Биохимия возникновения жизни на Земле

Размещено на http://www.allbest.ru/

Биохимия возникновения жизни на Земле

Содержание

Введение

Глава 1. Теории возникновения жизни на Земле. Ученые, которые рассматривали вопросы возможности и вероятности возникновения жизни

1.1 Теория креационизма

1.2 Концепция спонтанного зарождения жизни

1.3 Теория стационарного зарождения жизни

1.4 Теория панспермии

1.5 Биохимическая эволюция

Глава 2. Стадии образования органических молекул

Глава 3. Возникновение живых организмов, образование атмосферы

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Одним из наиболее трудных и в тоже время интересных в современном естествознании является вопрос о происхождении жизни. Учёные сегодня не в состоянии воспроизвести процесс возникновения жизни с такой же точностью, как это было несколько миллиардов лет назад. Даже наиболее тщательно поставленный опыт будет лишь модельным экспериментом, лишённым ряда факторов, сопровождавших появление живого на Земле.

Жизнь на Земле представлена громадным разнообразием форм, которым присуща возрастающая сложность строения и функций. Всем живым организмам свойственны два признака: целостность и самовоспроизведение. В ходе индивидуального изменения (онтогенеза) организмы приспосабливаются к внешним условиям, а смена поколений приобретает эволюционно-исторический характер (филогенез). Организмы выработали способность к относительной независимости от внешней среды (автономность). Одно из главных свойств всякого живого организма -- обмен веществ. Наряду с ним существенными признаками жизни являются раздражимость, рост, размножение, изменчивость, наследственность. Всякий живой организм как бы стремится к главному--воспроизведению себе подобных.

Каждый человек хоть раз задавался вопросом о происхождении жизни на нашей планете. О периоде зарождения жизни мы практически ничего не можем сказать наверняка, и хотя учёные приводят множество доказательств в подтверждение правильности именно своего мнения, все эти теории возникли из простой догадки, поэтому этих теорий так много, сколько людей столько и мнений.

Эта тема, на мой взгляд, должна заинтересовать любого человека. А послушать мнения разных ученых и их теории будет интересно, я думаю, всем. Поэтому я и выбрала эту тему.

Целью данной работы является изучение биохимии возникновения жизни на Земле.

Для достижения поставленной цели в работе рассмотрим следующие задачи:

1. выявить основные теории возникновения жизни на Земле;

2. рассмотреть стадии образования органических молекул;

3. рассмотреть возникновение живых организмов.

жизнь биохимический эволюция органический

Глава 1. Теории возникновения жизни на Земле. Ученые, которые рассматривали вопросы возможности и вероятности возникновения жизни

Теории, касающиеся возникновения Земли и жизни на ней, да и всей Вселенной, разнообразны и далеко не достоверны. Согласно теории стационарного состояния, Вселенная существовала вечно. Согласно другим гипотезам, Вселенная могла возникнуть из сгустка нейтронов в результате «Большого взрыва», родилась в одной из черных дыр или же была создана Творцом. Вопреки бытующим представлениям, наука не может опровергнуть тезис о божественном сотворении Вселенной, так же как теологические взгляды не обязательно отвергают возможность того, что жизнь в процессе своего развития приобрела черты, объяснимые на основе законов природы.

Среди множества теорий возникновения жизни на Земле рассмотрим основные:

· жизнь была создана сверхъестественным существом в определенное время (креационизм);

· жизнь возникала неоднократно из неживого вещества (самопроизвольное зарождение);

· жизнь существовала всегда (теория стационарного состояния);

· жизнь занесена на нашу планету извне (панспермия);

· жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам (биохимическая эволюция).

Рассмотрим эти теории подробнее.

1.1 Теория креационизма

Согласно этой теории, жизнь возникла в результате какого-то сверхъестественного события в прошлом; ее придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религиозных учений. В 1650 г. архиепископ Ашер из г. Арма (Ирландия) вычислил, что бог сотворил мир в октябре 4004 г. до н. э. И закончил свой труд 23 октября в 9 утра, создав человека. Ашер получил эту дату, сложив возрасты всех людей, упоминающихся в библейской генеалогии - от Адама до Христа («кто кого родил»). С точки зрения арифметики это разумно, однако при этом получается, что Адам жил в то время, когда, как показывают археологические находки, на Ближнем Востоке существовала хорошо развитая городская цивилизация.

Некоторые считают, что мир, и все населяющие его организмы были созданы за шесть дней продолжительностью по 24 часа. Они отвергают любые другие точки зрения и целиком полагаются на вдохновение, созерцание и божественное откровение. Другие христиане не относятся к Библии как к научной книге и считают, что в Книге Бытия изложено в понятной для всех людей форме теологическое откровение о сотворении всех живых существ всемогущим творцом. Для них описание сотворения живых существ скорее относится к ответу на вопрос «почему?», а не «каким образом?». Если наука в поисках истины широко использует наблюдение и эксперимент, то богословие постигает истину через божественное откровение и веру. Вера признает вещи, которым нет доказательств в научном смысле слова, т.е. логически не может быть противоречия между научным и богословским объяснением сотворения мира, так как эти две сферы мышления взаимоисключают одна другую.

