Представления о зарождении жизни на Земле
Тайна появления жизни на Земле. Эволюция зарождения жизни на Земле и сущность концепций эволюционной химии. Анализ биохимической эволюции теории академика Опарина. Этапы процесса, приведшего к возникновению жизни на Земле. Проблемы в теории эволюции.
| Рубрика | Биология и естествознание |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 23.03.2012 |
| Размер файла | 55,9 K |
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/
Содержание
- Введение
- 1. Концепции эволюционной химии и происхождения жизни
- 2. Эволюция представлений о зарождении жизни на Земле
- 3. Биохимическая эволюция теории академика Опарина
- Заключение
- Список используемых источников
Введение
Одним из наиболее трудных и в то же время актуальных и интересных в современном естествознании является вопрос о происхождении жизни.
Жизнь - одно из сложнейших, если не самое сложное явление природы. Для нее особенно характерны обмен веществ и самовоспроизведение, а особенности более высоких уровней ее организации обусловлены строением более низких уровней. Живые существа - это естественные информационные системы, т.е. системы, существующие сами по себе, а не в результате построения или составленной кем-то программы.
Отличие живого от неживого заключается в нескольких фундаментальных направлениях: вещественном, структурном и функциональных планах его изучения. В вещественном плане в состав живого обязательно входят высокоупорядоченные макромолекулярные органические соединения, называемые биополимерами, - белки, нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). В структурном плане живое отличается от неживого клеточным строением. В функциональном плане для живых тел характерно воспроизводство самих себя, вернее, самовоспроизводство.
Живые тела отличаются от неживых также наличием обмена веществ, способностью к росту и развитию, активной регуляцией своего состава и функций, способностью к движению, раздражимостью, приспособленностью к среде и т.д. Однако имеются переходные формы от нежизни к жизни. Например, вирусы вне клеток другого организма не обладают ни одним из атрибутов живого, хотя у них есть наследственный аппарат. Они могут расти и размножаться лишь в клетке организма-хозяина, используя его ферментные системы.
Тайна появления жизни на Земле с незапамятных времен волнует людей. На протяжении веков менялись взгляды на эту проблему и было предложено большое количество самых разнообразных гипотез и концепций. Некоторые из них получили весьма широкое распространение и доминировали в те или иные периоды развития естествознания. К такого рода концепциям происхождения жизни относят:
1) теорию стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда;
2) креационизм, утверждающий, что жизнь создана сверхъестественным существом в результате акта творения;
3) теорию самопроизвольного зарождения жизни, основывающуюся на идее многократного возникновения жизни из неживого вещества;
4) теорию панспермии, утверждающую, что жизнь занесена на Землю из космоса;
5) теорию случайного однократного происхождения жизни;
6) теорию биохимической эволюции.
Такое разнообразие взглядов вызвано тем обстоятельством, что точно воспроизвести или экспериментально подтвердить процесс зарождения жизни сегодня невозможно. Названные теории преимущественно опираются на умозрительные представления исследователей как естественно-научного направления, так и придерживающихся теологических взглядов.
Цель данной работы: рассмотрение эволюции зарождения жизни на Земле и сущности основных концепций эволюционной химии. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
1. изучение концепций эволюционной химии и происхождения жизни;
2. проследить эволюцию представлений о зарождении жизни на Земле;
3. изучить биохимическую эволюцию теории академика Опарина.
1. Концепции эволюционной химии и происхождения жизни
Эволюционная химия зародилась в 1950 - 1960 гг. Под эволюционными проблемами следует понимать проблемы самопроизвольного синтеза новых химических соединений (без участия человека). Эти соединения являются более сложными и более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами.
В основе эволюционной химии лежат процессы биокатализа, ферментологии; ориентирована она главным образом на исследование молекулярного уровня живого, что основой живого является биокатализ, т.е. присутствие различных природных веществ в химической реакции, способных управлять ею, замедляя или ускоряя ее протекание. Эти катализаторы в живых системах определены самой природой, что и служит идеалом для многих химиков.
Идея концептуального представления о ведущей роли ферментов, биорегуляторов в процессе жизнедеятельности, предложенная французским естествоиспытателем Луи Пастером в ХIX веке, остается основополагающей и сегодня.
Чрезвычайно плодотворным с этой точки зрения является исследование ферментов и раскрытие тонких механизмов их действия.
Ферменты - это белковые молекулы, синтезируемые живыми клетками. В каждой клетке имеются сотни различных ферментов. С их помощью осуществляются многочисленные химические реакции, котолрые благодаря каталитическому действию ферментов могут идти с большой скоростью при температурах, подходящих для данного организма, т.е. в пределах примерно от 5 до 40 градусов.
Можно сказать, что ферменты - это биологические катализаторы.
В эволюционной химии существенное место отводится проблеме "самоорганизации" систем. Теория самоорганизации "отражает законы такого существования динамических систем, которое сопровождается их восхождением на все более высокие уровни сложности в системной упорядоченности, или материальной организации".
