Современные концепции возникновения жизни

Современные концепции возникновения жизни

Федеральное агентство по образованию

Южно - Уральский Государственный Университет

Факультет физической культуры и спорта

Кафедра теории и методики физической культуры и спорта

Курсовая работа

По дисциплине: концепции современного естествознания

Современные концепции возникновения жизни

Выполнил студент

группы ФКиС - 237

Стрижов Артём Николаевич

Проверил: Полтинкина И.В.

Челябинск - 2005

Содержание

Введение

Глава I. Обзор литературы

§1.1 Гипотеза Крика - Оргела

§1.2 О возможностях случайного  посева

§1.3 Теория Ю. А. Колясникова

§1.4 Теория У. Мартина и М. Рассела

§1.5 Гипотеза Сванте Аррениуса

§1.6 Гипотеза А.И Опарина

Глава II. Опытно - экспериментальная часть

§2.1 Абиотический синтез биомономеров

§2.2 Абиотический синтез полимеров

Заключение

Список литературы

Введение

Гипотезы -- это леса, которые возво-дят

перед зданием и сносят, когда зда-ние готово.

И. В. Гете

Жизнь -- это самое прекрасное и в конечном итоге са-мое важное из всего того, что существует на нашей планете. Научное раскрытие тайн живой природы имеет исключительное, решающее значение как в теоретиче-ском, мировоззренческом отношении, так и во всех тех областях практической деятельности человека, где он имеет дело с живыми объектами,-- в области медицины, сельского хозяйства и ряда отраслей промышленности.

Проблема сущности жизни не может быть рацио-нально разрешена без понимания ее возникновения и развития. Господствовавший еще недавно в естествозна-нии механистический материализм, игнорируя это поло-жение, тщетно пытался познать живой организм как ка-кой-то сложный механизм, разбирая его, как часы, на отдельные винтики и колесики и на основании изучения этих деталей стремясь познать живое существо как це-лое.

Конечно, детальный анализ веществ и явлений, свой-ственных живым телам, чрезвычайно важен, совершенно необходим для правильного понимания жизни. Блестя-щие успехи современной биохимии и биофизики являют-ся наглядным доказательством этого. Но как бы глубо-ко и полно мы не познали вещества, структуры и про-цессы, лежащие в основе организации современных живых тел, мы никогда, исходя только из одного этого, не сможем ответить на вопрос, почему эта организация является именно такой, какой она есть, в частности та-кой «целесообразной», т. е. организацией, при которой строение всех составляющих организм частей (молекул, органоидов и органов) так совершенно приспособлено к выполняемым ими функциям, а весь организм как целое приспособлен к существованию в данных условиях внеш-ней среды.

Все религиозные учения видят причину этой целесо-образности в творческой воле создателя, который поро-дил жизнь согласно определенному плану и направил

ее прогрессивное развитие к единой финальной цели, к конечному совершенству. Такой точки зрения придер-живаются, однако, не только теологи, но и представите-ли других идеалистических учений (холисты, финалисты, органицисты).

Только на основе диалектико-материалистических представлений, рассматривающих жизнь как особую ка-чественно новую форму организации и движения мате-рии, возникшую когда-то в процессе эволюционного раз-вития материи, можно рационально подойти к решению проблемы происхождения жизни.

Успехи, достигнутые в настоящее время в различ-ных областях современного естествознания, позволяют нам на указанной основе наполнить конкретным содер-жанием и первую часть нашей формулы, раскрыть те пути, которыми происходило возникновение жизни из безжизненной материи.

В разных пунктах Вселен-ной, на различных объектах нашего звездного мира эволюционное развитие материи осуществлялось и осущест-вляется различными путями и в различных темпах. По-этому в схеме мы не должны его себе представлять как какую-то прямую линию, а скорее как целый пучок различных путей, отдельные ответвления которых могут приводить к очень сложным, совершенным, но глубоко различным между собой формам организации и движе-ния материи.

Изучение зарождения жизни на Земле представляет собой исследование лишь одного примера события, ко-торое должно было происходить в мире бессчетное число раз. Поэтому выяснение вопроса о том, как появилась жизнь на Земле, безусловно, должно служить убедитель-ным доводом в пользу теории о существовании жизни и на других объектах Вселенной.

Глава I. Обзор литературы

§1.1 Гипотеза Крика - Оргела

Позже идею панспермии в очень решительной форме - как доставку жизни к мёртвой Земле на космическом корабле - выдвинули Ф. Крик и Л. Оргел.