Процесс божественного сотворения мира считается произошедшим однократно и поэтому недоступен для наблюдения; этого достаточно, чтобы вынести всю концепцию божественного сотворения за рамки научного обсуждения. Наука занимается только теми явлениями, которые поддаются наблюдению, и поэтому она никогда не сможет ни опровергнуть, ни доказать эту концепцию.

1.2 Концепция спонтанного зарождения жизни

Эта теория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне и Египте в качестве альтернативы креационизму, с которым она сосуществовала.

Аристотель (384 - 322 гг. до н. э.), которого часто провозглашают основателем биологии, придерживался теории спонтанного зарождения жизни. На основе собственных наблюдений, он развивал эту теорию дальше, связывая все организмы в непрерывный ряд - «лестницу природы». «Ибо природа совершает переход от безжизненных объектов к животным с такой плавной последовательностью, поместив между ними существа, которые живут, не будучи при этом животными, что между соседними группами, благодаря их тесной близости, едва можно заметить различия» (Аристотель).

Этим утверждением Аристотель укрепил более ранние высказывания Эмпедокла об органической эволюции. Согласно гипотезе Аристотеля о спонтанном зарождении, определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм. Аристотель был прав, считая, что это активное начало содержится в оплодотворенном яйце, но ошибочно полагал, что оно присутствует также в солнечном свете, тине и гниющем мясе.

С распространением христианства теория спонтанного зарождения жизни оказалась не в чести: ее признали лишь те, кто верил в колдовство и поклонялся нечистой силе, но эта идея все продолжала существовать где-то на заднем плане в течение еще многих веков. Ван Гельмот (1577 - 1644 гг), весьма знаменитый и удачливый ученый, описал эксперимент, в котором он за три недели якобы создал мышей. Для этого нужны были грязная рубашка, темный шкаф и горсть пшеницы. Активным началом в процессе зарождения мыши Ван Гельмот считал человеческий пот. В 1688 году итальянский биолог и врач Франческо Реди, живший во Флоренции, подошел к проблеме возникновения жизни более строго и подверг сомнению теорию спонтанного зарождения. Реди установил, что маленькие белые червячки, появляющиеся на гниющем мясе, - это личинки мух. Проведя ряд экспериментов, он получил данные, подтверждающие мысль о том, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (концепция биогенеза).

В 1860 году проблемой происхождения жизни занялся Луи Пастер. К этому времени он уже многое сделал в области микробиологии и сумел разрешить проблемы, угрожавшие шелководству и виноделию. Он показал также, что бактерии вездесущи и что неживые материалы легко могут быть заражены живыми существами, если их не стерилизовать должным образом.

В результате ряда экспериментов, Пастер доказал справедливость теории биогенеза и окончательно опроверг теорию спонтанного зарождения.

Однако, подтверждение теории биогенеза породило другую проблему. Коль скоро для возникновения живого организма необходим другой живой организм, то откуда же взялся самый первый живой организм?

1.3 Теория стационарного состояния

Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно, она всегда способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень мало. Виды также существовали всегда.

Оценки возраста земли сильно варьировали - от примерно 6000 лет по расчетам архиепископа Ашера до 5000 * 10⁶ лет по современным оценкам, основанным на учете скоростей радиоактивного распада. Более совершенные методы датирования дают все более высокие оценки возраста Земли, что позволяет сторонникам теории стационарного состояния считать, что Земля существовала вечно. Согласно этой теории, виды также никогда не возникали, они существовали всегда и у каждого вида есть лишь две альтернативы - либо изменение численности, либо вымирание.

Сторонники этой теории не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводят в качестве примера представителя кистеперых рыб - латимерию. Сторонники теории стационарного состояния утверждают, что, только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми остатками, можно делать вывод о вымирании, да и в этом случае весьма вероятно, что он окажется неверным. Используя палеонтологические данные для подтверждения теории стационарного состояния, ее немногочисленные сторонники интерпретируют появление ископаемых остатков в экологическом аспекте (увеличение численности, миграции в места благоприятные для сохранения остатков и т. п.). Большая часть доводов в пользу этой теории связана с такими неясными аспектами эволюции, как значение разрывов в палеонтологической летописи, и она наиболее подробно разработана именно в этом направлении.

1.4 Теория панспермии

Теория панспермии (гипотеза о возможности переноса Жизни во Вселенной с одного космического тела на другие) не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни и переносит проблему 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 зародышей во Вселенной.

В 1865 г. немецкий врач Г. Рихтер выдвинул гипотезу космозоев(космических зачатков), в соответствии с которой жизнь является вечной и зачатки, населяющие мировое пространство, могут переноситься с одной планеты на другую. Эта гипотеза была поддержана многими выдающимися учеными. Подобным образом мыслили Кельвин, Гельмгольц и др. В начале нашего века с идеей радио панспермии выступил Аррениус. 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 новую жизнь на этой планете.

Для обоснования панспермии обычно используют наскальные рисунки с изображением предметов, похожих на ракеты или космонавтов, или появления НЛО.

