Начало жизни на земле

Список  используемой литературы:

1.Горелов А.А «Концепции современного  естествознания» учебное пособие  М.:Юрайт,2009г.стр.140-152.

2.Горелов А.А «Концепции современного  естествознания»курс лекций  М.:Центр,2000г.стр.90-98.

3.Карпенков С.Х. «Основные концепции  естествознания» учебник 

М.:Высшее образование, 2007г.стр.231-237.

4.Стрельник О.Н «Концепции современного  естествознания» конспект лекций М.:Юрайт,2010г.стр7-15.

Введение

   Происхождение жизни – один из самых сложных и в то же время интересных вопросов современного естествознания. Он труден потому, что, когда наука подходит к проблемам развития как создания качественно нового, она оказывается у предела своих возможностей как отрасли культуры, основанной на доказательстве и экспериментальной проверке утверждений.

  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. Вопрос о происхождении жизни интересен не только сам по себе, но и тесной связью с проблемой отличия живого от неживого, а также связью с проблемой эволюции жизни. В чем сущность живого? Как и насколько механизмы эволюции действовали при зарождении жизни?

1.Отличие  живого от неживого.

    Есть несколько фундаментальных отличий в вещественном, структурном и функциональном планах. В вещественном плане в состав живого обязательно входят высокоупорядочные макромолекулярные органические соединения, называемые биополимерами, - белки и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). В структурном плане живое отличается от неживого клеточным строением. В функциональном плане для живых тел характерно воспроизводство самих себя. Устойчивость и воспроизведение есть и в неживых системах. Но в живых телах имеет место процесс самовоспроизведения: не что-то воспроизводит их,а они сами. Это принципиально новый момент.

    Также живые тела отличаются от неживых наличием обмена веществ, способностью к росту и развитию, активной регуляцией своего состава и функций, способностью к движению, раздражимостью, приспособленностью к среде и т. д. Неотъемлемое свойство живого - деятельность, активность. Все живые существа должны или действовать, или погибнуть.

    Однако строго научное разграничение живого и неживого встречает определенные трудности. Имеются переходные формы от нежизни к жизни. Так, например, вирусы вне клеток другого организма не обладают ни одним из атрибутов живого. У них есть наследственный аппарат, но отсутствуют основные необходимые для обмена веществ ферменты, и поэтому они могут расти и размножаться, лишь проникая в клетки организма – хозяина и используя его ферментные системы. В зависимости от того, какой признак считают самым важным, вирусы относят к живым системам или нет.(1)стр.140-141

2.Происхождение  жизни.

   Известны две основные гипотезы происхождения жизни. Согласно одной из них – гипотезе панспермии – жизнь зародилась из неорганического вещества в космосе. В межзвездном пространстве, где нет условий для развития жизни, живое вещество существует в виде спермий – зародышей жизни, способных выдерживать большие перепады температуры, космическое излучение и т.п. Миллиарды лет назад кометы занесли спермии на Землю, где сложились благоприятные условия для их развития. Сторонниками этой гипотезы были Г. Гельмгольц, Л. Пастер, В. И. Вернадский и др.

   Вторая гипотеза – абиогенез – согласно ей жизнь возникла из неживой материи. Научную основу абиогенеза заложил российский биохимик А. И. Опарин (1894- 1980).

   Проблемой происхождения жизни занимаются ученые многих стран. В космосе обнаружены сотни органических соединений, открыта саморепликация молекулы РНК и успешно проведено множество экспериментов в различных условиях, которые проясняют механизмы зарождения жизни. Однако до сих пор никому не удалось синтезировать живую клетку из неживой материи.

   История жизни и история Земли неотделимы друг от друга. Именно в процессах развития нашей планеты формировались основные условия зарождения жизни – диапазоны температуры, влажности, давления, уровень радиации и т.п. Например,диапазон температуры, в котором возможна активная жизнь, довольно узок.

