Происхождение жизни на Земле

Происхождение жизни на Земле

4

Содержание

Введение………………………………………………………..........…………….2

1. Современные представления о происхождении жизни на Земле.......………4

2. Основные законы биологической эволюции…………………………..........18

3. Микро и макроэволюция………………………………………………..........22

Заключение……………………………………………………………….............32

Список используемой литературы………………………………………...........33

Введение

С момента возникновения жизни природа находится в непрерывном развитии. Процесс эволюции продолжается уже сотни миллионов лет, и его результатом является то обилие форм живого, которое во многом до конца еще не описано и не классифицировано. Эволюция протекает на всех уровнях организации живой материи и на каждом уровне характеризуется новообразованием структур и появлением новых функций. Объединение структур и функций одного уровня сопровождается переходом живых систем на более высокий эволюционный уровень.

Существует много определений понятия "жизнь" - столь же сложного, многогранного и неоднозначного, как понятия "Вселенная", "материя" и "разум", предельно широкого, отражающего самые общие черты действительности - категории, определяемой через описание основных характеристик и свойств.

Определение из энциклопедического словаря весьма уязвимо: "Живыми называются системы, которые способны самостоятельно поддерживать и увеличивать свою очень высокую степень упорядоченности в среде с меньшей степенью упорядоченности" - по нему живыми являются все самоорганизующиеся и саморегулирующиеся системы - звезды, галактики и сама Метагалактика, коацерватные капли и многие сложные органические соединения, самопроектирующиеся и самосборные кибернетические устройства и т.д.. Предложение академика С.Ф. Лихачева рассматривать жизнь как некоторое неопределимое свойство Вселенной ничего не дает в плане практического использования понятия.

Не потеряло своей актуальности уточненное в ХХ веке определение Ф. Энгельса: "Жизнь - это способ существования белковых тел и нуклеиновых кислот" - поскольку вне живых организмов белки в природе не встречаются.

Наилучшим следует признать определение академика Н.В. Волькенштейна: "Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, самоорганизующиеся и самовоспроизводящие системы, построенные из биополимеров - белков и нуклеиновых кислот".

Проблемы происхождения и эволюции жизни на Земле принадлежали и принадлежат к числу величайших проблем естествознания. Эти проблемы привлекали к себе внимание человеческого ума с самых незапамятных времен. Они являлись предметом интереса всех философских и религиозных систем. Однако в разные эпохи и на разных ступенях развития человеческой культуры проблемы происхождения и эволюции жизни решались по-разному. Сейчас считается общепризнанным, что возникновение жизни на Земле представляло собой закономерный процесс, вполне поддающийся научному исследованию. Однако вопрос о происхождении жизни труден в исследовании, поскольку когда наука подходит к проблемам развития как сотворения совершенно нового, она оказывается у предела собственных возможностей, так как ученые сейчас не в состоянии воспроизвести процесс возникновения жизни с такой же точностью, как это было несколько миллиардов лет назад. Даже тщательно поставленный опыт будет только модельным экспериментом, лишенным ряда факторов, сопровождавших появление живого на Земле.

Таким образом, вопрос о происхождении жизни интересен не только сам по себе, но и тесной связью с вопросами эволюции форм жизни.

Актуальность выбранной темы не вызывает сомнений, поэтому в данной работе рассматриваются современные теории возникновения жизни и процесса эволюции ее форм.

При выполнении работы использовались учебники и учебные пособия по концепциям современного естествознания, философии, астрономии, экологии, экологическому праву и природопользованию, а также монографии и научные статьи в периодических изданиях.