Ярым сторонником этой теории был немецкий учёный Г. Рихтер (1865 г). Согласно Рихтеру, жизнь на Земле не возникала из неорганических веществ, а была занесена с других планет. В связи с этим, естественно возникал вопрос о том, насколько возможно такое перенесение жизни с одной планеты на другую через огромные пространства, их разделяющие.

Вопрос сводился к двум основным пунктам: при помощи, каких сил может происходить перенос зародышей жизни с одной планеты на другую и могут ли эти зародыши сохранить жизнеспособность во время путешествия по космическому пространству.

Итак, мы увидели, что теория панспермии не может служить для решения вопроса о происхождении жизни, она лишь пытается объяснить появление жизни на Земле, но не её первое возникновение. В этом смысле она только отодвигает проблему, не разрешая её.

1.5 Биохимическая эволюция

Александр Иванович Опарин - создатель всемирно признанной теории происхождения жизни, положения которой блестяще выдержали более чем полувековую проверку временем; один из крупнейших советских биохимиков, заложивший фундамент исследований в области эволюционной и сравнительной биохимии.

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.

1. Первобытная Земля имела разреженную (т. е. лишенную кислорода) атмосферу. Когда на эту атмосферу стали воздействовать различные естественные источники энергии - например, грозы и извержения вулканов - то при этом начали самопроизвольно формироваться основные химические соединения, необходимые для органической жизни.

2. С течением времени молекулы органических веществ накапливались в океанах, пока не достигли консистенции горячего разбавленного бульона. Однако в некоторых районах концентрация молекул, необходимых для зарождения жизни, была особо высокой, и там образовались нуклеиновые кислоты и протеины.

По однотипным правилам синтезировались в «первичном бульоне» гидросферы Земли полимеры всех типов: аминокислоты, полисахариды, жирные кислоты, нуклеиновые кислоты, смолы, эфирные масла и др. Это предположение было проверено экспериментально в 1953 году на установке Стэнли Миллера.

Первичные клетки предположительно возникли при помощи молекул жиров (липидов). Молекулы воды, смачивая только гидрофильные концы молекул жиров, ставили их как бы «на голову», гидрофобными концами вверх. Таким способом создавался комплекс упорядоченных молекул жиров, которые за счет прибавления к ним новых молекул постепенно отграничивали от всей окружающей среды некоторое пространство, которое и стало первичной клеткой, или коацерватом -- пространственно обособившейся целостной системой. Коацерваты оказались способными поглощать из внешней среды различные органические вещества, что обеспечивало возможность первичного обмена веществ со средой.

3. Первые клетки были гетеротрофами, они не могли воспроизводить свои компоненты самостоятельно и получали их из бульона. Но со временем многие соединения стали исчезать из бульона, и клетки были вынуждены воспроизводить их самостоятельно. Так клетки развивали собственный обмен веществ для самостоятельного воспроизводства.

Естественный отбор сохранял те системы, в которых были более совершенными функция обмена веществ и приспособленность организма в целом к существованию в данных условиях внешней среды. Постепенное усложнение протобионтов осуществлялось отбором таких коацерватных капель, которые обладали преимуществом в лучшем использовании вещества и энергии среды. Отбор как основная причина совершенствования коацерватов до первичных живых существ -- центральное положение в гипотезе Опарина.

4. Некоторые из этих молекул оказались способны к самовоспроизводству. Взаимодействие между возникшими нуклеиновыми кислотами и протеинами, в конце концов, привело к возникновению генетического кода.

В ходе естественного отбора выжили системы, имевшие особое строение белковых полимеров, что обусловило появление третьего качества живого - наследственности (специфичной формы передачи информации).

Концепция А.И. Опарина в научном мире весьма популярна. Сильной ее стороной является точное соответствие теории химической эволюции, согласно которой зарождение жизни - закономерный результат. Аргументом в пользу этой концепции служит возможность экспериментальной проверки ее основных положений в лабораторных условиях.

Все было хорошо продумано и научно обосновано в теории, кроме одной проблемы, на которую долго закрывали глаза почти все специалисты в области происхождения жизни. Если спонтанно, путем случайных безматричных синтезов в коацервате возникали единичные удачные конструкции белковых молекул (например, эффективные катализаторы, обеспечивающие преимущество данному коацервату в росте и размножении), то, как они могли копироваться для распространения внутри коацервата, а тем более для передачи коацерватам-потомкам? А.И. Опарин, выдвинув ряд тезисов в 30-х годах, пытался доказать случайность и спонтанность возникновения живой клетки, но его труды не увенчаются успехом и он будет вынужден признаться: "К сожалению, происхождение клетки является самым туманным вопросом, охватывающим теорию эволюции в целом".

Глава 2. Стадии образования органических молекул

Материальной основой жизни являются органические соединения, и один из ключевых вопросов возникновения жизни сводится к возможности образования из простых неорганических соединений все более сложных органических вплоть до полимерных гигантских молекул.

