Основные естественнонаучные концепции происхождения жизни на земле. Сравнительная характеристика

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное агентство  по образованию

 

Государственное образовательное учреждение высшего 

профессионального образования

” Волгоградский государственный  педагогический университет”

 

Реферат

по дисциплине

”Концепция современного естествознания ”

на тему:

”Основные естественнонаучные концепции происхождения жизни на земле. Сравнительная характеристикаˮ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                     Выполнила:

студентка гр. С-211

Полякова Анна

 

 

 

 

 

Волгоград

2009

 

 

                                            Содержание:

 

                                                                                                                                     Стр.

Введение...................................................................................................................... 3-4

Развитие представлений о происхождении жизни.

    1. Отличие живого от неживого............................................................................ 4-8

    2. Естественнонаучные модели происхождения жизни…………………...……8-9

• Креационизм…………………………………………………………… 9-10
• Концепция стационарного состояния………………………………. 10-11
• Концепция самопроизвольного (спонтанного) зарождения жизни.. 11-12
• Концепция панспермии……………………...………………………. 12-15
• Концепция случайного однократного происхождения жизни……..15-16
• Концепция биохимической эволюции. Теория А.И. Опарина……. 16-23

Сравнительная характеристика............................................................................. 23-24

Список литературы.......................................................................................................25 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Одним из наиболее трудных  и в то же время актуальных и  интересных в современном естествознании является вопрос о происхождении жизни. Жизнь — одно из сложнейших, если не самое сложное явление природы. Для нее особенно характерны обмен веществ и самовоспроизведение, а особенности более высоких уровней ее организации обусловлены строением более низких уровней. Живые существа — это естественные информационные системы, т. е. системы, существующие сами по себе, а не в результате построения или составленной кем-то программы. [2]

Естествознание же всегда оказывало значительное воздействие на развитие гуманитарных наук. Особенно мощным это воздействие стало сейчас - в эпоху научно-технической революции. Изучение естествознания способствует выработке ориентиров, установок, ценностей рационализаторского отношения к миру, природе, обществу, человеку. Это очень важно именно в наше время, когда накатывается новая очередная историческая волна мифологизации культуры, массовое сознание реформируется, в нём всё чаще ставятся под сомнение достижения, ценности и возможности научного познания мира, когда происходит всплеск интереса к мистицизму, расцвет оккультизма, магии, астрологии; когда бегство от материализма к мистике, от науки к мифу стало модой. В этих условиях приобретает особую значимость утверждение идеалов научнорационализаторского отношения к действительности, на которых построена вся наша цивилизация.

Жизнь на Земле чрезвычайно  многообразна. Она представлена ядерными и доядерными одно- и многоклеточными существами. Богатейший мир многоклеточных представлен тремя царствами - грибами, растениями и животными. Одним из наиболее трудных и в то же 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. 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. [5]

 

Развитие представлений о происхождении жизни:

Отличие живого от неживого

Отличие живого от неживого заключается в нескольких фундаментальных направлениях: вещественном, структурном и функциональном планах его изучения. В вещественном плане в состав живого обязательно входят высокоупорядоченные макромолекулярные органические соединения, называемые биополимерами, — белки, нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). В структурном плане живое отличается от неживого клеточным строением. В функциональном плане для живых тел характерно воспроизводство самих себя, вернее самовоспроизводство.