   Одна из гипотез о происхождении Земли и всей Солнечной системы, заключается в том,что Земля и все планеты сконденсировались из космической пыли и газа, рассеянных вокруг Солнца. Во внешних областях Солнечной системы в результате конденсации газов образовались различные летучие органические соединения, содержащие один из основных элементов всех живых организмов – углерод. При нагревании Солнцем они вновь превращались в газ, а из некоторой их части под действием излучения образовались менее летучие вещества – углероды ( соединения углерода с водородом) и соединения азота. Возможно, из пылевых частиц с оболочками из органических соединений сформировались сначала астероиды, а затем планеты. Такие предположения подтверждает тот факт, что атмосфера планет – гигантов ( Юпитера, Сатурна, Урана) состоит преимущественно из метана, водорода, аммиака и других газов. Более того, в метеоритах обнаружен аденин, входящий в состав молекулы ДНК. Аденин удалось синтезировать в лабораторных  условиях при моделировании первичной атмосферы Земли, а органические соединения, играющие большую роль в обмене веществ живых организмов, - щавелевую, муравьиную и янтарную кислоты – получили при облучении водных растворов углекислоты.

   Первичная атмосфера Земли, как и других планет, содержала, по-видимому, метан, аммиак, водяной пар и водород. При воздействии в лаборатории на смесь таких газов электрическими разрядами, имитирующими молнию, и ультрафиолетовым излучением синтезированы сложные органические вещества, входящие в состав натуральных белков. Вероятно, электрические разряды, световая и ультрафиолетовая радиация еще до образования земли или на самой первой стадии ее развития способствовали образованию сложных органических веществ. (3) стр.231-232.

3.Вещественная  основа жизни.

   Какие же химические элементы являются основными слагаемыми всего живого, его «кирпичиками»? Это, в первую очередь, кислород, углерод, водород и азот – их принято называть органогенами. В живой клетке, например по массе содержится в среднем около  70% кислорода, 17% углерода, 10% водорода, 3% азота. Количество фосфора, калия, хлора, серы, кальция, натрия, магния, железа не превышает десятых долей процента. Медь, цинк, иод, фтор и др. элементы составляют тысячные доли процента.

   В вещественном плане для становления жизни нужен прежде всего углерод.  Жизнь на Земле основана на этом элементе, хотя в принципе можно предположить существование жизни и на кремниевой основе. Возможно где-то во Вселенной существует и «кремниевая цивилизация», но на Земле основа жизни – углерод.

Атомы углерода вырабатываются  в недрах больших звезд в необходимом для образования жизни количестве. Углерод способен создавать разнообразные (несколько десятков миллионов), подвижные, низкоэлектропроводные, студенистые, насыщенные водой, длинные скрученные цепеобразные структуры.

    По радиоастономическим данным органические вещества возникали не только до появления жизни, но и до формирования нашей планеты. Следовательно, органические вещества абиогенного происхождения присутствовали на Земле уже при ее образовании.

   Жизнь возможна только при определенных физических и химических условиях ( температура, присутствие воды, солей и т. д.). Прекращение жизненных процессов, например, при высушивании семян или глубоком замораживании мелких организмов. Не ведет к потере жизнеспособности. Если структура сохраняется неповрежденной, она при возвращении к нормальным условиям обеспечивает восстановление жизненных процессов.

   Также и для возникновения жизни нужны определенные диапазоны температуры, влажности , давления, уровня радиации, определенность развития Вселенной и время. Взаимное удаление галактик приводит к тому, что их электромагнитное излучение приходит к нам сильно ослабленным. Если бы галактики сближались, то плотность радиации во Вселенной была бы столь велика, что жизнь не могла бы существовать. Углерод синтезирован в звездах – гигантах несколько миллиардов лет назад. Если бы возраст Вселенной был меньше,то жизнь также не могла бы возникнуть. Планеты должны иметь определенную массу для того, чтобы удержать атмосферу. (1) стр.142.

4.Концепции  возникновения жизни.

   Существует пять концепций возникновения жизни:1) креационизм - божественное сотворение живого; 2) Концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества (ее придерживался еще Аристотель, который считал, что живое может возникать и в результате разложения почвы) ; 3) концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда; 4) концепция панспермии – внеземного происхождения жизни; 5) концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам.