И в этом случае выступили учёные, мнение которых трудно игнорировать. Например, Френсис Харри Комптон Крик (р. 1916) - английский биофизик и генетик, лауреат Нобелевской премии. В 1953 г. совместно с Дж. Уотсоном он создал модель структуры ДНК (двойную спираль), что положило начало молекулярной генетике. Является автором трудов по расшифровке генетического кода, по нейрофизиологии и др Взгляды Крика и Оргела поддерживаются рядом других учёных.

Однако, коммунистическая наука не считала такие взгляды материалистическими и на корню отвергала их, подобно идее божественного творения. Большинство советских учёных полагало, что идея панспермии - это лишь уход от решения проблемы происхождения жизни.

В памяти ещё не стёрлась история генетики и кибернетики, долго отвергавшихся коммунистической наукой, а теперь определяющих вершины научного прогресса. Не уготован ли такой же путь и науке о происхождении жизни? Вероятно, здесь не обойтись без борьбы мнений, но разве правильное понимание биологической истории менее существенно, чем иные фундаментальные проблемы?

Для земной науки оказалась непосильной загадка 100%-ной зеркальной асимметрии биологических молекул. К ней примкнули загадки единства аминокислотного набора, генетического алфавита и кода, «энергетической валюты» в виде АТФ. Комплекс фундаментальных загадок земной жизни довершился отсутствием ожидаемой предбиологической эволюции. Но фундаментальные загадки разом исчезают, если признать целенаправленное занесение первых клеток на Землю извне. Тогда обнаруживается точное соответствие между теоретическими ожиданиями и реальными фактами.

Такая же ситуация со взглядами А.И. Опарина. Все перечисленные особенности ранних этапов эволюции (однотипная хиральность биомолекул, одинаковый набор аминокислот, единые генетический алфавит, генетический код и АТФ, отсутствие предбиологической эволюции) противоречат ожиданиям, только если стоять на почве гипотезы А.И. Опарина о зарождении жизни на Земле. Достаточно перейти к гипотезе панспермии, как эти противоречия разом отпадают.

Если раньше гипотеза А.И. Опарина вступала в конфликт, главным образом, с фактами биохимии, то после успехов микропалеонтологии архея стало ясно, что ей противоречит и этот раздел науки. Беда не в том, что обнаружилось непропорционально долгое формирование клеточного ядра. Важно, что в палеонтологической летописи вообще не оказалось места для длительной предбиологической эволюции, неминуемой в случае естественного возникновения жизни на Земле. При этом последующие палеонтологические открытия не способны изменить ситуацию.

Например, если бы выяснилось, что одноклеточные эукариоты появились ранее, чем мы думаем сегодня (скажем, 3,3-3,5 млрд. лет назад), то малому времени предбиологической эволюции стало бы противоречить слишком долгое формирование многоклеточных организмов на основе одноклеточных эукариот (в таком случае оказалось бы, что многоклеточные формировались около 2 млрд. лет).

Палеонтологические данные о сроках возникновения жизни поставили дилемму:

- либо жизнь возникла на Земле сама собой, но это произошло с немыслимо высокой скоростью, из-за чего процесс не оставил следов в палеонтологической летописи,

- либо жизнь занесена на Землю извне.

На решение этой дилеммы существенно влияет парадокс молекулярной асимметрии земной жизни. Даже если бы предбиологическая эволюция, вопреки всему, длилась, скажем, 100-200 тысяч лет, что могло бы не оставить палеонтологических следов, то и тогда предшественниками биохимических процессов могли явиться лишь обычные химические реакции, не проявляющие предпочтения к молекулам определённой хиральности. Иначе говоря, независимо от длительности предбиологического этапа, на Земле обязательно остались бы следы жизни с разными типами хиральности молекул.

И наоборот - если предбиологическая эволюция протекала на иной планете, то нет и проблем хиральности, бесполезно искать на Земле наследие чисто химических процессов в виде равного (или неравного) участия в живой материи молекул левой и правой симметрии. Если эти следы и сохранились, то находятся вне Земли.

Известно, что земные организмы используют два разных генетических кода. Первый из них -собственно код генов на ДНК, а второй - это структурогенный код пространственного расположения генов в ядре. Первый код используется во всех организмах, второй - только у эукариот. Первый код явно возник не на Земле, а был занесен сюда, второй - так же неоспоримо является продуктом местной, земной эволюции.

Сравнение этих двух случаев особенно подчёркивает привнесенность первого кода и автономное происхождение второго. Тогда как палеонтология не обнаруживает периода формирования первого кода, на возникновение второго затрачены миллиарды лет от возникновения жизни до появления первых эукариот. И тогда, как биология не видит ступеней формирования кода ДНК, детально прослеживаются этапы становления генетической системы эукариот.