Наука же считает, что только шесть элементов - углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера составляют основу живых систем, из-за чего они получили название органогенов.
Весовая доля этих элементов в живом организме составляет 97,4%. Кроме того, в состав биологически важных компонентов живых систем входят еще 12 элементов: натрий, калий, кальций, магний, железо, цинк, кремний, алюминий, хлор, медь, кобальт, бор.
Особая роль отведена природой углероду. Этот элемент способен организовать связи с элементами, противостоящими друг другу, и удерживать их внутри себя. Атомы углерода образуют почти все типы химических связей. На основе шести органогенов и еще около 20 других элементов природа создала около 8 млн. различных химических соединений, обнаруженных к настоящему времени.96% из них приходится на органические соединения.
Химики стремятся открыть секреты природы. Функциональный подход к объяснению предбиологической эволюции сосредоточен на исследовании процессов самоорганизации материальных систем, выявлении законов, которым подчиняются такие процессы [5]. Это в основном позиции физиков и математиков. Крайняя точка зрения здесь склоняется к тому, что живые системы могут быть смоделированы даже из металлических.
В 1969 г. появилась общая теория химической эволюции и биогенеза, выдвинутая ранее в самых общих положениях профессором Московского университета А.П. Руденко.
В основе этой теории лежит утверждение о том, что процесс саморазвития химических катализаторов двигался в сторону их совершенствования, шел постоянный отбор все новых катализаторов с большей реактивной активностью. Открытый А.П. Руденко основной закон химической эволюции гласит, что эволюционные изменения катализатора происходят в том направлении, где проявляется его максимальная активность.
Саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение каталитических систем происходят за счет энергии базисной реакции. Поэтому эволюционируют каталитические системы с большей энергией. Такие системы разрушают химическое равновесие и в результате являются инструментом отбора наиболее устойчивых эволюционных изменений в катализаторе.
Теория саморазвития каталитических систем дает следующие возможности: выявлять этапы химической эволюции и на этой основе классифицировать катализаторы по уровню их организации; использовать принципиально новый метод изучения катализа; дать конкретную характеристику пределов в химической эволюции и перехода от химогенеза (химического становления) к биогенезу, связанного с преодолением второго кинетического предела саморазвития каталитических систем.
Набирает теоретический и практический потенциал новейшее направление, расширяющее представление об эволюции химических систем, - нестационарная кинетика.
Развитие химических знаний позволяет надеяться на разрешение многих проблем, которые встали перед человечеством в результате его наукоемкой и энергоемкой практической деятельности.
Химическая наука на ее высшем эволюционном уровне углубляет представления о мире. Концепции эволюционной химии, в том числе о химической эволюции на Земле, о самоорганизации и самосовершенствовании химических процессов, о переходе от химической эволюции к биогенезу, являются убедительным аргументом, подтверждающим научное понимание происхождения жизни во Вселенной.
Химическая эволюция на Земле создала все предпосылки для появления живого из неживой природы.
Жизнь во всем ее многообразии возникла на Земле самопроизвольно из неживой материи, она сохранилась и функционирует уже миллиарды лет.
Жизнь полностью зависит от сохранения соответствующих условий ее функционирования. А это во многом зависит от самого человека.
Наш выдающийся химико-физик, Нобелевский лауреат по химии Николай Николаевич Семенов представлял химические процессы в тканях растений и животных как химическое производство живой природы, как производство неких "молекулярных машин" совершенно исключительной точности, быстроты и необычайного совершенства. Это подтверждается открытым недавно синтезом больших белковых молекул со строгим чередованием аминокислот. Клетки имеют в своем составе субмикроскпические "сборные заводики" - рибосомы, содержащие рибонуклеиновые кислоты (РНК), как сборные "машины". Каждый вид коротких молекул транспортных РНК захватывает один определенный вид аминокислот, несет их в рибосому и ставит каждую аминокислоту на свое место согласно информации, содержащейся в молекулах РНК. Тут же к аминокислотам подходят катализаторы-ферменты и осуществляют "сшивку" аминокислот в одну молекулу белка со строгим чередованием. Это настоящий природный завод, строящий молекулу по плану, выработанному организмами в процессе эволюции. Вот эти планы живых организмов и предполагается использовать в новой эволюционной химии.
А начиналось это направление в трудах великого французского биолога Луи Пастера при исследовании процесса брожения, осуществляемого деятельностью молочнокислых бактерий. Из своих наблюдений Пастер сделал вывод об особом уровне материальной организации ферментов, что в конечном итоге привело к созданию такой науки, как ферментология, к успехам эволюционного катализа и молекулярной биологии. Так было установлено, что состав и структура биополимеров имеют единый набор для всех живых организмов и что одни и те же физические и химические законы управляют как абиогенными процессами, так и процессами жизнедеятельности. Кроме того, была доказана уникальная специфичность живого, проявляющаяся не только на высших уровнях организации клетки, но и в поведении фрагментов живых организмов на молекулярном уровне, на котором также действуют закономерности других уровней.