1. Современные представления о происхождении жизни на Земле

В настоящее время ученые выделяют пять научных концепций возникновения жизни:

1. Возникновение живого из неживого, подчиняясь определенным физическим и химическим закономерностям - абиотическая концепция;

2. Гипотеза «голобиоза» - концепция протобионта либо биода, некоего доклеточного предка, начальных «жизнеспособных» структур;

3. Гипотеза «генобиоза», т.е. поиска генома как реликтового предка всех живых клеточных структур, считая, что конкретно РНК сыграла первостепенную роль в ёе зарождении жизни;

4. Концепция стационарного состояния жизни - жизнь была постоянно, начала жизни не существует;

5. Внеземное происхождение жизни - жизнь была занесена на Землю из Космоса (концепция панспермии).

В развитии учений о происхождении жизни существенное место занимает теория, утверждающая, что все живое происходит лишь от живого - теория биогенеза. Эту теорию в середине XIX века противопоставляли ненаучным представлениям о самозарождении организмов. Но как теория происхождения жизни биогенез несостоятелен, поскольку принципиально противопоставляет живое неживому, утверждает отвергнутую наукой идею вечности жизни [7. С. 129].

Абиотическая концепция. Абиогенез - мысль о происхождении живого из неживого - начальная гипотеза современной теории происхождения жизни. В 1924 г. биохимик А.И.Опарин высказал предположение, что при массивных электрических разрядах в земной атмосфере, которая 4-4,5 млрд. лет назад состояла из аммиака, метана, углекислого газа и паров воды, могли появиться простые органические соединения, нужные для возникновения жизни. Предсказание академика Опарина оправдалось. В 1955 г. американский исследователь С.Миллер, пропуская электрические заряды через смесь газов и паров, получил простые жирные кислоты, мочевину, уксусную и муравьиную кислоты и несколько аминокислот. Таковым образом в середине XX века был экспериментально осуществлен абиогенный синтез белковоподобных и других органических веществ в условиях, воспроизводящих условия первобытной Земли.

Гипотеза Опарина о возникновении жизни на Земле опирается на представление о постепенном усложнении химической структуры и морфологического вида предшественников жизни (пробионтов) на пути к живым организмам. На стыке моря, суши и воздуха создавались благоприятные условия для образования сложных органических соединений. В концентрированных растворах белков, нуклеиновых кислот могут образовываться сгустки подобно акварастворам желатина. А.И.Опарин назвал эти сгустки коацерватными каплями либо коацерватами.

Коацерваты - это обособленные в растворе органические многомолекулярные структуры. Это еще не живые существа. Их возникновение рассматривают как стадию развития преджизни.

Более принципиальным этапом в происхождении жизни было возникновение механизма воспроизведения себе подобных и наследования параметров прошлых поколений. Это стало возможным благодаря образованию сложных комплексов нуклеиновых кислот и белков. Нуклеиновые кислоты, способные к самовоспроизведению, стали контролировать синтез белков, определяя в них порядок аминокислот, а белки-ферменты осуществляли процесс сотворения новейших копий нуклеиновых кислот. Так появилось основное свойство, характерное для жизни - способность к воспроизведению подобных себе молекул.

Сильная сторона абиогенетической гипотезы - её эволюционный характер (жизнь - закономерный этап эволюции материи), возможность экспериментальной проверки главных положений гипотезы (на коацерватных каплях можно сымитировать доклеточные фазы зарождения жизни). Слабая сторона гипотезы Опарина допускала воспроизводство протоживых структур в отсутствии молекулярных структур генетического кода. Гипотеза Опарина предъявляет особые требования к экспериментальному воспроизведению коацерватных структур: «первичный бульон» с химически сложной структурой, элементы биогенного происхождения (ферменты и коферменты).

Абиогенная гипотеза встретила решительный отпор ученых - приверженцев идеи вечности и безначальности биологической жизни. Российский ученый биохимик С.П. Костычев в брошюре «О появление жизни на Земле» замечает, что простые организмы посложнее всех фабрик и заводов, и случайное возникновение жизни маловероятно, жизнь никогда «не создается из мертвой материи» [7. С. 132].

