных систем вокруг звёзд. По современным оценкам, основанным на учете скоростей радиоактивного распада, возраст Земли, Солнца и Солнечной системы исчисляется ~4,6 млрд лет. Поэтому эта гипотеза обычно не рассматривается академической наукой.
Сторонники этой гипотезы не признают, что наличие или отсутствие определённых ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводит в качестве примера представителя кистеперых рыб - латимерию. По палеонтологическим данным кистеперые вымерли в конце мелового периода. Однако 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 о 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 останков в экологическом аспекте. Так, например, внезапное появление какого-либо ископаемого вида в определённом пласте они объясняют увеличением численности его популяции или его перемещением в места, благоприятные для сохранения остатков. Теория стационарного состояния представляет собой только исторический или философский интерес, так как выводы этой теорий противоречат научным данным.
Теория панспермии
Практически одновременно с опытами Пастера немецким ученым Г. Рихтером была высказана гипотеза о занесении живых существ на Землю из космоса, получившая позднее название теории панспермии. Согласно этой гипотезе жизнь в виде "семян" широко распространена в космосе, откуда зародыши простых организмов могли попасть в земные условия вместе с метеоритами и космической пылью и дать начало эволюции всего живого, породив, таким образом, все многообразие земной жизни. То есть данная теория допускала возможность возникновения жизни в разное время в разных частях Галактики и перенесения ее на Землю тем или иным способом. Основную идею теории панспермии разделяли крупнейшие ученые конца XIX в. У. Томсон, Г. Гельмгольц, В.И. Вернадский.
В 1908 г. шведский химик С. Аррениус выдвинул схожую гипотезу происхождения жизни из космоса. Он высказал мысль, что зародыши жизни вечно существуют во Вселенной, движутся в космическом пространстве под влиянием световых лучей и, оседая на поверхности планет, дают начало жизни на них. Жизнь на нашей Земле начала свое развитие тогда, когда на нее из Космоса попали зародыши жизни.
Теория панспермии была поддержана многими известными учеными, что способствовало ее широкому распространению. Довольно большое число сторонников имеет эта теория и в наши дни. Так, американские астрономы, изучая газовую туманность, отстоящую от Земли на 25 тысяч световых лет, нашли в ее спектре следы аминокислот и других органических веществ. В начале 1980-х гг. американские исследователи обнаружили в Антарктиде осколок породы, выбитой когда-то с поверхности Марса крупным метеоритом. При помощи электронного микроскопа в этом камне были обнаружены окаменевшие останки микроорганизмов, похожие на земные бактерии. Это говорит о том, что в прошлом на Марсе существовала примитивная жизнь, может быть, она есть там и сейчас.
Тем не менее, серьезных аргументов в пользу панспермии нет. При этом существуют серьезные доводы против нее. Дело в том, что, хотя спектр возможных условий для существования живых организмов достаточно широк, все же считается, что они должны погибнуть в космосе под действием ультрафиолетовых и космических лучей.
Были попытки опровергнуть это положение. Так, голландский ученый М. Гринберг считал, что на нашу планету жизнь была занесена кометами. По его мнению, живые клетки зародились в газовых хвостах комет. Поэтому он попытался воспроизвести в лабораторных условиях кометную среду. Для этого Гринберг охладил смесь метана, окиси углерода и воды до температуры --269°С и подверг ультрафиолетовому облучению. В результате он получил сложные органические соединения. Однако опыты Гринберга не изменили мнения большинства ученых.
Космическая гипотеза возникновения жизни получила продолжение в настоящее время в исследованиях Ф. Хойла, предположившего, что микроорганизмы образуются в космическом пространстве, захватываются кометами и рассеиваются в пространстве планет, мимо которых они пролетают. Но предопределенность такого возникновения жизни чрезвычайно мала, а одна только возможность - это не самое главное условие для зарождения живого в Космосе или на Земле.