Специфика молекулярного уровня живых и неживых систем - в существенном различии принципов действия ферментов и катализаторов, в различии механизмов образования полимеров и биополимеров. Структура указанных полимеров определяется только генетическим кодом (сегодня точно известным науке), и, наконец, в таком поразительном факте, что многие химические реакции окислительно-восстановительного характера могут происходить в клетке без непосредственного контакта между реагирующими молекулами. Таким образом, в живых организмах могут происходить и происходят такие химические превращения, которые, казалось бы, невозможно было встретить в неживой природе. Но постепенно они стали доступны химикам, когда удалось освоить каталитический опыт природы, живой клетки.
Факт того, что ферментный катализ играл решающую, фундаментальную роль в процессе перехода от химических систем к системам биологическим, т.е. на предбиологической стадии эволюции, в настоящее время подтверждается многими данными. Исключительно важную роль сыграла реакция по самоорганизации химических систем, проведенная выдающимся советским биохимиком Борисом Павловичем Белоусовым, затем тщательно изученная А.М. Жаботинским, вошедшая в арсенал современной эволюционной химии под названием реакции Белоусова - Жаботинского. Эта реакция сопровождается образованием специфических пространственных и временных структур (например, периодическое чередование цвета жидкости) за счет поступления новых и удаления использованных химических реагентов. Вот в этих реакциях самоорганизации как раз решающая роль принадлежит именно каталитическим процессам [1].
Понятие "самоорганизации" (более подробно см. в гл.12) означает упорядоченность существования материальных динамических, качественно изменяющихся систем. Роль каталитических процессов в них усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем. Отрадно, что определяющее значение в исследовании этого плана сыграли работы отечественных ученых И.В. Березина, А.А. Баландина и особенно А.П. Руденко, создавшего в 1964-1969 гг. единую теорию химической эволюции и биогенеза. Эта теория решает в комплексе вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, т.е. о законах химической эволюции, отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, уровне химической организации и иерархии химических систем как следствия эволюции. Сущность теории Руденко состоит в утверждении и обосновании принципа того, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие открытых каталитических систем, и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. В ходе реакций происходит естественный отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью.
Александр Прокопьевич Руденко сформулировал основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и вероятностью образуются те пути эволюционных изменений катализатора, на которых происходит максимальное увеличение его абсолютной активности.
Следует также отметить, что эволюционный процесс предполагает особый дифференцированный отбор лишь тех химических элементов и соединений, которые являются основным строительным материалом для образования биологических систем. В связи с этим достаточно упомянуть, что более чем из ста химических элементов лишь шесть - углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера - общая весовая доля которых в организмах составляет 97,4%, получивших название органо - или биогенов, служат основой для построения живых систем.
Менделеев называл химию "наукой о химических элементах и их соединениях"; другие определяют ее как "науку о веществах и их превращениях" либо как "науку, изучающую процессы качественного превращения веществ" и т.д., наиболее полное определение: "химия - наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения".
Главная задача химии - задача получения веществ с необходимыми свойствами. Эта задача и научная и производственная, что определяет основную, можно сказать, двуединую основную проблему химии:
1. Получение веществ с заданными свойствами как производственная, практическая задача;
2. Выявление способов управления свойствами веществ как задача научно-исследовательская.
Решение этих проблем породило четыре основных этапа (концептуальные системы) в развитии химии с XVII века по настоящее время.
Первая концептуальная система - учение об элементном составе веществ, вторая - о структуре химических соединений, третья - учение о химических процессах и последняя, четвертая концептуальная система, - эволюционная химия.
Последняя, четвертая система, представляет собой единую теорию химической эволюции и биогенеза. Эта теория решает в комплексе вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, т.е. о законах химической эволюции, отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, уровне химической организации, иерархии химических систем как следствие эволюции.
2. Эволюция представлений о зарождении жизни на Земле
Представлений о зарождении жизни на Земле великое множество. Самые основные из них: теория стационарного состояния, теория креационизма, теория самопроизвольного зарождения жизни, теория панспермии, теория случайного однократного происхождения жизни, теория биохимической эволюции. Существуют и современные представления о зарождении жизни на Земле.
Теория стационарного состояния.
Согласно этой концепции Земля никогда не возникала и существует вечно и всегда способна поддержать жизнь. Если и происходили изменения Земли, то очень незначительные.
В качестве главного аргумента сторонники этой концепции выдвигают существующие неопределенности в физических, химических, геологических теориях при определении возраста Земли и Вселенной в целом.
Виды, согласно этой концепции, существовали всегда и для них есть только две возможности: выживать за счет численности либо вымирать.