При поверхностном взгляде может показаться, что исходная позиция учёного - согласие или несогласие с возможностью занесения жизни из космоса - не способна повлиять на итог исследований. Мол, всё равно, в конце концов, нужно узнать, как возникло живое из неживого. Но нет! Исходная позиция, исходные ограничения имеют огромное, принципиальное значение!

Вообразим, что после изучения горных кряжей обжитых континентов учёные стали исследовать погребённые подо льдом горы Элсуорта в Антарктиде. И вдруг в горном массиве Винсон обнаружили верхушку горы, сложенную из полированных гранитных плит! Одни учёные стали думать - как такие плиты могли туда попасть? А другие, поскольку в Антарктиде не известно цивилизаций, сразу отмели возможность их искусственного происхождения и занялись поиском условий, ведущих к естественному формированию горной вершины из гладких гранитных блоков. Легко представить себе, в какие дебри завели бы такие поиски!

Аналогичная ситуация сложилась с попытками объяснить естественное возникновение жизни на Земле. Исследователи натолкнулись на неоспоримые факты, противоречащие гипотезе А.И. Опарина, но хорошо объяснимые идеей панспермии. И только идеей панспермии. Как же реагировать на это?

§1.2 О возможностях случайного  посева

Для понимания первых этапов жизни на Земле и её дальнейшего развития важно знать не только, имела ли место панспермия, но если она произошла, то в каком варианте? Был ли это случайный перенос мельчайших клеток через космос, либо перенос их метеоритами, как представляли себе многие сторонники идеи панспермии, или же это была целенаправленная доставка на космическом корабле специально подобранных микроорганизмов в соответствии со сценарием Ф. Крика и Л. Оргела?

Литературные данные позволяют уточнить ситуацию. Одно из направлений исследований было связано с изучением возможности случайного переноса жизнеспособных клеток через космос.

После того, как П.Н. Лебедев экспериментально доказал, что свет оказывает давление, С. Аррениус рассчитал, что под давлением солнечных лучей споры с поперечником 1,5-2 мкм могут за 14 месяцев покинуть пределы нашей планеты. Позже американский учёный К. Саган указывал, что частицы размером 0,2-0,6 мкм могут быть вынесены с Земли световым давлением и за несколько недель могут достигнуть орбиты Марса. Орбиты Нептуна они могут достигнуть через несколько лет, а до ближайших звёзд долететь за несколько десятков лет. При этом он исходил из предположения, что споры движутся прямолинейно с достаточно высокой скоростью.

Однако подобные предположения отпадают, если вспомнить, что на орбите Земли ультрафиолетовая радиация Солнца имеет плотность 1,4*106 эрг на 1 см2/с. Даже если допустить нереально высокую скорость перемещения спор в космическом пространстве, равную четверти скорости света, то полёт к Марсу займёт около 1000 секунд. Тогда доза облучения составит 1,4*109 эрг/см2, что во много раз выше смертельной дозы 102-106 эрг/см2 [Рубенчик, 1983].

Поскольку выяснилось, что ультрафиолетовая радиация Космоса гарантированно убивает незащищённые клетки (большинство видов клеток не может переносить и воздействие вакуума), особое внимание привлекли метеориты, способные стать для микроорганизмов как бы транспортными контейнерами.

Каждые сутки Земля принимает значительную массу этого космического вещества. За год выпадает от 10 тыс. до 1 млн. метеоритов и много метеоритной пыли. Вес метеоритов колеблется от миллиграммов до десятков тонн. Главное, что отличает метеориты от земных горных пород, это содержание в метеоритном веществе железа с примесью никеля. По количеству Fe метеориты подразделяются на железные, железокаменные и каменные. Больше всего на Землю попадает каменных метеоритов (около 90%), тогда как железных - около 5-6%.

В железных метеоритах металл подвергался воздействию температур выше 1500°С, а затем, как полагают некоторые исследователи, в течение десятков миллионов лет расплавленная масса охлаждалась и кристаллизовалась.

Для объяснения уникальных особенностей структуры метеоритов приходится заключить, что вещество, прошедшее глубокое плавление, составляет в них лишь некоторую часть. Как правило, плавлению при высокой температуре подвергалась лишь малая доля вещества, находившаяся при соударении исходных частиц непосредственно в зоне контакта. Главным формирующим процессом для них являлось медленное, длившееся миллионы лет, спекание мелких частиц в вакууме под действием сил адгезии и космических излучений.