В отношении самозарождения организмов нужно отметить, что Французская Академия наук еще в 1859 г. назначила специальную премию за попытку осветить по-новому вопрос о самопроизвольном зарождении жизни. Эту премию в 1862 г. получил известный французский ученый, основатель современной микробиологии Л.Пастер. Своими опытами он доказал невозможность самозарождения микроорганизмов.

Следует отметить, что в настоящее время жизнь на Земле не может появиться абиогенным методом. Еще Дарвин в 1871 г. писал: "Но если бы сейчас в каком-либо теплом водоеме, содержащем все нужные соли аммония и фосфора и доступном действию света, тепла, электроэнергии и т.п., химически образовался белок, способный к дальнейшим все более сложным превращениям, то это вещество немедленно было бы разрушено и поглощено, что было нереально в период возникновения живых существ".

С гипотезой А.И.Опарина в настоящее время трудно согласиться. Наличие аналогов обмена веществ и «естественного отбора» у коацерватов еще не есть доказательство того, что они могли привести к образованию первых примитивных организмов. А как произошел качественный скачок от неживого к живому гипотеза Опарина не объясняет.

Теория панспермии. Идея панспермии была выдвинута в 1907 году С. Аррениусом и поддерживалась такими крупными учеными, как Э. Хойл, Ч. Викрамсинх, У. Крик, С. Ортель, К. Саган. В 1865 г. немецкий врач Г.Рихтер выдвинул гипотезу космозоев (космических зачатков), в согласовании с которой жизнь является вечной и зачатки, населяющие мировое пространство, могут переноситься с одной планеты на другую. Сходную гипотезу в 1907 г. выдвинул шведский естествоиспытатель С.Аррениус, предположив, что во Вселенной постоянно есть зародыши жизни. Он описывал, как с населенных другими существами планет уходят в мировое пространство частички вещества, пылинки и живые споры микроорганизмов. Они сохраняют свою жизнеспособность, летая в пространстве Вселенной за счет светового давления. Попадая на планету с подходящими условиями для жизни, они начинают новенькую жизнь на данной планете. Эту гипотезу поддерживали многие, в т.ч. российские ученые С. П. Костычев, Л.С. Берг.

Данная гипотеза не предполагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни и переносит дилемму в другое место Вселенной. Либих считал, что «атмосферы небесных тел, а также вращающихся космических туманностей можно считать как вековечные хранилища оживленной формы, как вечные плантации органических зародышей», откуда жизнь рассеивается в виде этих эмбрионов во Вселенной. Схожим образом мыслили немецкие ученые Кельвин, Гермгольц.

Для обоснования панспермии традиционно употребляют наскальные картинки с изображением предметов, похожих на ракеты либо космонавтов, либо появления НЛО. Полеты космических аппаратов разрушили веру в существование разумной жизни на планетах солнечной системы, которая возникла после открытия Скипарелли каналов на марсе в 1877 г. [7. С. 135]

Ловелл насчитал на Марсе 700 каналов. Сеть каналов обхватывала все материки. В 1924 г. каналы были сфотографированы, и большая часть ученых узрели в них подтверждение существования разумной жизни. Фотоснимки 500 каналов зафиксировали и сезонные конфигурации цвета, которые подтвердили идеи русского астронома Г.А. Тихова о растительности на Марсе, поскольку озера и каналы имели зеленоватый цвет. Ценная информация о физических условиях на Марсе была получена русским космическим аппаратом «Марс» и американскими посадочными станциями «Викинг-1» и «Викинг-2». Так, полярные шапки, испытывающие сезонные конфигурации, оказались состоящими из аквапара с примесью минеральной пыли и из жесткой двуокиси углерода (сухого льда). Но пока следов жизни на Марсе не найдено. Исследование поверхности с борта искусственных спутников позволило предположить, что каналы и реки Марса могли появиться в итоге растапливания под поверхностного водяного льда в зонах повышенной активности либо внутреннего тепла планеты, либо при периодических конфигурациях климата.