В настоящее время радиоспектроскопическими методами надежно доказано наличие в космическом пространстве (в газопылевых облаках, кометах и метеоритах) достаточно сложных органических соединений (формальдегид - CH₂O, муравьиная кислота - HCOOH, формамид-HCONH₂). Поэтому можно считать, что уже в процессе формирования Земли она могла содержать в своем составе и органические соединения. Некоторые ученые отводят таким соединениям космического происхождения решающую роль в происхождении жизни. Однако условия, существовавшие на ранних этапах эволюции Земли (высокая плотность разрушающего молекулы излучения, повышенные температуры), должны были приводить к распаду органических молекул, а не способствовать вовлечению их в реакции образования более сложных органических структур. Поэтому большинство современных теорий включает в качестве необходимого первого этапа протекающие в атмосфере Земли или на ее поверхности процессы образования органических соединений из неорганических компонентов атмосферы. Этот химический (абиогенный) этап возникновения сложных органических соединений предшествовал биологическому, начавшемуся после возникновения клеток.

Химический этап принято разделять на два. Сначала из компонентов первичной атмосферы в результате физико-химических процессов накапливались простые органические молекулы (формальдегид-СH₂O, формамид-HCONH₂). Когда на Земле появилось достаточно большое количество таких молекул и образовались локальные области с их повышенной концентрацией (в водоемах, на поверхности твердых частиц, льда), возникли условия, в которых за счет химических реакций стало возможным образование более сложных химических структур, в том числе полимерных: полисахаридов, полипептидов, липидов, порфиринов.

На первых этапах своего формирования Земля имела очень высокую температуру.

По мере остывания планеты тяжелые элементы перемещались к ее центру, а более легкие соединения (Н₂, СО₂, СН₄, и др.) оставались на поверхности. Металлы и другие, способные к окислению элементы соединялись с кислородом, и в атмосфере Земли свободного кислорода не было. Атмосфера состояла из свободного водорода и его соединений (Н₂О, СН₄, NH₃, HCN) и поэтому носила восстановительный характер. По мнению академика А. И. Опарина, это служило важной предпосылкой возникновения органических молекул небиологическим путём.

Несмотря на то что ещё в первой трети 19 века немецкий учёный Ф. Велер доказал возможность синтеза органических соединений в лабораторных условиях, многие учёные считали, что эти соединения могут возникать только в живом организме. В связи с этим их называли органическими соединениями в противоположность веществам неодушевлённой природы, названным неорганическими соединениями. Однако простейшие углеродсодержащие соединения - углеводороды, как, оказалось, могут образовываться даже в космическом пространстве.

Астрономы обнаружили метан (CH₄) в составе атмосферы Юпитера, Сатурна и во многих туманностях Вселенной. Углеводороды могли входить и в состав атмосферы Земли.

Вместе с другими компонентами газовой оболочки нашей планеты - водородом (H₂),парами воды, аммиаком (NH₃), синильной кислотой (HCN) и другими веществами - они подвергались воздействию различных источников энергии: жесткому, близкому к рентгеновскому, ультрафиолетовому излучению Солнца, высокой температуре в области грозовых разрядов и в районах активной вулканической деятельности. В результате этого, простейшие компоненты атмосферы вступали во взаимодействие, многократно изменяясь и усложняясь. Возникали молекулы сахаров, аминокислот, азотистые основания, органические кислоты и другие органические соединения.

В 1953 году американский учёный С. Миллер экспериментально доказал возможность таких превращений. Пропуская электрический разряд через смесь Н₂, Н₂О, СН₄ и NH₃ он получил набор из нескольких аминокислот и органических кислот.

В дальнейшем подобные эксперименты проводились во многих странах, при этом использовались различные источники энергии, всё более точно воссоздавались условия первобытной Земли. Было установлено, что абиогенным путём в отсутствии кислорода могут быть синтезированы очень многие простые органические соединения, входящие в состав биологических полимеров - белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов.

Возможность абиогенного синтеза органических соединений доказывается и тем, что они обнаружены в космическом пространстве. Речь идёт о цианистом водороде(HCN), формальдегиде (CH₂O), муравьиной кислоте (HCOOH), этиловом спирте (C₂H₅OH) и других веществах.

В некоторых метеоритах обнаружены жирные кислоты, сахароза, аминокислоты. Всё это свидетельствует о том, что достаточно сложные органические соединения могли возникать чисто химическим путем в условиях, существовавших на Земле примерно 4-4,5 млрд. лет назад.

Теперь вновь возвратимся к рассмотрению процессов, протекавших на Земле в те времена, когда колбой Миллера был весь Земной шар. Земля находилась во власти могучих стихий. Извергались вулканы, вздымая в небо огненные столбы. С гор и вулканов текли потоки раскаленной лавы, огромные клубы пара окутывали Землю, сверкали молнии, гремели раскаты грома. По мере остывания планеты водяные пары, находившиеся в атмосфере, также остывали, конденсировались и обрушивались ливнями. Образовывались огромные водные пространства. Поскольку Земля была еще достаточно горячей, вода испарялась, а затем, охлаждаясь в верхних слоях атмосферы, вновь выпадала на поверхность планеты в виде дождей.

