Концепции происхождения органической жизни на Земле и сущность жизни

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ФИО клиента:	Мошкина Олеся Вячеславовна
Тема работы / вариант:	Концепции происхождения  органической жизни на Земле и  сущность жизни
Дисциплина:	КСЕ

 

 

 

 

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Процесс эволюции на Земле  связан с процессом эволюции Вселенной  и длится миллиарды лет. В теории эволюции проявляются масштабы времени, намного превосходящие масштабы времени, соответствующие процессам  в физике и химии.

Вопрос о сущности и происхождении жизни всегда имел для человека не только познавательный интерес, но и огромное значение для формирования мировоззрения, поэтому вопросы о происхождении природы и сущности жизни издавна стали предметом интереса человека в его стремлении разобраться в окружающем мире, понять самого себя и определить свое место в природе. Многовековые исследования и попытки решения этих вопросов породили разные концепции возникновения жизни¹.

Ученые 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, лишенным ряда факторов, сопровождавших появление живого на Земле. Трудность — в невозможности проведения прямого эксперимента по возникновению жизни (уникальность этого процесса препятствует использование основного научного метода).

Возникновение и развитие живых существ вплоть до появления  такого феномена, как человек, –  одна из центральных проблем естествознания.

Актуальность данной темы обусловлена тем фактом, до настоящего времени данная проблема так и не была решена.

Цель работы – изучить  концепции происхождения органической жизни на Земле и сущность жизни.

Задачи:

- ознакомиться с основными  концепциями происхождения жизни;

- рассмотреть современные  представления о происхождении  жизни на Земле;

- определить сущность  жизни, выявит признаки живых  организмов.

Объект исследования – органическая жизнь на Земле. Предмет  исследования – происхождение органической жизни на Земле.

При выполнении работы использовались методы анализа, дедукции, индукции.

Теоретической основой  работы является учебная литература по естествознанию разных авторов, а  также оригинальные труды ученых, занимающихся данными проблемами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Основные концепции происхождения жизни

 

Вопрос о возникновении  жизни беспокоит человечество достаточно давно. Поэтому теорий происхождения жизни на Земле есть большое множество, но основными являются 3-4. Итак, рассмотрим основные их них

            1.Креационистская концепция, согласно которой жизнь была создана сверхъестественным существом в определенный момент (промежуток) времени.

2. Концепция стационарного  состояния.

3. Концепция самопроизвольного зарождения – возникновение жизни из неживого вещества (неоднократное).

4. Концепция панспермии, согласно которой возможен перенос жизни в космическом пространстве с одной планеты на другую («заражение» Земли жизнью из космоса).

            5. Концепция биохимического происхождения жизни.

 

1.1 Креационизм

 

История креационизма является частью истории религии, хотя сам  термин возник не так давно. Термин «креационизм» стал популярным приблизительно с конца XIX столетия, означая концепции, признающие истинность изложенной в  Ветхом Завете истории сотворения мира. Накопление данных различных наук (от астрономии до геологии и биологии), в особенности распространение в XIX веке теории эволюции, привело к возникновению противоречия между новыми взглядами в науке и библейской картиной мира. Результатом этого антагонизма в дальнейшем стало последовавшее возрождение креационизма как совокупности телеологических концепций, являющихся реакцией консервативно настроенных христиан на ставшие доминирующими представления об эволюционном и естественном пути происхождения живой и неживой природы.

Креационизм, утверждающий, что жизнь создана сверхъестественным существом в результате акта творения. Концепция креационизма, по существу, научной не является, поскольку она возникла в рамках религиозного мировоззрения. Она утверждает, что жизнь такова, какова она есть, потому что такой ее сотворил Бог. Тем самым практически снимается вопрос о научном решении проблемы происхождения и сущности жизни. Тем не менее, эта концепция продолжала и продолжает пользоваться довольно большой популярностью ².

 

1.2 Теория стационарного состояния

 

По положению теории стационарного состояния, Земля существовала вечно; на ней всегда была жизнь, а изменения были незначительными. Соответственно и все виды, существующие на планете также существовали всегда, однако у каждого вида есть два пути —  изменение численности либо вымирание.

Данная гипотеза стационарного состояния противоречит данным современной астрономии, которые указывают на конечное время существования любых звёзд и, соответственно, планетных систем вокруг звёзд. По современным оценкам, основанным на учете скоростей радиоактивного распада, возраст Земли, Солнца и Солнечной системы исчисляется ~4,6 млрд лет. Поэтому эта гипотеза обычно не рассматривается академической наукой³.