В конце 60-х годов вновь возник интерес к гипотезам панспермии. При исследовании вещества метеоритов и комет были обнаружены многие «предшественники живого» - органические соединения, синильная кислота, вода, формальдегид, цианогены. Формальдегид, в частности, найден в 60% случаев в 22 исследованных областях, облака с его концентрацией приблизительно 1000 молекул в кубическом сантиметре заполняют обширные пространства. В 1975 г. предшественники аминокислот найдены в лунном грунте и метеоритах [2. С. 76].

Некоторые ученые считают, что жизнь возникла не на Земле, а была занесена на нее из космического пространства в виде спор микроорганизмов размерами 0,2-0,6 мкм. В составе планетарных и диффузных газопылевых туманностей и глобул обнаружены сложные органические соединения. При прохождении Солнечной системы в спиральных рукавах на поверхность Земли может выпадать до 1014 органических молекул на м2.

В пользу вышеупомянутой гипотезы свидетельствуют: универсальность генетического кода всех земных организмов и важность роли молибдена в живой клетке, более редкого на Земле, чем хром и никель, которые могли бы выполнять те же функции. Устойчивые к ультрафиолетовому облучению и космической радиации споры действительно могли бы путешествовать между звезд, но для того, чтобы за миллиард лет Земля получила 1 спору, все остальные звезды Галактики должны иметь планеты, выбрасывающие в тот же срок в космос по 1 т. спор.

В качестве места возникновения и развития жизни предполагались кометы и каменные метеориты - углистые хондриты, содержащие сложные органические вещества, в том числе аминокислоты (в составе метеорита Мерчисон было обнаружено 18 разновидностей аминокислот), не встречающиеся на Земле. Многочисленные данные свидетельствуют об изобилии органических соединений на поверхности Земли в эпоху ее формирования [2. С. 79].

Бактерии способны размножаться в экстремальных условиях температур от - 25њ С до 300њ С при давлении до 1,3? 108 Па. Они сохраняют жизнеспособность в виде спор при температурах от - 240њ С до 600њ С и давлении от 10-4-10-6 Па до 2? 109 Па, облучению ультрафиолетовым излучением интенсивностью до 5? 104 эрг/мм2 и жесткой радиации мощностью до 104 Гр. Колонии бактерий (E. coli) на борту АМС "Сервейер" смогли выжить в течение 1 года на поверхности Луны, и свыше 5 лет находившихся на открытой панели ИСЗ. В ископаемых льдах Арктики и Антарктиды обнаружены споры микроорганизмов (до 107 клеток на грамм), находящихся в состоянии анабиоза от 20-40 тысяч лет до 8 миллионов лет! Некоторые ученые полагают, что у многих обнаруженных популяций микроорганизмов в условиях вечной мерзлоты метаболизм крайне замедляется, но не останавливается. Такая жизнеспособность обусловлена неразрывностью связи популяций организмов со средой обитания.

Отдельные группы земных микроорганизмов, примитивных грибов, дрожжей и водорослей могут не только выжить, но и размножаться в условиях, существующих в криосфере и на поверхности Марса или в океанах Европы. И все же, несмотря на космическую распространенность органических веществ, гипотеза панспермии до сих пор не получила материального подтверждения, хотя массовая печать неоднократно в форме сенсаций сообщала об обнаружении в метеоритах окаменелостей микроорганизмов. Главным недостатком этой гипотезы является то, что перенос места возникновения земной жизни с поверхности Земли в глубины Вселенной не решает вопроса о происхождении жизни из неживой материи.

Концепция стационарного состояния жизни. По мнению В.И. Вернадского, необходимо говорить об извечности жизни и проявлений её организмов, как мы говорим об извечности материального субстрата небесных тел, их тепловых, электрических, магнитных параметров и их проявлений. Далек от научных исканий вопрос о начале жизни, как и вопрос о начале материи, теплоты, электроэнергии, магнетизма, движения. Все живое вышло от живого (принцип Реди). Примитивные одноклеточные организмы могли появиться лишь в биосфере Земли, а шире, в биосфере Вселенной. По мнению Вернадского, естественные науки построены на предположении, что жизнь с её особыми свойствами не играет никакой роли в жизни Вселенной. Но биосферу необходимо брать как целое, как единый живой космический организм (тогда и отпадает вопрос о начале живого, о скачке от неживого к живому) [8. С. 12].