В этом смысле микроструктура метеоритов близка не к монолиту чугунной отливки, а к микроструктуре твёрдосплавных инструментов из «победита», изготавливаемых путём прессования мельчайших гранул при температуре, намного ниже их точки плавления. И твёрдосплавные пластинки, и метеориты, на микроуровне представляют собой губчатую структуру, пронизанную густой сетью капилляров. Это очень важно с точки зрения возможного переноса Жизни через Космос.

Особый интерес представляют углеродистые хондриты, относящиеся к каменным метеоритам. Кроме железа, они содержат серу, связанную воду и до 5% углерода в виде различных органических соединений. Это битумообразные вещества, содержащие углеводороды, ароматические и жирные кислоты, серо- и хлорсодержащие органические соединения, углеводы и др.

В хондритах найдены аминокислоты, присутствующие в земных организмах (глицин, аланин, глутаминовая кислота и др.), а также аминокислоты, не свойственные им. Например, в метеорите Мурчисон выявлены не используемые земными организмами аминокислоты 2-метилаланин и саркозин. (Интересно, что 2-метилаланин и саркозин также оказались синтезированными в опытах, при которых моделировались условия первобытной Земли).

Микроорганизмы искали в метеоритах ещё в прошлом столетии. В 1864 г. вблизи французского селения Оргейль упал крупный метеорит. Луи Пастер сконструировал специальный зонд для стерильного извлечения проб из внутренних частей метеорита. Однако посевы на питательные среды дали отрицательный результат - жизнеспособные микроорганизмы не были обнаружены. В 1921 г. В Галипп и Ж. Суфлянд обследовали 21 метеорит различных типов и обнаружили в них как подвижные, так и неподвижные микроорганизмы.

В 1932 г. Ц. Липман провёл исследования внутренних зон метеоритов, тщательно стерелизовав перед этим их поверхности, и выявил в глубине значительное количество бактерий. Были обнаружены бактерии и в железистом хондрите Оргейль, в котором их безуспешно искал Пастер.

В 1961 г. Ф. Сислер выделил из метеорита Муррей несколько бактерий, которые росли на питательных средах, но не развивались при введении их в организмы крыс, мышей и кур. Однако при проверке в 1962 г. М.Н. Бриггсом эти данные не подтвердились.

В 1962 г. Ч. Байриев и С. Мамедов исследовали один из кусков Сихоте-Алинского железного метеорита через 15 лет после его падения и обнаружили бактериальную палочку, сохраняющую жизнеспособность при повышенной температуре.

Таким образом, в метеоритах были найдены жизнеспособные микроорганизмы. Но действительно ли эти микроорганизмы принесены из далёкого космоса? Например, Дж. Бернал предположил, что при вулканических извержениях земная пыль, вместе с содержащимися на ней микробными клетками, может уноситься в межпланетное пространство, встречаться там с метеоритами, прилипать к ним и с ними возвращаться на Землю.

Наконец, не исключено, что микроорганизмы могут проникать внутрь метеоритов уже после их падения. Чтобы проверить эту возможность, в 1970 г. А.А. Имшенецкий и С.С. Абызов провели эксперименты над образцами горных пород - туфа, пемзы, талька, магнезита, гранита, каменного угля - размером 10?10 см.

Образцы стерилизовались 8-12 часов в муфельной печи при 400-500°С, а затем в автоклаве при избыточном давлении 1 атм. Часть стерильных образцов помещалась в ящик с влажной почвой, а часть (для контроля) хранилась в лабораторных условиях. Через разные сроки (от 8 дней до 6 месяцев) поверхность каждого образца тщательно стерилизовалась и специальным сверлом отбиралась проба из его центральной части. Посевы проб на питательные среды обнаружили рост микроорганизмов даже тогда, когда образцами являлись такие плотные породы, как туф, гранит и др. В контрольных образцах микробы ни разу не обнаружились.

Таким образом, почвенные микроорганизмы находили способ проникать внутрь исследуемых пород.

Другая серия экспериментов проводилась с образцами метеоритов - Сихотэ-Алинского (железный октаэдрит), Чинге (железный атаксит), Кунашак и Саратов (каменные хондриты). В образцах были просверлены вертикальные каналы диаметром до 10 мм, затем образцы подверглись стерилизации и в каналы была внесена почва с чистой культурой бактерий Serratia marcescens. В таком виде образцы были частично погружены в питательную среду. Через 2-15 суток во всех питательных средах, кроме омывающей метеорит Чинге, было зарегистрировано массовое размножение микроорганизмов.