Сторонники теории стационарного состояния утверждают, что, только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми останками, можно сделать вывод о вымирании, да и в этом случае весьма вероятно, что он окажется неверным. Используя палеонтологические данные для подтверждения теории стационарного состояния, её сторонники интерпретируют появление ископаемых останков в экологическом аспекте. Так, например, внезапное появление какого-либо ископаемого вида в определённом пласте они объясняют увеличением численности его популяции или его перемещением в места, благоприятные для сохранения остатков. Теории самозарождения и стационарного состояния представляют собой только исторический или философский интерес, так как результаты научных исследований противоречат выводам этих теорий⁴.

 

1.3 Теория самозарождения

 

Теорию самозарождения, или самопроизвольного возникновения  жизни, обычно связывают с развитием  собственно естественно-научных представлений  о возникновении жизни на Земле. Сторонники этой теории находили подтверждение своей идеи в опытах с появлением червей в гниющем мясе, земле, отбросах и т.д. Допускалась возможность самозарождения не только простых, но и довольно высокоорганизованных существ, даже млекопитающих (мышей из тряпок). (Найдыш) Данную точку зрения разделяли Аристотель, Г. Галилей, И.В. Гёте, Р. Декарт. Их авторитет долгое время поддерживал теорию самозарождения на главенствующих позициях в естествознании. Достаточно сказать, что ни опыты Ф. Реди (XVII в.), который доказал невозможность самозарождения червей из гниющего мяса при отсутствии мух и провозгласил знаменитый принцип «все живое - от живого», ни даже опыты с мельчайшими существами Спалланцани (XVIII в.), показавшие, что в прокипяченных органических настоях не могут самопроизвольно зарождаться микроорганизмы, не оказали сильного влияния на господствующую в науке концепцию спонтанного самозарождения.

Одним из первых эту точку  зрения подверг сомнению итальянский  врач и естествоиспытатель Ф. Реди (XVII в.), показав, что в хорошо изолированном  от окружающей среды мясе черви не появляются. Он же провозгласил принцип «все живое от живого». Однако окончательно этот принцип получил распространение лишь в 1860-е гг., что связано с опытами Л. Пастера, который доказал его на микробиологическом уровне.

Опыты Пастера подтвердили принцип Реди и показали научную несостоятельность концепции спонтанного самозарождения организмов. Но и они не давали ответа на вопрос, откуда взялась жизнь⁵.

 

1.4 Теория панспермии

 

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 XIX в. – У. Томсоном, Г. Гельмгольцем и др.

Сходную гипотезу, названную  панспермией, в 1907 г. выдвинул известный  шведский естествоиспытатель С. Аррениус: во Вселенной вечно существуют зародыши жизни, которые движутся в космическом  пространстве под давлением световых лучей; попадая в сферу притяжения планеты, они оседают на ее поверхности и закладывают на этой планете начало живого⁵.

Концепцию панспермии разделял В.И. Вернадский, что способствовало ее широкому распространению среди  ученых.

Тем не менее, пока и эта гипотеза полного научного обоснования не получила. Хотя спектр возможных условий для существования живых организмов достаточно широк, все же считается, что они должны погибнуть в космосе под действием ультрафиолетовых и космических лучей. К тому же эта гипотеза не решает проблемы происхождения жизни, а лишь выносит ее за пределы Земли – если жизнь была занесена на Землю из космоса, то где и как она возникла? Есть вариант этой гипотезы, утверждающий вечность жизни во Вселенной. Считается, что после Большого взрыва, в результате которого образовалась наша Вселенная, в процессе появления вещества на самых ранних этапах эволюции Вселенной произошло разделение этого вещества на живое и неживое, и жизнь существует столько же времени, сколько и весь космос.

В настоящее время  периодически предпринимаются попытки возродить эту теорию. Фрэнсис Крик и Лесли Оргел предложили в 1973 году другой вариант – управляемую панспермию, то есть намеренное «заражение» Земли (наряду с другими планетными системами) микроорганизмами, доставленными на непилотируемых космических аппаратах развитой инопланетной цивилизацией, которая, возможно, находилась перед глобальной катастрофой или же просто надеялась произвести терраформирование других планет для будущей колонизации.

 

1.5 Теория Опарина-Холдейна (биохимической эволюции)

 

В начале XX в. накопившиеся противоречия, с которыми не могли  справиться теории самозарождения и  панспермии, привели к дальнейшим поискам объяснения способа возникновения  жизни на Земле.