Гипотеза «голобиоза» касается прообраза доклеточного предка и его способностей. Есть разные формы доклеточного предка - «биоид», «биомонада», «микросфера». Согласно биохимику П. Деккера, структурную базу «биоида» составляют «жизнеподобные» неравновесные диссипативные (от лат. «dissipate») структуры, т.е. открытые микросистемы с ферментативным аппаратом, катализирующим метаболизм биоида. Эта гипотеза трактует активность доклеточного предка в обменно-метаболическом духе. В рамках гипотезы «голобиоза» конструировали биохимики С.Фокс и К.Дозе свои биополимеры, способные к метаболизму - комплексному белковому синтезу. Основной недостаток данной гипотезы - отсутствие генетической системы при таком синтезе. Отсюда - следует отдать предпочтение «молекулярному прародителю» всякого живого, а не первичной протоклеточной структуре.

Гипотеза «генобиоза». Американский ученый Холдейн считал, что первичной была не структура, способная к обмену веществ с окружающей средой, а макромолекулярная система, подобная гену и способная к репродукции, а потому и названным им «голым геном». Общее признание гипотеза «генобиоза» получила после открытия РНК и ДНК и их феноменальных параметров. В начале 80-х гг. 20 века была установлена способность РНК к саморепродуцированию в отсутствии белковых ферментов. Второй момент - открытие у РНК автокаталитических функций. Объединение двух функций - каталитической и информационно-генетической - привело к тому, что макромолекулярная система стала способной к саморепродукции. Т.е. старая РНК кооперируя в себе черты фенотипа и генотипа, могла быть подвержена как генетическим преобразованиям, так и естественному отбору, т. е. она эволюционировала.

Итак, РНК сыграла первостепенную роль в зарождении жизни. Но мы же знаем, что современный геном биосферы составляет ДНК, а не РНК. Но как это объяснить? Ревертаза и матричный синтез с ДНК на РНК явились компонентами одного для всего живого доклеточного предка. Но эволюция последнего шла в сторону современной ДНК и утраты им самостоятельных каталитических функций. Таким образом, РНК является той первичной информационной молекулой, которая стояла у истоков жизни.

Можно допустить, что обе нуклеиновые кислоты произошли от одной более примитивной молекулы. Усложняясь и специализируясь в процессе эволюции, эта «прануклеиновая» кислота превратилась в функционально различные типы молекул ДНК и РНК. Возможно, что этой первичной нуклеиновой кислотой могла быть молекула, близкая к более простой РНК. Подобно РНК вируса табачной мозаики она обладала способностью к передаче наследственной информации и к синтезу белка. Возможно также, что вирусы содержащие только одну РНК (филогенетически более раннее образование), следует рассматривать как современные модификации древней, примитивной формы жизни [8. С. 15].

Все это может пролить некоторый свет на пути возникновения и развития живых существ от более простых форм управления и примитивной формы жизни к более сложным формам. Если небелковая («неживая») молекула РНК в подходящей среде образует живые системы, то не на этом ли пути можно обнаружить мостик между неживой и живой природой. Решающее слов в этом вопросе принадлежит различным будущим биохимическим и генетическим исследованиям.

Таким образом, основные гипотезы о происхождении жизни на Земле можно разделить на 3 группы:

1) религиозная гипотеза о "божественном" происхождения жизни;

2) "панспермия" - жизнь возникла в космосе и затем была занесена на Землю;

3) жизнь возникла на Земле в результате естественных процессов.

Рассмотрим более подробно закономерности и химические особенности происхождения жизни на земле.