Сторонники этой концепции ставят под сомнение и результаты палеонтологических исследований об изменении живых организмов во времени. Например, по палеонтологическим данным, кистеперые рыбы вымерли 70 млн. лет назад. Однако представители этого вида были обнаружены в районе Мадагаскара в наше время.
Сравнение палеонтологических данных с современными видами может иметь, по мнению сторонников этой концепции, лишь экологический смысл: перемещение вида, увеличение его численности или вымирание в неблагоприятных условиях.
Существующие разрывы в палеонтологической летописи видов, на которые обратил внимание французский ученый Ж. Кювье (1769 - 1832), и объяснение их возникновения периодически случающимися катастрофами на Земле используются сторонниками этой концепции в качестве аргументов в пользу вечного, не возникающего и не исчезающего феномена жизни.
Теория креационизма.
Она имеет самую древнюю историю, так как практически во всех политеистических религиях возникновение жизни рассматривается как акт божественного творения, свидетельством чего служит наличие в живых организмах особой силы, которая управляет всеми биологическими процессами. Эти взгляды разделяют многие религиозные учения европейской цивилизации. Процесс божественного сотворения мира и живого недоступен для наблюдения, и божественный замысел недоступен человеческому пониманию.
Интересно был решен в креационизме 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 относятся к библейским текстам как к аллегориям и считают, что день творения занимал тысячу лет.
Но во всех случаях все рассуждения базируются лишь на вере в библейские откровения, сомневаться в истинности которых, в отличие от научных истин, нельзя.
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 [3]. Тем самым практически снимается вопрос о научном решении проблемы происхождения жизни, так как все религии требуют принимать это положение на веру, без доказательств.
Тем не менее, эта концепция продолжала и продолжает пользоваться довольно большой популярностью.
Теория самопроизвольного зарождения жизни.
Эта теория также зародилась давно, и долгое время была единственной альтернативой креационизму. Появилась она в результате повседневных наблюдений над тем, как в мусорных кучах, гниющих отбросах постоянно появляются личинки, черви, мухи. Поскольку о существовании микроорганизмов в далекие времена не было ничего известно, то считалось, что все низшие организмы появляются путем самозарождения. Ученые Средневековья допускали, что, например, рыбы могли зародиться из ила, мыши - из грязи, мухи - из мяса. Этих взглядов придерживались многие известные ученые (Аристотель, Парацельс, Коперник, Галилей, Декарт и др.), благодаря авторитету которых эта теория смогла существовать длительный срок.
Однако, начиная с XVII в. стали накапливаться данные против такого понимания происхождения жизни. В 1668 г. итальянский естествоиспытатель и врач Франческо Реди провел серию опытов, которыми доказал, что белые черви в гниющем мясе суть не что иное, как личинки мух. В результате своих опытов он сформулировал знаменитый принцип: "Все живое - от живого". Реди стал основоположником концепции биогенеза, утверждающей, что жизнь возникает только из предшествующей жизни.
Опыты Реди были простыми и убедительными. В несколько сосудов он положил кусочки мяса. Часть этих сосудов он оставил открытыми, а часть прикрыл материей, пропускающей воздух. Вскоре в первых сосудах появились личинки мух, а в прикрытых сосудах их не было. Тем самым он доказал невозможность самозарождения червей из гниющего мяса при отсутствии мух.
Несмотря на убедительность опытов Реди, споры вокруг этой теории продолжались вплоть до середины XIX в., когда французский ученый Лиу Пастер простыми и оригинальными опытами окончательно доказал невозможность самозарождения простых организмов. Опыты Пастера продемонстрировали, что микроорганизмы появляются в органических растворах в силу того, что туда ранее были занесены их зародыши. Если же сосуд с питательной средой стерилизовать (пастеризовать), оградив тем самым от попадания в него микробов, то никакого самозарождения не произойдет. Опыты Пастера подтвердили принцип Реди и показали научную несостоятельность концепции спонтанного самозарождения организмов.
Но, опровергнув эту концепцию, Пастер, к сожалению, не предложил никакой новой идеи. Поэтому в середине XIX в. наука не смогла ответить на вопрос, как возникла жизнь на Земле.
Концепция самозарождения жизни, несмотря на свою ошибочность, сыграла позитивную роль в развитии естествознания, поскольку опыты, призванные ее подтвердить, помогли получить богатый эмпирический материал для развивающейся биологической науки.
Теория панспермии.
Практически одновременно с опытами Пастера немецкий ученый Георг Рихтер предложил гипотезу о занесении живых существ на Землю из космоса, которая позднее была названа концепцией панспермии (от греч. pan - весь, sperma - семя) [6]. Согласно этой гипотезе, зародыши простых организмов могли попасть в земные условия вместе с метеоритами и космической пылью и затем в ходе эволюции породить все многообразие земной жизни.
Иными словами, допускалась возможность возникновения жизни в разное время в разных частях галактики и перенесения ее на Землю те или иным способом. Основную идею этой концепции разделяли крупнейшие ученые конца XIX в. Кельвин, Гельмгольц, В.И. Вернадский и др., что способствовало ее широкому распространению.