Одним из главных препятствий, стоявших в начале нашего века на пути решения проблемы возникновения жизни, было господствовавшее тогда в науке и основанное на повседневном опыте убеждение в том, что органические вещества в природных условиях возникают только биогенно, то есть путем их синтеза живыми существами. Считалось, что представить себе естественное возникновение даже простейших организмов из неорганических веществ (углекислоты, воды, азота и т.д.) совершенно невозможно. Поэтому так важно было появление концепции А.И. Опарина, вступившей в противоречие с общепринятым тогда мнением.

Теория биохимической  эволюции отражает современные представления  о происхождении жизни на Земле  и основывается на работах А.И. Опарина (1924) и Дж. Холдейна (1929). Хэлден выдвинул гипотезу о том, что на первобытной Земле скопились огромные количества органических соединений, образовав то, что он назвал горячим разбавленным бульоном (hot dilute soup; впоследствии прижилось название первичный бульон или протобульон – primeval soup). Современное двуединое понятие первобытного бульона и самозарождения жизни исходит из теории Опарина-Хэлдейна о происхождении жизни. Основные постулаты этой теории:

1. Первобытная Земля  имела лишенную кислорода атмосферу.

2. 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.

3. 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.

4. Некоторые из этих молекул  оказались способны к самовоспроизводству.

            5. Взаимодействие между возникшими нуклеиновыми кислотами и протеинами в конце концов привело к возникновению генетического кода.

            6. В дальнейшем эти молекулы объединились, и появилась первая живая клетка.

            7. 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.

8. Благодаря процессу  естественного отбора из этих  первых клеток появились все  живые организмы, существующие  на Земле⁶.

За прошедшие десятилетия  концепция биохимической эволюции была подтверждена и существенно дополнена новыми данными из разных областей естествознания.

Так, американский ученый Г. Миллер выдвинул гипотезу о случайном  возникновении первичной молекулы живого вещества. В 1953 г. Л.С. Миллер экспериментально доказал возможность абиогенного (не происходящего от живого организма) синтеза органических соединений из неорганических. Пропуская электрические разряды через смесь нагретых газов Н2, Н2О (в виде пара), СН4 и NH3, он получил набор нескольких аминокислот и органические кислоты ⁷.

Таким образом, существует большое количество гипотез происхождения жизни на Земле. Наиболее распространенными являются: креационизм, концепция стационарного состояния, концепция самопроизвольного зарождения, концепция панспермии, концепция биохимического происхождения жизни. Практически все описанные выше концепции продолжают пользоваться большей или меньшей популярностью и в настоящее время. Это свидетельствует о том, что до сих пор единая стройная концепция появления жизни, объясняющая все особенности живых систем в настоящее время отсутствует.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Современные представления происхождения жизни на Земле

 

Отрицание возможности самозарождения жизни в настоящее время не противоречит представлениям о принципиальной возможности развития органической природы, жизни в прошлом из неорганической материи. На определенной стадии развития материи жизнь может возникнуть как результат естественных процессов, совершающихся в неорганической природе. Кроме того, элементарные химические процессы на начальных этапах возникновения и развития жизни могли происходить не только на Земле, но и в других частях Вселенной и в различное время. Поэтому не исключается возможность занесения определенных предпосылочных факторов жизни на Землю из Космоса. Однако в изученной пока человеком части Вселенной только на Земле они привели к формированию и расцвету жизни.

Согласно положениям современной науки, жизнь возникла из неживого вещества в результате эволюции материи, является результатом естественных процессов, происходивших во Вселенной. Жизнь – это свойство материи, которое ранее не существовало и появилось в особый момент истории Земли. Возникновение жизни явилось результатом процессов, протекавших сначала миллиарды лет во Вселенной, а затем многие миллионы лет на Земле. От неорганических соединений к органическим, от органических к биологическим – таковы последовательные стадии процесса зарождения жизни.

В сложном процессе возникновения  жизни на Земле можно выделить несколько основных этапов. Первый из них связан с образованием простейших органических соединений из неорганических. На начальных этапах своей истории Земля представляла собой раскаленную планету. Вследствие вращения при постепенном снижении температуры атомы тяжелых элементов перемещались к центру, а в поверхностных слоях концентрировались атомы легких элементов (водорода, углерода, кислорода, азота), из которых и состоят тела живых организмов. При дальнейшем охлаждении Земли появились химические соединения: вода, метан, углекислый газ, аммиак, цианистый водород, а также молекулярный водород, кислород, азот. Благодаря физическим и химическим свойствам воды (высокий дипольный момент, вязкость, теплоемкость и т. д.) и углерода (трудность образования окислов, способность к восстановлению и образованию линейных соединений) они оказались у колыбели жизни ⁸.