   Первая концепция является религиозной и к науке прямого отношения не имеет. Вторую опроверг изучавший деятельность бактерий французский микробиолог 19 века – Луи Пастер. Третья из-за своей оригинальности и умозрительности всегда имела немного сторонников.

   К началу 20 века в науке господствовали две последние концепции. Концепция панспермии, согласно которой жизнь была занесена на Землю извне, опиралась на обнаружение при изучении метеоритов и комет «предшественников живого» - органических соединений, которые возможно сыграли роль «семян».

    У концепции появления жизни на Земле в историческом прошлом два варианта. Согласно одному, происхождение жизни – результат случайного образования единичной «живой молекулы» , в строении которой был заложен весь план дальнейшего развития живого. Французский биолог Ж.Моно пишет, что «жизнь не следует из законов физики, но совместима с ними. Жизнь – событие, исключительность которого необходимо сознавать». Согласно другой точке зрения, происхождение жизни – результат закономерной эволюции материи. (2) стр.91.

5. Земля в период возникновения  жизни. 

   Наша планета – «золотая середина» в Солнечной системе, которая наиболее подходит для зарождения жизни. Возраст Земли примерно 4 – 5 млрд лет. Температура поверхности в начальный период была 4000-8000 градусов, и, по мере того как Земля остывала, углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались и образовали земную кору. Атмосфера была совершенно иной. Легкие газы – водород, гелий, азот, кислород – уходили из атмосферы, так как гравитационное поле нашей еще недостаточно плотной планеты не могло их удержать. Однако простые соединения, содержащие эти элементы, удерживались.

   Первичная  атмосфера содержала водород  и соединения углерода ( метан)  и азота (аммиак). Отсутствие в  атмосфере кислорода было, вероятно, необходимым условием возникновения жизни: лабораторные опыты показывают, что органические вещества гораздо легче создаются в восстановительной среде, чем в атмосфере, богатой кислородом. О том, что атмосфера была именно такой, свидетельствуют самые древние горные породы на Земле.

   Существуют  разные точки зрения на время  возникновения жизни на земле.  По мнению В.И. Вернадского,  жизнь появилась одновременно  с образованием Земли.  А.И. Опарин считал, что периоду развития жизни предшествовал длительный период химической эволюции Земли, во время которого образовались сложные органические вещества и протоклетки. Возникновение последних положило начало биохимической эволюции.

   Известны  три способа синтеза природных  органических веществ. Содержащие углерод и азот вещества могли возникать в расплавленных глубинах Земли и выноситься на поверхность при вулканической деятельности, попадая далее в океан.

   А.  И. Опарин полагал ,что органические  вещества могли создаваться и  в океане из более простых  соединений. Энергию для этих  реакций синтеза, вероятно, доставляла интенсивная солнечная радиация ( главным образом ультрафиолетовая) , падавшая на Землю до того, как образовался слой озона, который стал задерживать большую ее часть. Разнообразие находящихся в океанах простых соединений, площадь поверхности Земли, доступность энергии и масштабы времени позволяют предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества и образовался тот «первичный бульон», в котором могла возникнуть жизнь.

   Наконец,  органические соединения могли  образоваться во Вселенной из неорганического космического «сырья».

    Для  построения любого сложного органического  соединения, входящего в состав  живых тел, нужен небольшой  набор блоков-мономеров (низкомалекулярных соединений): 29 мономеров (из них 20 аминокислот, 5 азотистых оснований) описывают биохимическое строение любого живого организма. Оно состоит из аминокислот ( из которых построены все белки), азотистых соединений (составные части нуклеиновых кислот), глюкозы – источника энергии, жиров – структурного материала, идущего на построение в клетке мембран и запасающего энергию.

    После  того как углеродистые соединения  образовали «первичный бульон», могли уже организовываться биополимеры – белки и нуклеиновые кислоты, обладающие свойством самовоспроизводства себе подобных. Необходимая концентрация веществ для образования биополимеров могла возникнуть в результате осаждения органических соединений на минеральных частицах, например, на глине или гидроокиси железа, образующих ил прогреваемого Солнцем мелководья. Кроме того, органические вещества могли образовать на поверхности океана тонкую пленку, которую ветер и волны гнали к берегу, где она собиралась в толстые слои. В химии известен также процесс объединения родственных молекул в разбавленных растворах.