Это продолжалось в течение многих миллионов лет. В водах первичного океана были растворены компоненты атмосферы, различные соли. В водной среде они конденсировались, в результате чего появились первичные полимеры - полипептиды и полинуклеотиды. Надо заметить, что для образования более сложных органических веществ требуются значительно менее жесткие условия, чем для возникновения простых молекул. Например, синтез аминокислот из смеси газов, входивших в состав атмосферы древней Земли, происходит при t=1000?C,а конденсация их в полипептид - всего лишь при t=160?С.

Следовательно, образования разнообразных органических соединений из неорганических веществ в тех условиях было закономерным процессом химической эволюции.

Таким образом, условиями для абиогенного возникновения органических соединений были восстановительный характер атмосферы Земли (соединения, обладающие восстановительными свойствами, легко вступают во взаимодействия между собой и с веществами-окислителями), высокая температура, грозовые разряды и мощное ультрафиолетовое излучение Солнца, которое в то время еще не задерживалось озоновым экраном.

Итак, первичный океан, по-видимому, содержал в растворенном виде различные органические и неорганические молекулы, попадающие в него из атмосферы и вымываемые из поверхностных слоев Земли. Концентрация органических соединений постоянно увеличивалась, и, в конце концов, вода океана стала «бульоном» из белковоподобных веществ - пептидов, а также нуклеиновых кислот и других органических соединений.

Глава 3. Возникновение живых организмов, образование атмосферы

Когда на Земле возникли вещества подобные белкам, начался новый этап в развитии материи -- переход от органических соединений к живым существам.

Первоначально, органические вещества находились в морях и океанах в виде растворов. В них не было какого-либо строения, какой-либо структуры. Но когда подобные органические соединения смешивались между собой, из растворов выделялись особые полужидкие, студенистые образования -- коацерваты. В них концентрировались все находящиеся в растворе белковые вещества.

В первичном океане коацерваты, или коацерватные капли, обладали способностью поглощать различные вещества, растворенные в водах первичного океана. В результате этого внутреннее строение коацервата претерпевало изменения, что вело или к его распаду, или к накоплению веществ, т.е. к росту и к изменению химического состава, повышающих устойчивость коацерватной капли в постоянно меняющихся условиях. Судьба капли определялась преобладанием одного из процессов.

Академик А. И. Опарин отмечал, что в массе коацерватных капель должен был идти отбор наиболее устойчивых в данных конкретных условиях. Достигнув определенных размеров, материнская коацерватная капля могла распадаться на дочерние. Дочерние коацерваты, структура которых мало отличалась от материнской, продолжали свой рост, а резко отличавшиеся капли распадались. Естественно, что продолжали существовать только те коацерватные капли, которые, вступая в какие-то элементарные формы обмена со средой, сохраняли относительное постоянство своего состава. В дальнейшем они приобрели способность поглощать из окружающей среды лишь те вещества, которые обеспечивали их устойчивость, а также выделять наружу продукты обмена. Параллельно увеличивались различия между химическим составом капли и окружающей среды. В процессе длительного отбора (его называют химической эволюцией) сохранились лишь те капли, которые при распаде на дочерние не утрачивали особенностей своей структуры, т.е. приобрели способность к самовоспроизведению.

По-видимому, это важнейшее свойство возникло вместе со способностью к синтезу органических веществ внутри коацерватных капель, важнейшими составными частями которых уже в то время были полипептиды и полинуклеотиды.

Способность к самовоспроизведению непрерывно связана с присущими им свойствами. В ходе эволюции появились полипептиды, обладающие каталитической активностью, т. е. способностью значительно ускорять течение химических реакций.

Полинуклеотиды в силу своих химических особенностей способны связываться друг с другом по принципу дополнения, или комплиментарности, и, следовательно, осуществлять не ферментативный синтез дочерних нуклеотидных цепей.

Следующий важный шаг небиологической эволюции - объединение способности полинуклеотидов к самовоспроизведению с возможностью полипептидов ускорять течение химических реакций, так как удвоение молекул ДНК эффективнее осуществляется с помощью белков, обладающих каталитической активностью. В тоже время стабильность «удачных» комбинаций аминокислот в полипептидах может обеспечивать только сохранением информации о них в нуклеиновых кислотах.

Связь белковых молекул и нуклеиновых кислот привела к возникновению генетического кода, т. е. такой организации молекул ДНК, в которой последовательность нуклеотидов стала служить информацией для построения конкретной последовательности аминокислот в белках.

Дальнейшее усложнение обмена веществ у предбиологических структур могло происходить только в условиях пространственного разделения различных синтетических и энергетических процессов внутри коацервата, а также более прочной изоляции внутренней среды от внешних воздействий по сравнению с той, которой могла обеспечить водная оболочка. Такую изоляцию могла осуществить лишь мембрана. Вокруг коацерватов, богатых органическими соединениями, возникли слои жиров, или липидов, отделившие коацерват от окружающей в одной среды и преобразовавшиеся в ходе дальнейшей эволюции в наружную мембрану.

Появление биологической мембраны, отделяющей содержимое коацервата от окружающей среды и обладающей способностью к избирательной проницаемости, предопределило направление дальнейшей химической эволюции по пути развития всё более совершенных саморегулирующихся систем, вплоть до возникновения первых примитивно устроенных клеток.