На этих этапах сложилась  первичная атмосфера Земли, которая  носила не окислительный, как сейчас, а восстановительный характер. Кроме  того, она была богата инертными  газами (гелием, неоном, аргоном). Дальнейшее снижение температуры обусловило переход ряда газообразных соединений в жидкое и твердое состояние, а также образование земной коры. Когда температура поверхности Земли опустилась ниже 100 °С произошло сгущение водяных паров. Длительные ливни с частыми грозами привели к образованию больших водоемов. В результате активной вулканической деятельности из внутренних слоев Земли на поверхность выносилась раскаленная масса, в том числе карбиды — соединения металлов с углеродом. При взаимодействии карбидов с водой выделялись углеводородные соединения. Горячая дождевая вода как хороший растворитель имела в своем составе растворенные углеводороды, газы (аммиак, углекислый газ, цианистый водород), соли и другие соединения, которые могли вступать в химические реакции. С особым успехом, видимо, протекали процессы роста молекул при наличии группы — N = С = N —. Эта группа имеет большие химические возможности к росту за счет присоединения к атому углерода атома кислорода и реагирования с азотистым основанием. Так постепенно на поверхности молодой планеты Земля накапливались, причем в больших количествах, простейшие органические соединения. Вместе с тем астрономическими исследованиями установлено, что и на других планетах, и в космической газопылевой материи имеются углеродные соединения, в том числе углеводороды.

Второй этап биогенеза  характеризовался возникновением более  сложных органических соединений (в  частности, белковых веществ нуклеиновых  кислот) в водах первичного океана. Благодаря высокой температуре, грозовым разрядам, усиленному ультрафиолетовому излучению относительно простые молекулы органических соединений при взаимодействии с другими веществами усложнялись, полимеризировались и образовывались углеводы, жиры, аминокослоты, белки и нуклеиновые кислоты ⁹.

Возможность такого синтеза  была доказана опытами А.М. Бутлерова, который еще в середине XIX в. получил  из формальдегида углеводы (сахар). В 1953—1957 гг. химиками различных стран (США, СССР, Германии) в целом ряде экспериментов из смеси газов (аммиака, метана, водяного пара, водорода) при 70—80 °С и давлении несколько атмосфер под воздействием электрических разрядов напряжением 60 000 В и ультрафиолетовых лучей были синтезированы органические кислоты, в том числе аминокислоты (глицин, аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты), которые служат материалом для образования белковой молекулы. Таким образом, были смоделированы условия первичной атмосферы Земли, при которых могли образовываться аминокислоты, а при их полимеризации — и первичные белки. Особенно важно то, что лабораторные эксперименты совершенно определенно показали возможность образования белковых молекул в условиях отсутствия жизни.

С определенного этапа  в процессе химической эволюции на Земле активное участие стал принимать  кислород. Он мог накапливаться в  атмосфере Земли в результате разложения воды и водяного пара под  действием ультрафиолетовых лучей  Солнца. (Для превращения восстановленной атмосферы первичной Земли в окисленную потребовалось не менее 1—1,2 млрд лет.) С накоплением в атмосфере кислорода восстановленные соединения начали окисляться. Так, при окислении метана образовались метиловый спирт, формальдегид, муравьиная кислота и т.д., которые вместе с дождевой водой попадали в первичный океан. Эти вещества, вступая в реакции с аммиаком и цианистым водородом, дали начало аминокислотам и соединениям типа аденина. Важно и то, что более сложные органические соединения являются более стойкими, чем простые соединения, перед разрушающим действием ультрафиолетового излучения.

Дальнейший этап биогенеза  связан с концентрацией органических веществ и образованием фазовообособленных систем. Такие системы носят открытый характер и способны взаимодействовать с внешней средой. «Механизм», определяющий образование фазовообособленных систем, — так называемая неспецифическая самосборка, спонтанное упорядоченное объединение биополимеров за счет образования нековалентных, вторичных связей (ионные, водородные, межмолекулярного взаимодействия). Особенно активно такое объединение происходит в условиях пространственной взаимодополняемости (взаимное соответствие) поверхностей взаимодействующих молекул (комплементарность). Фазовообособленные системы — это некие протоклетки (пробионты). В качестве пробионтов могли выступать коацерваты — мельчайшие коллоидальные частицы, капли, обладающие осмотическими свойствами.

В водах первичного океана концентрация органических веществ  увеличивалась, происходили их смешивание, взаимодействие и объединение в мелкие обособленные структуры раствора. Такие структуры довольно просто получить искусственно, смешивая растворы разных белков, например желатина и альбумина. Эти обособленные в растворе органические многомолекулярные структуры русский ученый А.И. Опарин назвал коацерватными каплями, или коацерватами¹⁰. Коацерваты образуются в слабых растворах. Вследствие взаимодействия противоположных электрических зарядов происходит агрегация молекул. Мелкие сферические частицы возникают потому, что молекулы воды создают вокруг образовавшегося агрегата поверхность раздела.