Некоторая часть ученых склоняется к версии о "направленной" панспермии. Суть ее - в признании существования некой галактической сверхцивилизации сеятелей, которые создают и распространяют семена жизни по разным планетам. Среди ее сторонников - английский профессор Ф. Крик, один из первооткрывателей структуры гена, предложивший свою гипотезу еще в 1971 г. К сожалению, при всей своей привлекательности эта версия не выдерживает строгой научной критики, у нас нет ни одного довода в ее пользу.
Кроме того, все существующие варианты панспермии, в конечном счете, не решают проблемы происхождения жизни. Они лишь выносят ее за пределы Земли, однако оставляют открытым вопрос: если жизнь была занесена на Землю из космоса, то где и как она возникла там?
Теория креационизма
Теория креационизма имеет самую длинную историю, так как практически во всех религиях возникновение жизни рассматривается как акт божественного творения, свидетельством чего является наличие в живых организмах особой силы, которая управляет всеми биологическими процессами. Процесс божественного сотворения мира и живого недоступен для наблюдения, и божественный замысел недоступен человеческому пониманию.
Интересно в креационизме был решен вопрос о продолжительности акта творения мира. В Библии сказано, что Бог сотворил мир в шесть дней. Некоторые христианские теологи верят, что это были обычные дни по 24 часа. Другие богословы относились к библейским текстам как к аллегориям и считали, что каждый день творения занимал тысячу лет. Но во всех случаях рассуждения о происхождении жизни базируются лишь на вере в библейские откровения, сомневаться в которых нельзя. Научные же истины в соответствии с принципом фальсификации всегда подвергаются сомнению.
Таким образом, концепция креационизма, по существу, научной не является, ведь она возникла в рамках религиозного мировоззрения. Она утверждает, что жизнь такова, какова она есть, потому что такой ее сотворил Бог. Тем самым практически снимается вопрос о научном решении проблемы происхождения жизни, так как все религии требует принимать это положение на веру, без доказательств. Тем не менее, теория креационизма продолжала и продолжает пользоваться довольно большой популярностью.
2. Современные теории
Теория биохимической эволюции А.И. О парина
Одним из главным препятствий, стоявших в начале XX в. на пути решения проблемы возникновения жизни, было господствовавшее в науке и основанное на повседневном опыте убеждение, что между органическими и неорганическими соединениями не существует никакой взаимосвязи. До середины XX в. многие ученые полагали, что органические соединения могут возникать только в живом организме, биогенно. Именно поэтому их назвали органическими соединениями в противоположность веществам неживой природы - минералам, которые получили название неорганических соединений. Считалось, что природа неорганических веществ совершенно иная, а поэтому возникновение даже простейших организмов из неорганических веществ принципиально невозможно. Однако, после того как из обычных химических элементов было синтезировано первое органическое соединение, представление о двух разных сущностях органических и неорганических веществ оказалось несостоятельным. В результате этого открытия возникли органическая химия и биохимия, изучающие химические процессы в живых организмах.
Кроме того, данное научное открытие позволило создать теорию биохимической эволюции, согласно которой жизнь на Земле возникла в результате физических и химических процессов. Исходную основу этой гипотезы составили данные о сходстве веществ, входящих в состав растений и животных, а также о возможности в лабораторных условиях синтезировать органические вещества, составляющие белок.
Эти открытия легли в основу теории А.И. Опарина, опубликованной в 1924 г. в книге "Происхождение жизни", где была изложена принципиально новая гипотеза происхождения жизни. Он выступил с утверждением, что принцип Реди, вводящий монополию биотического синтеза органических веществ, справедлив лишь для современной эпохи существования нашей планеты. В начале же своего существования, когда Земля была безжизненной, на ней происходили абиотические синтезы углеродистых соединений и их последующая предбиологическая эволюция.
Появление жизни он рассматривал как единый естественный процесс, который состоял из протекавшей в условиях ранней Земли первоначальной химической эволюции, перешедшей постепенно на качественно новый уровень - биохимическую эволюцию. Суть гипотезы сводилась к следующему: зарождение жизни на Земле - длительный эволюционный процесс становления живой материи в недрах неживой. И произошло это путем химической эволюции, в результате которой простейшие органические вещества образовались из неорганических под влиянием сильнодействующих физико-химических факторов.