Возникновение и развитие жизни и разума на Земле подготовлено всем ходом эволюции неживой материи Метагалактики. Закономерность и неизбежность возникновения и развития жизни и разума обусловлена одним из важнейших свойств Метагалактики - "антропным принципом". Существование и развитие объектов Метагалактики обусловлено внутренними динамическими процессами. Все возникающие объекты, от космических пылинок и туманностей, бактерий и людей, звезд, галактик и, по-видимому, всей Метагалактики в целом, являются открытыми неравновесными системами, обменивающимися с окружающей средой веществом и энергией. В ходе эволюции возникает способность к воспроизведению подобных объектов и усвоению ими благоприобретенных признаков и свойств. С увеличением сложности структур упорядоченных систем возрастает их способность к накоплению, запоминанию и хранению информации. Информационная эволюция ускоряет темпы самоорганизации материи и идет в направлении уменьшения возможных наборов элементов, определяющих структуру и функционирование сложных систем. Наборы с наименьшим числом элементов легче восстанавливаются, передаются и тиражируются. Для атомов число возможных комбинаций протонов и нейтронов в атомных ядрах равно числу изотопов (свыше 1500). Для молекул возможное число наборов атомов равно количеству элементов таблицы Менделеева (около 100). Для полимеров в растворах - числу 5 пространственных конфигураций. Для живых организмов - количеству нуклеотидов в ДНК и РНК (4). С увеличением сложности структур возрастает зависимость их существования и развития от физических и химических свойств среды и неизменности внешних условий.

Например, температурные границы существования объектов:

- атомов - от 0,5-1 К до 105 К (температура ионизации);

- молекул - от 2-3 К до 104 К (температура диссоциации);

- твердотельных кластеров (объектов, содержащих минимальное число атомов для проявления всех макроскопических свойств данного вещества) - от 10-15К до 5? 103К;

- микроорганизмов - от 100 К до 700 К;

- человека - от 308 К до 312 К [7. С. 142].

Вышесказанное определяет условия, необходимые и достаточные для проявления и развития жизни, возможное время ее возникновения в Метагалактике и на Земле, основные темпы и направления эволюции живых организмов. В раннюю эпоху существования Метагалактики вплоть до образования галактик, жизнь не могла существовать из-за абсолютно неподходящих внешних условий. Не могла она возникнуть вблизи звезд I поколения, которые, скорее всего, не имеют планетных систем из-за 10-40-кратного дефицита тяжелых химических элементов.

Для образования космических тел с современным химическим составом и соотношением изотопов тяжелых элементов их синтез должен был произойти за 4-6 миллиардов лет до образования Солнечной системы, т.е. не позже 9-11 миллиардов лет назад. Образование тяжелых элементов было особенно интенсивным в период формирования основных галактических структур; в нашем районе Галактики период интенсивного звездообразования закончился к моменту образования Солнечной системы.

Химические условия возникновения и развития жизни определяются составом ее молекулярных основ. Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК построены из нуклеотидов, состоящих в свою очередь из сахара, азотистых оснований и фосфата; белки состоят из аминокислот. Все химическое разнообразие жизни на Земле исчерпывается 28 веществами: 20 видов аминокислот, 5 оснований, 2 углеводов и 1 фосфата, элементарный химический состав которых состоит из водорода (37,5%), углерода (29,8%), кислорода (18,3%), азота (11,3%), фосфора (3,1%). Водород - самый распространенный химический элемент, углерод, кислород и азот - самые распространенные из тяжелых химических элементов, способные образовывать огромное число сложных и относительно стабильных молекул (благодаря наличию химически инертных соединений углерода). Кислород - активный окислитель, его соединение с водородом Н2О, вода - широко распространенный универсальный биологический химический растворитель, остающийся в жидком состоянии в широком диапазоне температур, обладающий высокой диэлектрической проницаемостью и теплоемкостью.

Страницы: 1, 2