В 1908 г. шведский химик Сванте Аррениус выдвинул схожую гипотезу. Он высказал мысль, что зародыши жизни существуют во Вселенной вечно, движутся в космическом пространстве под влиянием световых лучей и, оседая на поверхности планет, в частности Земли, дают там начало жизни.
Довольно большое число сторонников имеет эта концепция и в наши дни. Так, американские астрономы, изучая газовую туманность, отстоящую от Земли на 25 тыс. световых лет, обнаружили в ее спектре следы аминокислот и других органических веществ.
В начале 1980-х годов американские исследователи нашли на Антарктиде осколок породы, выбитой когда-то с поверхности Марса крупным метеоритом. В этом камне были обнаружены окаменевшие останки микроорганизмов, похожих на земные бактерии. Это может свидетельствовать, что в прошлом на Марсе существовала примитивная жизнь, может быть она есть там и сегодня.
Тем не менее, серьезных аргументов в пользу концепции панспермии нет. Но есть серьезные доводы против нее. Дело в том, что, хотя диапазон условий для возможного существования живых организмов достаточно широк, все же читается, что они (эти организмы) 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 єС и подверг ультрафиолетовому облучению. В результате он получил сложные органические соединения. Но опыты Гринберга не изменили мнения большинства ученых. А.Ф. Хойл, например, предположил, что микроорганизмы образуются в космическом пространстве, захватываются кометами и рассеиваются в атмосфере планет, мимо которых они пролетают. Но предопределенность такого возникновения жизни чрезвычайно мала, а одна только возможность - не самое главное условие для зарождения живого в космосе или на Земле.
Основной недостаток теории панспермии заключается в том, что она не позволяет определить причину и механизм возникновения жизни, поскольку не дает ответа на основной вопрос о возникновении живого, а просто утверждает, что живое возникло не на Земле, а в другом месте, перенося тем самым проблему в космос. При всей широте диапазона возможных условий существования живых организмов считается, что вероятность обнаружить жизнь в пределах Солнечной системы очень мала. Доводы в пользу нахождения в метеоритах объектов, напоминающих примитивные формы жизни, пока выглядят малоубедительными.
Теория случайного однократного происхождения жизни.
Суть ее заключается в гипотезе о случайном характере возникновения на Земле первичной живой молекулы, которая появилась лишь раз за все время существования нашей планеты. В силу этого обстоятельства экспериментальную проверку данной гипотезы провести невозможно.
Эта гипотеза получила широкое распространение среди генетиков в связи с открытием роли ДНК в явлениях наследственности. Г. Меллер развивал мысль, что чисто случайно на Земле возникла единичная "живая генная молекула", обладающая внутримолекулярным жизнеопределяющим строением, которое она пронесла неизменным через все развитие земной жизни.
Долгое время моделью такой "живой молекулы" считали частицу нуклеопротеида вируса табачной мозаики. Но сейчас стало очевидным, что вирусы нельзя рассматривать как промежуточный этап на пути возникновения жизни. Дело в том, что вирусы являются организмами, паразитирующими на других живых организмах, внутри которых они только и могут жить. Поэтому вначале должна была возникнуть жизнь, а потом вирусы.
Тем не менее, идея случайного возникновения ДНК до сих пор широко распространена в научной литературе, хотя вероятность такого события очень мала. И при всей своей внешней наукообразности эта концепция по степени доказательности мало отличается от концепции креационизма. Теория биохимической эволюции.
До середины XX в. многие ученые полагали, что органические соединения могут возникать только в живом организме. Именно поэтому их назвали органическими соединениями в противоположность веществам неживой природы - минералам, которые получили название неорганических соединений. Считалось, что органические вещества возникают только биогенно, а природа неорганических веществ совершенно иная, поэтому возникновение даже простейших организмов из неорганических веществ совершенно 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 концепцию биохимической эволюции, согласно которой жизнь на Земле возникла в результате физических и химических процессов. В основу этой гипотезы были положены данные о сходстве веществ, входящих в состав растений и животных, о возможности в лабораторных условиях синтезировать органические вещества, составляющие белок.
Академик А.И. Опарин опубликовал в 1924 г. свой труд "Происхождение жизни", где была изложена принципиально новая гипотеза происхождения жизни. 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, и тем самым химическая эволюция постепенно поднялась на качественно новый уровень и перешла в биохимическую эволюцию.
Рассматривая проблему возникновения жизни путем биохимической эволюции, Опарин выделяет три этапа перехода от неживой материи к живой:
ь синтез исходных органических соединений из неорганических веществ в условиях первичной атмосферы первобытной Земли;
ь формирование в первичных водоемах Земли из накопившихся органических соединений биополимеров, липидов, углеводородов;
ь самоорганизация сложных органических соединений, возникновение на их основе и эволюционное совершенствование процесса обмена веществ и воспроизводства органических структур, завершающееся образованием простейшей клетки [7].