Исследования показали, что коацерваты имеют достаточно сложную организацию и обладают рядом свойств, которые сближают их с простейшими живыми системами. Например, они способны поглощать из окружающей среды разные вещества, которые вступают во взаимодействие с соединениями самой капли, и увеличиваться в размере. Эти процессы в какой-то мере напоминают первичную форму ассимиляции. Выделяются отдельные динамически более стойкие структуры с преобладанием синтетической деятельности.

Коацерваты объясняют, как появились биологические  мембраны. Образование мембранной структуры  считается самым «трудным» этапом химической эволюции жизни. Истинное живое  существо (в виде клетки, пусть даже самой примитивной) не могло оформиться до возникновения мембранной структуры и ферментов. Биологические мембраны — это агрегаты белков и липидов, способные отграничить вещество от среды и придать упаковке молекул прочность. Мембраны могли возникнуть в ходе формирования коацерватов.

Повышенная концентрация органических веществ в коацерватах  увеличивала возможность взаимодействия между молекулами и усложнения органических соединений. Уже на стадии формирования коацерватов зарождается отбор, который приводит к сохранению наиболее устойчивых, организованных структур. Однако все это еще не дает основания считать коацерваты живыми системами, потому что они лишены способности к самовоспроизведению и саморегуляции синтеза органических веществ. Но предпосылки возникновения живого в них уже содержались.

Кроме коацерватов в  «первичном бульоне» накапливались  полинуклеотиды, полипептиды и различные  катализаторы, без которых невозможно формирование способности к самовоспроизведению  и обмену веществ. Катализаторами могли быть и неорганические вещества. Так, Дж. Бернал в свое время выдвинул гипотезу о том, что наиболее удачные условия для возникновения жизни складывались в небольших спокойных теплых лагунах с большим количеством ила, глинистой мути. В такой среде и без нагрева очень быстро протекает полимеризация аминокислот, так как частицы ила выступают в качестве своеобразных катализаторов.

Важнейшая цель в теории о происхождении жизни – объяснить возникновение матричного синтеза белков. Жизнь возникла не тогда, когда образовались пусть даже очень сложные органические соединения, отдельные молекулы ДНК и др., а тогда, когда начал действовать механизм конвариантной редупликации. Именно поэтому завершение процесса биогенеза связано с возникновением у более стойких коацерватов способности к самовоспроизведению составных частей, генетического кода, с переходом к матричному синтезу белка, характерному для живых организмов. В ходе предбиологического отбора наибольшие шансы на сохранение имели те коацерваты, у которых способность к обмену веществ сочеталась со способностью к самовоспроизведению. Переход к матричному синтезу белков был величайшим качественным скачком в эволюции материи. Однако механизм перехода пока не ясен. Основная трудность здесь состоит в том, что для удвоения нуклеиновых кислот нужны ферментные белки, а для создания белков – нуклеиновые кислоты. Иначе говоря, нужно объяснить, как в ходе предбиологического отбора объединились способности к самовоспроизведению полинуклеотидов с каталитической активностью полипептидов в условиях пространственно-временного разобщения начальных и конечных продуктов реакции ¹¹.

В дальнейшем предбиологический  отбор коацерватов, по-видимому, происходил в нескольких направлениях. Во-первых, в направлении выработки способности  накапливать белковоподобные полимеры, ответственные за ускорение химических реакций. Во-вторых, в системе коацерватов происходил и отбор самих нуклеиновых кислот по наиболее удачному сочетанию последовательности нуклеотидов. На этом пути формировались гены. Самовоспроизводящиеся системы со сложившейся стабильной последовательностью нуклеотидов в нуклеиновой кислоте уже могут быть названы живыми.

Знание условий, которые  способствовали возникновению жизни  на Земле, позволяют понять, почему в наше время невозможно появление живых существ из неорганических систем. В нашу эпоху отсутствуют условия для синтеза и усложнения органических веществ: простые соединения, которые могли бы где-то образоваться, сразу же были бы использованы гетеротрофами. Возникшая на Земле жизнь преобразовала те условия, которые сделали возможным ее появление. Теперь живые существа появляются только вследствие размножения.

Главные события в  истории возникновения жизни  могут быть представлены следующим  образом:

3,8 млрд. лет назад солевой  состав океана был близок к нынешнему, состав атмосферы был близок к современному, но в них не было О2;

2,3 млрд. лет назад начался  фотосинтез с выделением О2;