Рассматривая проблему возникновения жизни путем биохимической эволюции, Опарин выделяет три этапа перехода от неживой материи к живой: эволюция биохимический естествознание
1. этап синтеза исходных органических соединений из неорганических веществ в условиях первичной атмосферы ранней Земли;
2. этап формирования в первичных водоемах Земли из накопившихся органических соединений биополимеров, липидов, углеводородов;
3. этап самоорганизации сложных органических соединений, возникновение на их основе и эволюционное совершенствование процессов обмена веществом и воспроизводства органических структур, завершающееся образованием простейшей клетки.
На первом этапе, около 4 млрд. лет назад, когда Земля была безжизненной, на ней происходили абиотический синтез углеродистых соединений и их последующая предбиологическая эволюция. Для этого периода эволюции Земли были характерны многочисленные вулканические извержения с выбросом огромного количества раскаленной лавы. По мере остывания планеты водяные пары, находившиеся в атмосфере, конденсировались и обрушивались на Землю ливнями, образуя огромные водные пространства. Поскольку поверхность Земли оставалась все-таки горячей, вода испарялась, а затем, охлаждаясь в верхних слоях атмосферы, вновь выпадала на поверхность планеты. Эти процессы продолжались многие миллионы лет. Таким образом, в водах первичного океана были растворены различные соли. Кроме того, в него попадали и органические соединения: сахара, аминокислоты, азотистые основания, органические кислоты и т.п., непрерывно образующиеся в атмосфере под действием ультрафиолетового излучения, высокой температуры и активной вулканической деятельности.
Первичный океан, вероятно, содержал в растворенном виде различные органические и неорганические молекулы, попавшие в него из атмосферы и поверхностных слоев Земли. Концентрация органических соединений постоянно увеличивалась, и в конце концов воды океана стали "бульоном" из белковоподобных веществ - пептидов.
На втором этапе, по мере смягчения условий на Земле, под воздействием на химические смеси первичного океана электрических разрядов, тепловой энергии и ультрафиолетовых лучей стало возможным образование сложных органических соединений - биополимеров и нуклеотидов, которые, постепенно объединяясь и усложняясь, превращались в протобионтов. Итогом эволюции сложных органических веществ стало появление коацерватов, или коацерватных капель.
Коацерваты - это комплексы коллоидных частиц, раствор которых разделяется на два слоя: слой, богатый коллоидными частицами, и жидкость, почти свободную от них. Коацерваты обладали способностью поглощать различные вещества, растворенные в водах первичного океана. В результате внутреннее строение коацерватов менялось, что вело или к их распаду, или к накоплению веществ, т.е. к росту и изменению химического состава, повышающего их устойчивость в постоянно меняющихся условиях. Теория биохимической эволюции рассматривает коацерваты как предбиологические системы, представляющие собой группы молекул, окруженные водной оболочкой. Коацерваты оказались способными поглощать из внешней среды различные органические вещества, что обеспечило возможность первичного обмена веществ со средой.
На третьем этапе, как предполагал Опарин, начал действовать естественный отбор. В массе коацерватных капель происходил отбор коацерватов, наиболее устойчивых к данным условиям среды. Процесс отбора шел в течение многих миллионов лет, в результате чего сохранилась только малая часть коацерватов. Однако сохранившиеся коацерватные капли обладали способностью к первичному метаболизму. А обмен веществ - первейшее свойство жизни. Вместе с тем, достигнув определенных размеров, материнская капля могла распадаться на дочерние, которые сохраняли особенности материнской структуры. Таким образом, можно говорить о приобретении коацерватами свойства самовоспроизведения - одного из важнейших признаков жизни. По сути дела, на этой стадии коацерваты превратились в простейшие живые организмы.