Образование первых клеточных организмов положило начало биологической эволюции. Эволюция структур началась очень рано и протекала в течение длительного времени.

Более пятнадцати лет назад академик Б. С. Соколов, говоря о времени существования жизни на Земле, назвал цифру 4 миллиарда 250 миллионов лет.

Именно здесь, по современным научным данным, прослеживается граница между «не жизнью» и «жизнью». Эта цифра очень важна. Оказалось, что самое главное событие в истории жизни - возникновение её молекулярно-генетических основ -произошло, по геологическим масштабам, прямо-таки мгновенно: всего через 250миллионов лет после рождения самой планеты и, по-видимому, одновременно с образованием океанов. Дальнейшие исследования показали, что первые клеточные организмы появились на нашей планете значительно позже - понадобилось около миллиарда лет, чтобы из структур, подобных коацерватам возникли первые простейшие клеточные организмы. Их удалось обнаружить в породах, имеющих возраст около 3-х миллиардов лет.

Первые обитатели нашей планеты оказались совсем крохотными «пылинками»: их длина всего 0,7, а ширина 0,2 микрометра. Разработка идеи химической предбиологической эволюции, приведшей к возникновению клеточных форм жизни, раскрыла роль разнообразных факторов среды в этом процессе.

Строение первых живых организмов хотя и было гораздо совершеннее, чему коацерватных капелек, но все же оно было несравненно проще нынешних живых существ. Естественный отбор, начавшийся в коацерватных капельках ,продолжался и с появлением жизни. В течение долгого времени строение живых существ все более улучшалось, приспособлялось к условиям существования.

Вначале пищей для живых существ были только органические вещества, возникшие из первичных углеводородов. Но с течением времени количество таких веществ уменьшилось. В этих условиях первичные живые организмы выработали в себе способность строить органические вещества из элементов неорганической природы -- из углекислоты и воды. В процессе последовательного развития у них появилась способность поглощать энергию солнечного луча, разлагать за счет этой энергии углекислоту и строить в своем теле из ее углерода и воды органические вещества. Так возникли простейшие растения -- сине-зеленые водоросли. Остатки сине-зелены водорослей обнаруживаются в древнейших отложениях земной коры.

Другие живые существа сохранили прежний способ питания, но пищей им стали служить первичные растения. Так возникли в своем первоначальном виде животные.

На заре жизни и растения, и животные были мельчайшими одноклеточными существами, подобными живущим в наше время бактериям, сине-зеленым водорослям, амебам. Большим событием в истории последовательного развития живой природы стало возникновение многоклеточных организмов, т. е. живых существ, состоящих из многих клеток, объединенных в один организм.

Постепенно, но значительно быстрее, чем раньше, живые организмы становились все сложнее и разнообразнее.

С образованием сложных ультра молекулярных систем (пробионтов) включающих нуклеиновые кислоты, белки ферменты и механизм генетического кода, появляется жизнь на Земле. Пробионты нуждались в различных химических соединениях -- нуклеотидах, аминокислотах и др. Из-за низкой степени генетической информации, пробионты обладали достаточно ограниченными возможностями. Дело в том, что они использовали для своего роста готовые органические соединения, синтезированные в ходе химической эволюции, и если бы жизнь на своем раннем этапе существовала только в форме одного вида организмов, то первичный бульон был бы достаточно быстро исчерпан.

Однако благодаря тенденции к приобретению большого разнообразия свойств, и в первую очередь, к возникновению способности синтезировать органические вещества из неорганических соединений с использованием солнечного света, этого не произошло.

В начале следующего этапа образуются биологические мембраны-органеллы, ответственные за форму, структуру и активность клетки. Биологические мембраны построены из агрегатов белков и липидов, способных отграничить органическое вещество от среды и служить защитной молекулярной оболочкой. Предполагается, что образование мембран могло начаться еще в процессе формирования коацерватов. Но для перехода от коацерватов к живой материи были необходимы не только мембраны, но и катализаторы химических процессов -- ферменты или энзимы. Отбор коацерватов усиливал накопление белково-подобных полимеров, ответственных за ускорение химических реакций.

Результаты отбора фиксировались в строении нуклеиновых кислот. Система успешно работающих последовательностей нуклеотидов в ДНК усовершенствовалась именно путем отбора. Возникновение самоорганизации зависело как от исходных химических предпосылок, так и от конкретных условий земной среды. Самоорганизация возникла как реакция на определенные условия. При самоорганизации отсеивалось множество различных неудачных вариантов, до тех пор, пока основные черты строения нуклеиновых кислот и белков не достигли оптимального соотношения с точки зрения естественного отбора.

Благодаря предбиологическому отбору самих систем, а не только отдельных молекул, системы приобрели способность совершенствовать свою организацию. Это был уже следующий уровень биохимической эволюции, который обеспечивал возрастание их информационных возможностей. На последнем этапе эволюции обособленных органических систем сформировался генетический код.

После образования генетического кода эволюция развивается вариациями. Чем дальше она продвигается во времени, тем многочисленнее и сложнее вариации.