    В  начальный период формирования  Земли воды, пропитывающие земной  грунт, непрерывно перемещали  растворенные в них вещества  из мест их образования в места накопления. Там формировались пробионты – системы органических веществ, способных взаимодействовать с окружающей средой, т.е. расти и развиваться за счет поглощения из окружающей среды разнообразных богатых энергий веществ.

    Здесь  уже возможен примитивный «отбор»,  ведущий к постепенному усложнению и упорядоченности как обеспечивающих преимущество в выживании. Механизм отбора действовал на самых ранних стадиях зарождения органических веществ: из множества образующихся веществ сохранялись устойчивые к дальнейшему усложнению.

    Затем  образуются микросферы – шаровидные тела, возникающие при растворении и конденсации абиогенно полученных белковоподобных веществ.

     Как показывает синергетика, энергия  имела для возникновения жизни  не меньшее значение, чем вещество. Разумно предположить, считает И.  Пригожин, что некоторые из первых стадий эволюции жизни были связаны с возникновением механизмов, способных поглощать и трансформировать химическую энергию, как бы выталкивая систему в сильно неравновесные условия. Неравновесные структуры – переход к живому, но еще нет воспроизводства. Итак, в образовании органических соединений большую роль играло не только вещество космического пространства,но и энергия звезд.(1)стр.144.

6.Теория  эволюции

    Применительно к живой природе эволюцию понимают как образование более сложных видов из простых. Как оно происходит? Существует ли целесообразность в природе? Какова роль случайности? Что является источником развития: тренировка органов (как считал Ж.Б. Ламарк); борьба за существование и выживание наиболее приспособленных (естественный отбор, по Ч. Дарвину); способность к взаимопомощи (П.А. Кропоткин); природные катастрофы: кометы,изменения температуры и пр. (Ж. Кювье)?

    В 19 веке была создана теория эволюции. Ч. Дарвин (1809-1882) во время своего кругосветного плавания на корабле «Бигль» собрал множество данных, свидетельствующих  о том ,что виды нельзя считать неизменными. После возвращения в Англию он изучал практику разведения голубей и других домашних животных, что натолкнуло его на идею естественного отбора. В 1778 г. Священник Т. Мальтус опубликовал «Трактат о народонаселении», в котором обрисовал, к чему привел бы рост населения,если бы он ничем не сдерживался. Ч. Дарвин перенес его рассуждения на природу и обратил внимание на то, что, несмотря на высокий репродуктивный потенциал, численность популяций остается относительно постоянной. Ч. Дарвин предположил,что при интенсивной конкуренции внутри популяции любые изменения, благоприятные для выживания в данных условиях, повышают способность особей размножаться и оставлять потомство.

   Другим основанием теории эволюции послужил принцип униформизма английского геолога Ч. Лайеля (1797-1875), в соответствии с которым медленные ничтожные изменения приводят к поразительным результатам, если происходят долго в одном направлении. Точно так же небольшие изменения на протяжении миллионов лет приводят к образованию новых видов.

     Непосредственно на мысль об эволюции органических форм натолкнула Ч. Дарвина находка в одном и том же регионе – в Южной Америке – скелетов ленивца,огромного (ископаемого) и маленького (современного).

   Теория эволюции сформулирована Ч. Дарвином в 1839 году. Наибольший вклад Дарвина в науку заключался не в том, что он объяснил, как она может происходить. В 1859 году Ч. Дарвин опубликовал труд «Происхождение видов путем естественного отбора». Гипотеза Ч. Дарвина была основана на трех наблюдениях и двух выводах:

Наблюдение 1. Особи, входящие в состав популяции, обладают большим репродуктивным потенциалом.

Наблюдение 2. Число особей в каждой данной популяции  примерно постоянно.

Вывод 1. Многим особям не удается выжить и оставить потомство. В популяции происходит «борьба за существование».

Наблюдение 3. Во всех популяциях существует изменчивость.