Несмотря на всю экспериментальную обоснованность и теоретическую убедительность, концепция Опарина имеет как сильные, так и слабые стороны.
Сильной стороной концепции является достаточно точное соответствие ее химической эволюции, согласно которой зарождение жизни есть закономерный результат добиологической эволюции материи. Убедительным аргументом в пользу этой концепции выступает также возможность экспериментальной проверки ее основных положений. Это касается лабораторного воспроизведения не только предполагаемых физико-химических условий первичной Земли, но и коацерватов, имитирующих доклеточного предка и его функциональное особенности.
Слабая сторона концепции - это невозможность объяснить сам момент скачка от сложных органических соединений к живым организмам - ведь ни в одном из поставленных экспериментов получить жизнь так и не удалось. Кроме того, Опарин допускает возможность самовоспроизведения коацерватов при отсутствии молекулярных систем с функциями генетического кода. Иными словами, без реконструкции эволюции механизма наследственности объяснить процесс скачка от неживого к живому невозможно. Поэтому сегодня считается, что решить эту сложнейшую проблему биологии без привлечения концепции открытых каталитических систем, молекулярной биологии, а также кибернетики не получится.
3. Биохимическая эволюция теории академика Опарина
Первую научную теорию относительно происхождения живых организмов на Земле создал советский биохимик А.И. Опарин (1894-1980). В 1924 г. он опубликовал работы, в которых изложил представления о том, как могла возникнуть жизнь на Земле. Согласно этой теории, жизнь возникла в специфических условиях древней Земли и рассматривается Опариным как закономерный результат химической эволюции соединений углерода во Вселенной.
По Опарину, процесс, приведший к возникновению жизни на Земле, может быть разделен на три этапа:
· возникновение органических веществ;
· образование из более простых органических веществ биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липидов и др.);
· возникновение примитивных самовоспроизводящихся организмов.
Астрономические исследования показывают, что как звезды, так и планетные системы возникли из газопылевого вещества. Химические исследования находящегося в галактике газопылевого вещества показали, что в нем наряду с металлами и их окислами обнаружено: водород, аммиак, вода и простейший углеводород - метан.
Второй этап - возникновение белков. Условия для начала процесса формирования белковых структур создались с момента создания первичного океана. Прежде всего, в водной среде производные углеводородов могли подвергаться сложным химическим изменениям и превращениям. В результате такого усложнения молекул могли образоваться более сложные органические вещества, а именно углеводы.
Согласно теории Опарина, дальнейшим шагом по пути к возникновению белковых тел могло явиться образование коацерватных капель, т.е. капель микроскопического размера, выпадающих при смешении двух белковых растворов. Отсюда возникла новая закономерность уже биологического характера - естественный отбор коацерватных капель. Под влиянием естественного отбора качество организации белкового вещества все время менялось. В результате возникла та согласованность процессов синтеза и распада, которая привела к возникновению первых живых организмов. Очевидно, они были гетеротрофами, получающие энергию путём бескислородного расщепления органических соединений. Возникновение атмосферы современного химического состава связано с развитием жизни. Появление организмов, способных к фотосинтезу привело к выделению в атмосферу кислорода.
Теория биохимической эволюции имеет наибольшее количество сторонников среди современных учёных. Земля возникла около пяти миллиардов лет назад; первоначально температура её поверхности была очень высокой (до нескольких тысяч градусов). По мере её остывания образовались твёрдая поверхность (земная кора - литосфера) [4].
Атмосфера, первоначально состоявшая из лёгких газов (водород, гелий), не могла эффективно удерживаться недостаточно плотной Землёй, и эти газы заменялись более тяжёлыми: водяным паром, углекислым газом, аммиаком и метаном. Когда температура Земли опустилась ниже 100єС, водяной пар начал конденсироваться, образуя мировой океан. В это время, в соответствии с представлениями А.И. Опарина, состоялся абиогенный синтез, то есть в первичных земных океанах, насыщенных разными простыми химическими соединениями, "в первичном бульоне" под влиянием вулканического тепла, разрядов молний, интенсивной ультрафиолетовой радиации и других факторов среды начался синтез более сложных органических соединений, а затем и биополимеров. Образованию органических веществ способствовало отсутствие живых организмов - потребителей органики - и главного окислителя - кислорода. Сложные молекулы аминокислот случайно объединялись в пептиды, которые, в свою очередь, создали первоначальные белки. Из этих белков синтезировались первичные живые существа микроскопических размеров.
Наиболее сложной проблемой в современной теории эволюции является превращение сложных органических веществ в простые живые организмы. Опарин полагал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежит белкам. По-видимому, белковые молекулы, притягивая молекулы воды, образовывали коллоидные гидрофильные комплексы. Дальнейшее слияние таких комплексов друг с другом приводило к отделению коллоидов от водной среды (коацервация). На границе между коацерватом (от лат. coacervus - сгусток, куча) и средой выстраивались молекулы липидов - примитивная клеточная мембрана. Предполагается, что коллоиды могли обмениваться молекулами с окружающей средой (прообраз гетеротрофного питания) и накапливать определённые вещества. Ещё один тип молекул обеспечивал способность к самовоспроизведению. Система взглядов А.И. Опарина получила название "коацерватная гипотеза".