Это показало, что для микроорганизмов проницаемы не только различные горные породы, но и большинство исследованных метеоритов. Следовательно, метеориты, приземляющиеся на влажную почву, способны загрязняться почвенной микрофлорой,

из-за чего обнаруженные в них жизнеспособные клетки не могут служить доводом в пользу метеоритного переноса Жизни.

Если нельзя получить данные о переносе метеоритами жизнеспособных клеток, то не помогут ли они, по крайней мере, узнать, существует ли жизнь в мире, из которого они прилетают? Иначе говоря, не содержат ли метеориты следов мёртвых, ископаемых (фоссилизированных) организмов? Такие исследования были проведены.

В 1961 г. Ж. Клаус и Б. Надь обнаружили в метеорите Оргейль так называемые «организованные элементы», которые, по мнению исследователей, могли являться ископаемыми (фоссилизированными) остатками каких-то биологических образований. Эти элементы люминесцировали в ультрафиолетовом свете, окрашивались, как и бактерии, оснoвными анилиновыми красителями, давали положительную реакцию по Фёльгену, характерную для ДНК. Исследователи предполагали, что это остатки микроорганизмов внеземного происхождения.

Впоследствии такие исследования были продолжены. В метеоритах, найденных в Советском Союзе (Мигеи, Старое Борискино, Саратов) и за рубежом (Ивуна, Але, Беккевельд, Топк) были обнаружены сходные образования размером от 4 до 30 мкм. В метеоритах Оргейль и Ивуна количество таких включений достигало 1700 мг. По поводу происхождения этих образований высказывались серьёзные сомнения. В 1970 г. Г.П. Вдовыкин показал, что некоторые «организованные элементы» представляют собой минеральные образования.

Таким образом, результаты исследований метеоритов не подтвердили и не опровергли возможности существования Жизни вне Земли. Они также не противоречат и не дают весомого подтверждения предположению о переносе метеоритами Жизни из иных миров на Землю.

Другая группа фактов связана с единством биохимии земных организмов.

Предположим, что какая-то частичка космической пыли или метеорит принесли в земной Океан клетку прокариотической  водоросли. Могло бы это дать старт устойчивой биологической эволюции? Возможно. Но сомнительно. Вероятнее, что за первым этапом быстрого размножения последовало бы исчерпание питательных веществ, отравление среды продуктами собственной жизнедеятельности - что мы часто наблюдаем при «цветении воды» в изолированных водоёмах - и гибель клеток.

Дело даже не в том, что обязательно погибли бы все до одной клетки. На периферии очага жизни, вероятно, сохранились бы немногочисленные клетки, позволяющие жизни «теплиться» далее. Но не смогло бы образоваться такое количество продуктов фотосинтеза, чтобы его можно было найти почти через четыре миллиарда лет, как они найдены, например, в разрезе Исуа (Западная Гренландия) в виде отложений нефтеподобного вещества.

Чтобы на Земле возникли значительные массы продуктов фотосинтеза, оставившие весомые отложения нефтеподобного вещества, должна была сформироваться устойчивая экосистема с замкнутым круговоротом наиболее критичных веществ (фосфора, азота, серы и др.). К этому времени (3,69-3,83 млрд. лет назад) в Океане уже должны были существовать, вероятно, не менее 3-4-х типов клеток, по характеру биохимических процессов напоминающих фотосинтезирующие водоросли, хемотрофов и животных.

Если бы в Океан был занесен только один тип клеток, от которого все остальные типы (родоначальники будущих крупных таксонов) произошли значительно позже, то, соответственно, и  обнаруженное нефтеподобное вещество датировалось бы более поздней отметкой, а не появилось бы практически сразу за возникновением на Земле необходимых для жизни условий.

Но этого мало! Если предположить, что на Землю могли быть случайно занесены метеоритом несколько типов клеток, создавших устойчивый замкнутый круговорот веществ, то метеорит должен был содержать не 3-4 вида клеток, а хотя бы втрое больше, чтобы в этой случайной выборке обязательно присутствовали все необходимые типы. При этом все виды должны были бы иметь одинаковую биохимию, у них должны были бы совпадать и хиральности молекул, и наборы аминокислот, и т.д.

Если клетки случайно попали к нам из мира, где существовали разные ветви жизни (разные варианты биохимии), то невозможно, чтобы десяток принесенных метеоритами видов клеток случайно имел одинаковую биохимию. В случайной выборке обязательно должны были бы присутствовать клетки, относящиеся к иным ветвям Жизни, с иной биохимией.

Страницы: 1, 2