Вывод 2. В  «борьбе за существование» те особи, признаки которых наилучшим образом приспособлены к условиям жизни, обладают «репродуктивным преимуществом» и производят больше потомков, чем менее приспособленные особи. Вывод 2 содержит гипотезу о естественном отборе, который служит механизмом эволюции.

   Не столь важно,о какой конкуренции идет речь: внутри- или межвидовой. Решающий фактор, определяющий выживание,- это приспособленность к среде. Любое, пусть самое незначительное физическое, физиологическое или поведенческое изменение, дающее одному организму преимущество перед другим, будет действовать в «борьбе за существование» как селективное преимущество. Благоприятные изменения будут передаваться следущим поколениям, а неблагоприятные – элиминироваться отбором, так как они невыгодны организму. Действуя таким образом, естественный отбор ведет к повышению «мощности» вида, а в филогенетическом плане обеспечивает его выживание.(1) стр.150-151.

7.Геологические эры и эволюция жизни

Под влиянием эволюционной идеи и геологам пришлось пересмотреть свои представления об истории нашей планеты. Органический мир развивался в течении миллиардов лет вместе с той средой, в которой  ему приходилось существовать, т.е. вместе с землей. Поэтому эволюцию жизни невозможно понять без эволюции Земли, и наоборот.

     Владимир Ковалевский (1842-1883), вооружившись эволюционной идеей, основал палеонтологию – науку об ископаемых организмах. Первые следы органических остатков растительности обнаружены в древнейших отложениях докембрийского периода, сформировавшихся 3,5-4 млрд лет назад. Предполагается, что в этот период зародилась жизнь и возникла кислородная атмосфера. О растительности раннего докембрия свидетельствуют остатки водорослей и органический углерод в карбонатных отложениях. Гораздо позднее (2-2,5 млрд лет назад) появились следы жизнедеятельности животных.

    В палеозойскую эру ( продолжительностью около 340 млн лет) растительный и животный мир вступил в новую фазу развития. Образовались большие пространства суши с наземными растениями. Особенно быстро росли папоротники: они образовали гигантские дремучие леса. Из позвоночных появились рыбы, земноводные, пресмыкающиеся.

   Более высокого уровня развития животный и растительный мир достиг в мезозойскую эру, начавшуюся примерно 170 млн лет. Тогда появились первые пресмыкающиеся крупных размеров: динозавры, птерозавры и др., а также многочисленные насекомые,птицы и млекопитающие. Произошло обновление флоры, сформировались торфяные залежи.

    Около 65 млн лет назад наступила кайнозойская эра. Многие виды млекопитающих птиц продолжали развиваться. В растительном мире стали преобладать цветковые. Живая природа обогатилась новыми видами животных и растений. Некоторые из них существуют и в настоящее время.

    Последний период кайнозойской эры – четвертичный, или антропоген,- продолжается и поныне. Его длительность оценивается от 700 тыс. лет до 2,5-3,5 млн лет. В течение антропогена рельеф, климат, растительный и животный мир приняли современный облик. С антропогеном связывают становление и развитие человека.

   Люди  стали выращивать культурные  растения и домашних животных, т.е. своим трудом преобразовывать  живую природу. Особое внимание  уделялось выбору лучших сортов культурных растений и лучших пород животных – их селекции. Селекция растений поставлена на естественнонаучную основу только в прошлом столетии благодаря трудам российского ученого Н.И. Вавилова(1887-1943), разработавшего учение о происхождении культурных растений.(3)стр.247-248.

Заключение

В проделанной  работе я постаралась ответить на такие вопросы как происхождение жизни на земле, отличие живого от неживого, теорию эволюции Ч. Дарвина и т.д. Эволюция всего живого продолжается и в настоящее время. Возрастающая активнось человека и его крупномасштабное вторжение в природные процессы порождают новые проблемы, которые можно решить лишь при условии , что сам человек возьмет на себя заботу о сохранении и развитии биосферы. Будущее биосферы- это ноосфера, т.е. сфера разума, и только в ней человек сумеет направить эволюцию всего живого в такое русло, в котором наша планета станет еще прекраснее и богаче.