Живые тела отличаются от неживых также наличием обмена веществ, способностью к росту и развитию, активной регуляцией своего состава  и функций, способностью к движению, раздражимостью, приспособленностью к  среде и т. д. Неотъемлемой частью живого является наличие воды, солей и т.д. Также и для возникновения жизни нужны определённые диапазоны температур, влажности, давления, уровня радиации и время. «В некотором смысле живые системы можно сравнить с хорошо налаженным производством: с одной стороны, они являются вместилищем многочисленных химических превращений, с другой - демонстрируют великолепную пространственно-временную организацию с весьма неравномерным распределением биохимического материала» [12]

    Возникновение  жизни явилось результатом процессов, протекавших сначала миллиарды лет во Вселенной, а затем миллионы лет на Земле. От неорганических соединений к органическим, от органических к биологическим - таковы последовательные стадии, по которым осуществляется процесс зарождения жизни. «Специфичность жизни, отличие живых систем от неорганического мира хорошо видны с точки зрения химии. В живых системах протекает множество отдельных химических реакций ..., многие из которых давно и хорошо изучены. Для живого специфичен определённый порядок этих реакций, их последовательность и объединение в целостную систему» [10]

 В сложном процессе  возникновения жизни на Земле  можно выделить несколько основных этапов :

1) образование простых  органических соединений;

Происхождение жизни  связано с протеканием определённых химических реакций на поверхности первичной планеты. На начальных этапах своей истории Земля представляла собой раскалённую планету. Вследствие вращения при постепенном снижении температуры в поверхностных слоях концентрировались атомы легких элементов, водорода, углерода, азота и т.д.), из которых и состоят тела живых организмов. При дальнейшем охлаждении Земли появились химические соединения: вода, метан, водород и др. Физические и химические свойства воды и углерода определили то, что именно они оказались у колыбели жизни. На Земле основой жизни является углерод, он способен создавать разнообразные, подвижные, низкоэлектропроводные, насыщенные водой, длинные цепеобразные структуры. Соединения углерода с водородом, кислородом, азотом и др. обладают каталитическими, строительными, энергетическими свойствами.                      

На  начальных этапах сложилась первичная атмосфера  Земли, которая носила не окислительный, как сейчас, а восстановительный характер. Первичная атмосфера содержала водород, соединения углерода (метан) и азота (аммиак). Отсутствие кислорода было вероятно необходимым условием возникновения жизни. Лабораторные опыты показывают, что органические вещества  легче создаются в восстановительной среде, чем в атмосфере. Дальнейшее   снижение температуры обусловило переход ряда газообразных соединений в жидкое и твёрдое состояние, а также образование земной коры.

Когда температура Земли  опустилась ниже 100 град. С, произошло  сгущение водяных паров. Длительные ливни привели к образованию больших водоёмов. В результате активной вулканической деятельности из внутренних слоёв Земли на поверхность выносилось много раскалённой массы, в т.ч. карбидов, которые вступали в химические реакции с растворёнными в воде веществами. Так на поверхности молодой планеты Земля в большом количестве накапливались простейшие органические соединения. А.И.Опарин полагал, что органические вещества могли создаваться и в океане из более простых соединений. Энергию для этих реакций синтеза доставляла солнечная радиация.

« Органический синтез осуществлялся  в период, предшествовавший образованию Солнечной системы и во время её образования, он имел место уже на том этапе, когда Земля ещё окончательно не сформировалась» [11].

Механизм отбора действовал на самых ранних стадиях зарождения органических веществ - из множества образующихся веществ сохранялись устойчивые к дальнейшему усложнению.

2) возникновение сложных органических соединений.

Благодаря высокой температуре, грозовым разрядам, усиленному ультрофиолетному  излучению, относительно простые молекулы органических соединений при взаимодействии с другими веществами усложнялись и образовывались углеводы, жиры, аминокислоты, белки, нуклеиновые кислоты. Возможность такого синтеза доказана опытами А.М.Бутлерова, который ещё в середине прошлого столетия получил из формальдегида - углеводы (сахар). А в 1953-1957 г.г. химиками различных стран в целом ряде экспериментов были синтезированы органические кислоты, в т.ч аминокислоты, которые являются материалом для образования белковых молекул.  Эксперименты в этом направлении оказались перспективными, совершенно определённо показали возможность образования белковых молекул в условиях отсутствия жизни.