Однажды возникнув, жизнь стала развиваться быстрыми темпами, показывая ускорение эволюции во времени. Так, развитие от первичных пробионтов доаэробных форм потребовало около 3 млрд лет, тогда как с момента возникновения наземных растений и животных прошло около 500 млн лет; птицы и млекопитающие развились от первых наземных позвоночных за 100 млн лет, приматы выделились за 12-15 млн лет, для становления человека потребовалось около 3 млн лет.

Развитие атмосферы.

Развитие земной атмосферы является частью химической эволюции и к тому же важным элементом истории климата. Сегодня её разделяют на четыре важные ступени развития.

Вначале происходило образование химических элементов в космосе и появление из них земли -- приблизительно 4,56 миллиардов лет назад. Предположительно наша планета уже довольно рано имела атмосферу из водорода (H₂) и гелия (He), которая была, однако снова потеряна в космическое пространство. Астрономы исходят также из того, что из-за относительно высоких температур и эффектов солнечного ветра на земле и других близлежащих солнцу планетах могло остаться только небольшое количество легких химических элементов (включая углерод, азот и кислород). Все эти элементы, составляющие сегодня основную часть биосферы, были занесены, по этой теории, ударами комет из более внешних участков солнечной системы лишь через большой промежуток времени, когда протопланеты немного остыли. В течение первых нескольких миллионов лет после возникновения солнечной системы постоянно повторялись столкновения с небесными телами, вызванные ими коллизии уничтожали глобальными стерилизациями образованные в это время живые системы. Поэтому появление жизни смогло начаться только после накопления воды за длительное время хотя бы в самых глубоких впадинах.

С медленным остыванием земли, вулканической деятельностью (выделение газов из недр земли) и глобальным распределением материалов упавших комет возникла вторая атмосфера земли. Скорее всего, она состояла из водяного пара (H₂O до 80 %), углекислого газа (CO₂; до 20 %), сероводорода (до 7 %), аммиака (NH₃) и метана (CH₄). Высокий процент водяного пара объясняется тем, что поверхность земли была на тот момент ещё слишком горяча для образования морей. Прежде всего, из воды, метана и аммиака в условиях молодой земли могли образоваться небольшие органические молекулы (кислоты, спирты, аминокислоты), позднее также органические полимеры (полисахариды, жиры, полипептиды), которые были нестабильны в кислотной атмосфере.

После охлаждения атмосферы ниже температуры кипения воды наступил очень длительный период выпадения дождей, которые и образовали океаны. Насыщенность других газов атмосферы относительно водяного пара повысилась. Интенсивное ультрафиолетовое облучение обусловило фотохимический распад воды, метана и аммиака, в результате чего накопились углекислый газ (CO₂) и азот (N₂). Лёгкие газы -- водород и гелий -- уносились в космос, углекислый газ растворялся в больших количествах в океане, увеличивая кислотность воды. Значение pH упало до 4. Инертный и малорастворимый азот N₂ накапливался со временем и образовывал около 3,4 миллиардов лет назад основную составляющую атмосферы.

Выпадение в осадок прореагировавшего с ионами металлов растворенного углекислого газа (карбонаты) и дальнейшее развитие живых существ, которые ассимилировали углекислый газ, привело к уменьшению CO₂ -концентрации и повышению значения pH в водоёмах.

Кислород O₂ играет важнейшую роль в дальнейшем развитии атмосферы. Он образовался с появлением способных к фотосинтезу живых существ, предположительно цианобактерий (сине-зелёных водорослей) или им подобных прокариотов. Ассимиляция ими углекислого газа привела к дальнейшему понижению кислотности, насыщенность атмосферы кислородом оставалась все-таки довольно низкой. Причина этого -- незамедлительное использование растворенного в океане кислорода для окисления двухвалентных ионов железа и других окисляемых соединений. Около двух миллиардов лет назад этот процесс завершился, и кислород стал постепенно накапливаться в атмосфере.

Миллиард лет назад содержание кислорода в атмосфере перешагнуло планку одного процента и спустя несколько миллионов лет, был образован озоновый слой. Сегодняшнее содержание кислорода в 21 % было достигнуто лишь 350 миллионов лет назад и сохраняется с тех пор стабильным.

В земных недрах происходила не только выплавка базальтового слоя земной коры. Постоянно выделяющиеся во время грандиозных химических реакций газы уже не улетали в космическое пространство. Масса планеты настолько возросла, что была в состоянии удерживать их вблизи поверхности притяжением. Так, возникла первичная атмосфера. Выделяемые при извержениях пары воды, охлаждаясь, конденсировались и превращались в жидкость, которая скапливалась в понижениях рельефа.

Возникновение гидросферы и атмосферы было эпохальным событием в истории Земли. С тех пор они сосуществуют совместно и находятся в сложном взаимодействии.