Дальнейшая эволюция этих предбиологических структур была возможна только при усложнении обменных и энергетических процессов внутри коацервата. Более прочную изоляцию внутренней среды от внешних воздействий могла обеспечить только мембрана. Вокруг коацерватов, богатых органическими соединениями, возникли слои липидов, отделившие коацерват от окружающей его водной среды. В процессе эволюции липиды трансформировались в наружную мембрану, что значительно повысило жизнеспособность и устойчивость организмов. Появление мембраны предопределило направление дальнейшей химической эволюции по пути все более совершенной саморегуляции вплоть до возникновения первых клеток.
Популярность теории Опарина в научном мире очень велика. Однако большая часть экспериментов, развивших идеи ученого, была проведена только в 1950--1960-е гг. Так, в 1953 г. С. Миллер в ряде экспериментов смоделировал условия, существовавшие на раннем этапе эволюции Земли. В сделанной им установке были синтезированы многие аминокислоты, аденин, простые сахара и другие вещества, имеющие важное биологическое значение. После этого Л. Орджел в сходном эксперименте синтезировал простые нуклеиновые кислоты. Но, несмотря на экспериментальную обоснованность и теоретическую убедительность, теория Опарина имеет как сильные, так и слабые стороны.
Сильной стороной теории является достаточно точное экспериментальное обоснование химической эволюции, согласно которой зарождение жизни является закономерным результатом добиологической эволюции материи. Убедительным аргументом в пользу этой теории является также возможность экспериментальной проверки ее основных положений. Это касается не только лабораторного воспроизведения предполагаемых физико-химических условий первичной Земли, но и коацерватов, имитирующих доклеточных предков и их функциональные особенности.
Слабой стороной теории является невозможность объяснения самого момента скачка от сложных органических соединений к живым организмам, ведь ни в одном из поставленных экспериментов получить жизнь так и не удалось. Кроме того, Опарин допускал возможность самовоспроизведения коацерватов в отсутствие молекулярных систем с функциями генетического кода. Иными словами, без реконструкции эволюции механизма наследственности объяснить процесс скачка от неживого к живому не удается. Поэтому сегодня считается, что решить эту сложнейшую проблему биологии без привлечения концепции открытых каталитических систем, молекулярной биологии, а также кибернетики не получится.
Теория голобиоза и генобиоза
Трудность решения вопроса о происхождении жизни объясняется хорошо известным фактом: для саморепродукции нуклеиновых кислот - основы генетического кода - необходимы ферментные белки, а для синтеза белков - нуклеиновые кислоты. Данная ситуация аналогична той, что происходит при постройке дома, для которого одновременно нужны как материалы, так и чертежи и планы.
Конечно, проще всего было бы предположить, что нуклеиновые кислоты и белки-ферменты появились одновременно, объединились в единую систему в пределах протобионта, после чего началась их коэволюция - одновременная и взаимосвязанная эволюция. К сожалению, этот компромиссный вариант не получил признания ученых. Дело в том, что белковые и нуклеиновые макромолекулы структурно и функционально глубоко различны. В силу этого они не могли появиться одновременно, в результате одного скачка в ходе химической эволюции. Таким образом, невозможно и их сосуществование в протобиологической системе.
В результате на протяжении большей части XX в. ученые вели дискуссию о том, что было первичным - белки или нуклеиновые кислоты, а также о том, как и на каком этапе произошло их объединение в единую систему, способную к передаче генетической информации и регуляции биосинтеза белков, т.е. являющуюся живым организмом. В зависимости от ответа на вопрос, что является первичным - белки или нуклеиновые кислоты, все существующие гипотезы и теории можно разделить на две большие группы - голобиоза и генобиоза.
Рассмотренная ранее теория Опарина относится к группе теорий голобиоза - методологического подхода, утверждающего первичность структур, способных к элементарному обмену веществ при участии ферментных белков. Появление нуклеиновых кислот в этой теории считается завершением эволюции, итогом конкуренции протобионтов. Данную точку зрения можно назвать субстратной.