Гипотеза Опарина была лишь первым шагом в развитии биохимических представлений о возникновении жизни. Следующим шагом стали эксперименты Л.С. Миллера, который в 1953 году показал, как из неорганических составляющих первичной земной атмосферы под воздействием электрических разрядов и ультрафиолетового излучения могут образовываться аминокислоты и другие органические молекулы.
Академик РАН В.Н. Пармон и ряд других ученых предлагают различные модели, позволяющие объяснить, как в среде насыщенной органическими молекулами могут протекать автокаталитические процессы, реплицирующие некоторые из этих молекул. Одни молекулы реплицируются успешнее, другие - хуже. Так запускается процесс химической эволюции, которая предшествует эволюции биологической.
На сегодняшний день среди биологов преобладает гипотеза РНК-мира, утверждающей, что между химической эволюцией, в которой размножались и конкурировали отдельные молекулы и полноценной жизнью, основанной на модели ДНК-РНК-белок, был промежуточный этап, на котором размножались и конкурировали между собой отдельные молекулы РНК. Уже есть исследования, показывающие, что некоторые молекулы РНК обладают автокаталитическими свойствами и могут обеспечивать самовоспроизведение без участия сложных белковых молекул.
Современная наука еще далека от исчерпывающего объяснения, как конкретно неорганическое вещество достигло высокого уровня организации, характерного для процессов жизнедеятельности. Тем не менее, ясно, что это был много ступенчатый процесс, в ходе которого уровень организации вещества шаг за шагом повышался. Восстановить конкретные механизмы этого ступенчатого усложнения - задача будущих научных исследований. Эти исследования идут по два основным направлениям:
· сверху вниз: анализ биообъектов и изучение возможных механизмов образования их отдельных элементов,
· снизу вверх: усложнение "химии" - изучение всё более сложных химических соединений.
Пока добиться полноценного соединения этих двух подходов не удалось. Тем не менее, биоинженеры уже сумели "по чертежам", то есть, по известному генетическому коду и структуре белковой оболочки собрать из биологических молекул простейший живой организм - вирус. Тем самым доказано, что для создания живого организма из неживой материи не требуется сверхъестественного воздействия. Так что необходимо лишь ответить на вопрос, как этот процесс мог пройти без участия человека, в естественной среде.
зарождение жизнь земля эволюция
Широкого распространено "статистическое" возражение против абиогенного механизма возникновения жизни. Например, в 1966 г. немецкий биохимик Шрамм подсчитал, что вероятность случайного сочетания 6000 нуклеотидов в РНК-вирусе табачной мозаики: 1 шанс из 102000. Это чрезвычайно низкая вероятность, которая указывает на полную невозможность случайного образования подобной РНК [2]. Однако в действительности это возражение построено некорректно. Оно исходит из предположения, что вирусная молекула РНК должна образоваться "с нуля" из разрозненных аминокислот. В случае ступенчатого усложнения химических и биохимических систем вероятность рассчитывается совершенно иначе. Кроме того, нет никакой необходимости получить именно такой вирус, а не какой-то другой. С учетом этих возражений получается, что оценки вероятность возникновения вирусной РНК занижены до полной неадекватности и не могут рассматриваться как убедительное возражение против абиогенной теории возникновения жизни.
Заключение
Теорий возникновения жизни на Земле существует огромное множество, среди них и гипотеза о зарождении жизни из кубика льда, и теория внеземного происхождения жизни, и даже возникновение жизни в местах вулканической активности.
Одни из них имеют научные подтверждения, иные пока еще не изучены досконально. Так или иначе, но из всех существующих теорий большая часть ученого света поддерживают теорию Чарльза Дарвина, который предположил, что жизнь на Земле зародилась в водоеме.
Скачок от неорганического мира природы к органическому и затем к живому веществу очевиден, но объяснить эти переходы на основе физических, химических и биологических теорий пока не удается.
Проблема происхождения жизни остается камнем преткновения и в современном естествознании, поскольку нет достаточного доказательства ни для одной из выдвинутых гипотез.
Таким образом, на протяжении веков менялись взгляды на проблему происхождения жизни, но наука еще далека от ее решения. Как и сто, и двести лет назад, сегодня продолжаются споры на эту тему, причем веских аргументов в пользу какой-то точки зрения нет и в наши дни. Поэтому выбор позиции определяется внутренними убеждениями каждого участника спора.
Тем не менее, все большее число ученых склоняется к тому, чтобы рассматривать жизнь как особую форму движения материи, закономерно возникшую на определенном этапе ее развития.