Источником газообразных веществ, из которых состояла первичная атмосфера, были расплавленные горные породы земной коры, мантии и ядра. Это говорит о том, что атмосфера возникла уже после того, как Земля разделилась на оболочки. Крупнейший американский геохимик Г. Юри предполагает, что такая атмосфера могла состоять из смеси водяного пара, водорода, метана, аммиака и сернистого водорода. Английский геохимик П. Клауд считает, что в ранней атмосфере преобладали пары воды, углекислый газ(CO₂), угарный газ (CO), хлористый водород (HCI), водород (H₂) и сера (S). Следовательно, в любом случае первичная атмосфера состояла из лёгких газов, которые удерживались у земной поверхности силами притяжения. Если сравнить древнейшую атмосферу с современной, то в ней отсутствовали привычные нам азот (N₂) и кислород (O₂). Эти газы вместе с парами воды находились тогда в глубоких недрах Земли. Мало в то время было и воды: она в виде гидроксидов входила в состав мантийного вещества. Только после того как из пород верхней мантии стали интенсивно высвобождаться водяной пар и различные газы, возникла гидросфера, а толщина атмосферы и её состав изменились. Кстати, эти процессы продолжаются до сих пор. При извержении вулканов гавайского типа при температурах 1000--1200°С в газообразных выбросах содержится до 80% паров воды и не менее 6% углекислого газа. Кроме того, в современную атмосферу выбрасывается большое количество хлора, метана, аммиака, фтора, бора и сероводорода.

Можно себе представить, какое огромное количество газов выбрасывалось в глубокой древности во время грандиозных извержений.

Сказанное выше -- это не просто умозрительное предположение. Всё это подтверждается фактами. Оказывается, можно напрямую определить состав древней атмосферы. И сделал это российский учёный Ю. Казанский. В горных породах, возникших в то далёкое время, сохранились пузырьки древнейшего воздуха, который нужно было только выделить и исследовать его химический состав. В древней атмосфере преобладал углекислый газ, его было около 60%. Сегодня его место в атмосфере занимает азот (а углекислого газа всего 0,03%). Остальные 40% древней атмосферы составляли азот (N₂), сероводород (H₂S), сернистый газ (SO₂), пары соляной (HCI) и фтористой (HF) кислот.

Первичная атмосфера была очень агрессивной средой и действовала на горные породы как сильная кислота. Да и температура её была очень высокой. Но как только температура понизилась, произошла конденсация водяного пара.

В настоящее время имеются неопровержимые доказательства существования на Земле гидросферы ещё 3,8 млрд лет назад. Свидетельством тому являются осадочные горные породы, обнаруженные в Гренландии и Южной Африке. Они образовались на дне древнейших морей.

Заключение

Из того, что мы знаем о происхождении жизни на Земле, ясно, что процесс возникновения живых организмов из простых органических соединений был крайне длительным.

Если сейчас на Земле где-нибудь в районах интенсивной вулканической деятельности и могут возникнуть достаточно сложные органические соединения, то вероятность сколько-нибудь продолжительного существования этих соединений ничтожна. Они немедленно будут окислены или использованы гетеротрофными организмами. Это прекрасно понимал еще Ч. Дарвин: в 1871 г. он писал: «Но если бы сейчас... в каком-либо теплом водоеме, содержащем все необходимые соли аммония и фосфора и доступном воздействию света, тепла, электричества и т.п., химически образовался белок, способный к дальнейшим, все более сложным превращениям, то это вещество немедленно было бы разрушено или поглощено, что было невозможно в период до возникновения живых существ».

Жизнь возникла на земле абиогенным путем. В настоящее время живое происходит только от живого (биогенное происхождение). Возможность повторного возникновения жизни на Земле исключена. Теперь живые существа появляются только вследствие размножения.

Итак, живой мир сотворен. На это потребовалось более 3 миллиардов лет, и это было самым трудным. Не поддается перечислению огромное количество вариантов развития исходных углеродных соединений. Однако самым важным был результат - возникновение жизни на Земле.

Несмотря на важность знаний, относительно условий, причин и процессов появления жизни на Земле в наше время многие не уделяют этому должного внимания. Хотя для всех должно быть очень ясно, что жизнь, окружающая нас, формировалась в течение такого гигантского периода времени, который просто неподвластен нашему сознанию. И только поэтому, тот ущерб, который уже был нанесен всему живому за прошедший век, пока еще не привел к необратимым последствиям. Однако, человек сам, не осознавая того, создает все более опасные для всего живого изобретения. И, к сожалению, никто не знает, какое из них будет последним….

А ведь мы часть живого мира, на создание которого потребовались миллиарды лет. Думаю, есть о чем задуматься.

Список используемой литературы

1. Большая Советская Энциклопедия том 23, Москва 1976 г.

2. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. М.: Центр, 1997.

3. Жиряков В.Г. Органическая химия. М. 2000.

4. Захаров В.Б. «Справочник по биологии Москва 1997 г.

5. Корсунский В.М. «Начала эволюции Москва 1992г.

6. Лавриенко В. Н. Концепции современного естествознании. М. 2007

7. Мамон С.Г., Вахаров В.Г. «Общая биология» Москва 1999г.

8. Мотылёва Л.С., Скоробогатов В.А., Судариков А.М. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов - СПб.: Издательство Союз, 2000.

9. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учеб.пособие. - М.: Гардарики, 2000.

10. Опарин А.И. "Происхождение жизни" Москва 1954

Размещено на Allbest.ru