Сторонники генобиоза исходят из убеждения в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода. Эту группу гипотез и концепций можно назвать информационной. Примером этой точки зрения может служить теория американского генетика Дж. Холдейна, выдвинутая им в 1929 г. Согласно теории Холдейна первичной была не структура, способная к обмену веществ с окружающей средой, а макромолекулярная система, подобная гену и способная к саморепродукции (и поэтому названная им "голым геном").
Вплоть до 1980-х гг. имело место четко выраженное противостояние гипотез голобиоза и генобиоза, после чего чаша весов стала склоняться в пользу теории генобиоза. Во многом это произошло благодаря новому истолкованию открытого еще Л. Пастером свойства молекулярной хиральности живых организмов, которое считается изначальным и фундаментальным признаком живой материи. Считается, что свойство молекулярной хиральности зародилось столь же рано, как и способность к генетической саморепродукции. Причем это кодирование производится с помощью молекул ДНК или РНК.
Но оставался нерешенным вопрос о том, какая из этих информационных молекул появилась первой и сыграла роль матрицы для первичной комплементарной полимеризации.
Ответ на вопрос был получен к концу 1980-х гг. Он гласил, что первичной была молекула РНК, а не ДНК. Признание этого факта было связано с открытием у РНК уникальных свойств. Оказалось, что она наделена такой же генетической памятью, как и молекула ДНК. Далее была установлена настоящая вездесущность РНК - стало ясно, что нет организмов, в которых отсутствовала бы РНК, хотя есть множество вирусов, геном которых не содержит ДНК. Также, вопреки устоявшейся догме, утверждавшей, что перенос генетической информации идет в направлении от ДНК к РНК и белку, оказался возможным перенос информации от РНК к ДНК при участии фермента, открытого в начале 1970-х гг.
В начале 1980-х гг. была установлена способность РНК к саморепродукции в отсутствие белковых ферментов, т.е. открыта ее автокаталитическая функция. Это объясняло все нерешаемые ранее вопросы.
Таким образом, сегодня считается, что протобионт представлял собой молекулу РНК. Древняя РНК была транспортной и совмещала в себе черты как фенотипа, так и генотипа. Иными словами, она могла подвергаться как генетическим преобразованиям, так и естественному отбору. Уже очевидно, что процесс эволюции шел от РНК к белку, а затем к образованию молекулы ДНК, у которой С-Н связи более прочны, чем С-ОН связи РНК.
Очевидно, что возникновение хиральности, а также первичных молекул РНК не могло произойти в ходе плавного эволюционного развития. Судя по всему, имел место скачок со всеми характерными чертами самоорганизации вещества, об особенностях которой говорилось выше.
В 1990-е гг. появился еще ряд версий, в соответствии с которыми жизнь могла появиться в геотермальных источниках, на морском дне, в тонких пленках органического вещества, адсорбированного на поверхности кристаллов пирита или апатитов. Их появление вызвано некоторыми недостатками теории генобиоза, но они еще не получили достаточного обоснования и развития.
Заключение
Загадка появления жизни на Земле с незапамятных времен волнует людей. На протяжении веков менялись взгляды на эту проблему и было высказано большое количество самых разнообразных гипотез и теорий. Некоторые из них получили широкое распространение и доминировали в те или иные периоды развития естествознания. К такого рода теориям происхождения жизни относят:
Креационизм, утверждающий, что жизнь создана сверхъестественным существом в результате акта творения;
Теорию стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда;
Теорию самозарождения жизни, основывающуюся на идее многократного возникновения жизни из неживого вещества;
Теорию панспермии, утверждающую, что жизнь занесена на Землю из космоса;
Теорию биохимической эволюции.
Такое разнообразие взглядов вызвано тем обстоятельством, что точно воспроизвести или экспериментально подтвердить процесс зарождения жизни сегодня невозможно. Отмеченные теории преимущественно опираются на умозрительные представления как исследователей естественнонаучного направления, так и исследователей, придерживающихся теологических взглядов.