Разумеется, возникновение жизни содержало элемент случайности, но оно было не абсолютно случайным, а в основе своей закономерности, необходимым.
Скорее всего, появление жизни произошло в ходе процесса самоорганизации материи, когда химическая эволюция после одной из точек бифуркации привела к появлению живого организма и началу биологической эволюции.
Как видим, эволюция жизни на Земле весьма длительный и довольно сложный процесс. Но именно этому процессу мы обязаны своей жизнью и существованием.
Список используемых источников
1. Возникновение жизни на Земле, как выглядела первобытная Земля, эволюция жизни на Земле: от простого к сложному [Электронный ресурс]: Режим доступа: интернет - evolution. powernet.ru.
2. Комаров В.Е., Рязанова Г.Е. Пространство и время химического движения (вопросы методологии).М., 2005. - 135 с.
3. Кузнецов В.И. Тенденции развития химии.М., 2004. - 213 с.
4. Основные теории возникновения жизни на Земле [Электронный ресурс]: Режим доступа: интернет - ateismy.net.
5. В.Н. Пармон В.Н. Новое в теории появления жизни, "Химия и жизнь" №5, 2005. Земле [Электронный ресурс]: Режим доступа: интернет - elementy.ru.
6. Происхождение жизни [Электронный ресурс]: Режим доступа: интернет - intrae. narod.ru.
7. Руденко А.П. Роль химии в решении проблемы химической эволюции и биогенеза // Химия и мировоззрение.М., 2006. - 167 с.
8. Снытников В.Н. Астрокатализ как стартовый этап геобиологических процессов. Жизнь создает планеты? // В кн.: Эволюция биосферы и биоразнообразия. К 70-летию А.Ю. Розанова. М.: КМК, 2006. - 49-59 с. [Электронный ресурс]: Режим доступа: интернет - evolbiol.ru.
9. Энгельс Ф. Диалектика природы // Маркс К., Энгельс Ф. Соч.2-е изд.Т. 20. - 564 с.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Содержание креационизма - философско-методологической концепции возникновения жизни. Основные идеи гипотез стационарного состояния, самопроизвольного зарождения и панспермии. Этапы появление живых организмов по концепции биохимической эволюции Опарина.
реферат [26,0 K], добавлен 19.11.2010Сравнение основных определений понятия "жизнь". Анализ проблемы происхождения и эволюции жизни на Земле. Общая характеристика современных теорий возникновения жизни, а также процесса эволюции ее форм. Сущность основных законов биологической эволюции.
курсовая работа [302,9 K], добавлен 04.10.2010Содержание и отличительные признаки теорий возникновения и развития жизни на Земле: самозарождения, биохимической эволюции, панспермии, стационарного состояния жизни, креационизма. Преимущества и недостатки каждой теории, история их становления.
презентация [224,2 K], добавлен 17.12.2013История представлений о возникновении жизни на Земле. Гипотезы возникновения жизни на Земле. Образование первичных органических соединений. Что считать жизнью? Эволюция жизни на Земле. Появление высокоорганизованных форм жизни.
реферат [1,1 M], добавлен 17.05.2003Характеристика общих представлений об эволюции и основных свойствах живого, которые важны для понимания закономерностей эволюции органического мира на Земле. Обобщение гипотез и теорий происхождения жизни и этапы эволюции биологических форм и видов.
курсовая работа [38,6 K], добавлен 27.01.2010Первая теория о жизни на земле, которую создал советский биохимик А.И. Опарин, ее содержание. Этапы развития жизни на Земле по гипотезе Опарина—Холдейна. Искусственный синтез биологических мономеров. Мировоззренческое значение эволюционного учения.
презентация [864,2 K], добавлен 13.03.2017Гипотеза Опарина о постепенном возникновении жизни на Земле из неорганических веществ путем длительной абиогенной (небиологической) молекулярной эволюции. Роль появления коацерватов и химической эволюции в развитии клетки и ходе биологической эволюции.
статья [12,4 K], добавлен 18.05.2009Вопрос о возникновении жизни на Земле - борьба религии и науки, идеализма и материализма. Проблема отличия живого от неживого. Современное двуединое понятие первобытного бульона и самозарождения жизни - теория Опарина-Холдейна о происхождении жизни.
реферат [32,0 K], добавлен 09.05.2009Проблема происхождения жизни. Гипотеза А.И. Опарина о коацерватной стадии в процессе возникновения жизни. Этапы химической и предбиологической эволюции на пути к жизни. Гипотеза о роли малых молекул в первичном зарождении белково-нуклеиновых систем.
реферат [26,0 K], добавлен 02.01.2008Докембрийский этап развития Земли. Условия, необходимые для возникновения и начала развития жизни на Земле. Возникновение жизни согласно гипотезе академика А.И. Опарина. Первые формы жизни на планете. Основные теории появления и развития эукариот.
реферат [231,5 K], добавлен 25.07.2010