На сегодня не существует одной четко определенной теории происхождения жизни на Земле. Возможно, непрерывное развитие науки приведет к каким-то новым совершенно неожиданным открытиям.
Список использованной литературы
1. Вернадский В.И. Живое вещество. М.: Наука, 1978.
2. Войткевич Г.В. Возникновение и развитие жизни на Земле. М., 1988.
3. Марков А.В. Рождение сложности. М.: Астрель, CORPUS, 2012.
4. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие. - М.: Гардарики, 2000.
5. Опарин А.И. Возникновение жизни на Земле. М.--Л.: Издательство Академии Наук СССР, 1941.
6. Опарин А.И. Жизнь, ее природа, происхождение и развитие. Ин-т биохимии. - М.: АН СССР, 1968.
7. Опарин А.И. Современные взгляды на происхождение жизни. М.: Правда, 1947.
8. Происхождение жизни. Наука и вера (Science, Evolution, and Creationism). М.: Астрель, CORPUS, 2010.
9. Яновская М.И. "Пастер" / Серия "Жизнь замечательных людей". - М.: Молодая гвардия, 1960.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Божественная теория происхождения человека. Возникновение материалистических теорий самозарождения жизни и эволюции антропоидных предков в человека. История креационизма - теологической и мировоззренческой концепции создания человека и планеты Богом.
реферат , добавлен 06.09.2014
Детальное изучение понятий жизни, смерти и бессмертия, а также формирование представлений о структуре живой и неживой материях и их законов, ознакомление с многообразием жизни и историей развития её на Земле. Концепции происхождения жизни на Земле.
контрольная работа , добавлен 12.01.2011
Что сказано в Библии? Модели Фридмана. Срок эволюции. О сотворении растений. О появлении первых животных. Классификация живых существ. Современной является синтетическая теория эволюции. Креационизм. Происхождение человека.
реферат , добавлен 02.03.2003
Проблема изучения влияния космоса, как живого разума, на человека. Представители русского космизма - Чижевский и Циолковский. Смысл исследования Чижевского: доказательство существования космических ритмов и зависимости жизни на Земле от пульса космоса.
статья , добавлен 28.04.2015
Поиск ответов на вопрос: как устроен этот мир? Теория Большого Взрыва, ограничение ее возможностей исходным положением о конечности пространства-вещества-излучения. Анализ ситуации в проблематике, связанной с вопросом происхождения и эволюции жизни.
контрольная работа , добавлен 14.03.2010
Жизнь - одна из форм бытия и одна из высших форм движения. Познание жизни. Взгляды на происхождение жизни и ее развитие. Естественнонаучные представления о жизни и ее эволюции. Теория самопроизвольного зарождения. Теория панспермии.
реферат , добавлен 07.12.2006
Вопрос о смысле жизни как философская и духовная проблема, несущая в себе неопределённость цели существования. Одиночество, депрессия - причина суицида. Психологические, философские и религиозные взгляды на вопрос о смысле жизни. Цитаты известных людей.
эссе , добавлен 22.10.2014
Жизнь и смерть как вечные темы духовной культуры человечества. Тайна человеческого бытия. Библейское сказание о создании жизни на земле Богом. Теория О. Лемана о формировании первичных форм жизни из жидких кристаллов. Вечность, жизнь, смерть, бессмертие.
реферат , добавлен 11.02.2013
Вопрос о смысле жизни я считаю самым неотложным из всех вопросов. Скука - результат машинальной жизни, но она же приводит в движение сознание. Судьба человека отныне обретает смысл в этой непостижимой и ограниченной вселенной. Человек есть цель в себе.
контрольная работа , добавлен 07.01.2009
Межпредметные связи и основы философии. Человек как главная философская проблема. Теория внешнего вмешательства. Креационистская и эволюционная теории происхождения человека. Фундаментальные отличия человека от животного. Смысл существования человека.