С определённого этапа  в процессе химической эволюции на Земле, активное участие стал принимать кислород, с накоплением которого в атмосфере восстановленные соединения стали окисляться. При окислении метана образовывались метиловый спирт, формальдегид, муравьиная кислота и т.д., которые с дождевой водой попадали в первичный океан. Эти  вещества вступая  в реакции с аммиаком  и цианистым водородом, дали начало аминокислотам. Так воды первичного океана постепенно насыщались разнообразными органическими веществами, образуя «первичный бульон».

3) «первичный бульон»  и образование коацерватов

После того, как углеродистые соединения образовали « первичный  бульон», могли уже организоваться биополимеры - белки и нуклеиновые  кислоты, обладающие свойством самовоспроизводства себе подобных. В водах первичного океана концентрация органических веществ увеличивалась, происходило их смешивание, взаимодействие и объединение в мелкие обособленные структуры раствора. Эти структуры русский учёный А.И.Опарин назвал «коацерватными каплями или коацерватами». Коацерваты имеют достаточно сложную организацию и обладают рядом свойств, которые сближают их с простейшими живыми системами, способны поглощать из окружающей среды разные вещества и увеличиваться в размерах, в них могут происходить процессы распада и выделяться продукты распада). Однако всё это не даёт основания для отнесения их к живым системам, но  предпосылки живого уже содержались. [9]

К важным свойствам живых  систем относятся:

1) компактность;

2) способность создавать порядок из хаотического теплового движения молекул. Чем более сложно устроено живое вещество, тем более в нём скрытой энергии;

3) обмен с окружающей средой веществом, энергией, информацией;

4) жизнь качественно превосходит другие формы существования материи в плане многообразия и сложности химических компонентов и динамики протекающих в живом превращений;

5) в самоорганизации живых систем, схемы реакций просты, а молекулы - сложны;

6) у живых систем есть прошлое, у неживых его нет;

7) жизнь организма зависит от двух факторов - наследственности, определяемой генетическим аппаратом, и изменчивости, зависящей от условий окружающей среды и реакции на них индивида. Интересно, что сейчас жизнь не могла бы возникнуть из-за кислородной атмосферы и противодействия других организмов. Раз зародившись, жизнь находится в процессе постоянной эволюции;

8) способность к избыточному само производству. [4]

 

Естественнонаучные  модели происхождения жизни

 

«Загадка появления  жизни на Земле с незапамятных времен волнует людей. На протяжении веков менялись взгляды на эту  проблему, и было высказано большое  количество самых разнообразных гипотез и концепций. Некоторые из них получили широкое распространение и доминировали в те или иные периоды развития естествознания». [3]

К теориям (моделям) происхождения  жизни относят:

 - креационизм, утверждающий, что жизнь создана сверхъестественным существом в результате акта творения;

 - концепцию стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда;

 - концепцию самопроизвольного зарождения жизни, основывающуюся на идее многократного возникновения жизни из неживого вещества;

 - концепцию панспермии, утверждающую, что жизнь занесена на Землю из космоса;

 - концепцию случайного однократного происхождения жизни;

 - концепцию закономерного происхождения жизни путем биохимической эволюции.

Такое разнообразие взглядов вызвано тем обстоятельством, что точно воспроизвести или экспериментально подтвердить процесс зарождения жизни сегодня невозможно. Отмеченные теории преимущественно опираются на умозрительные представления как исследователей естественнонаучного направления, так и исследователей, придерживающихся теологических взглядов.

Итак, рассмотрим боле подробно вышеперечисленные модели происхождения  жизни.

Креационизм

Концепция креационизма имеет самую длинную историю, так как практически во всех религиях возникновение жизни рассматривается как акт Божественного творения человека и всего живого, свидетельством чего является наличие в живых организмах особой силы, которая управляет всеми биологическими процессами. Процесс божественного сотворения мира и живого недоступен для наблюдения, и божественный замысел недоступен человеческому пониманию. [6]

Данная теория, вероятней  всего, появилась первейшей из всех существующих. До Библии существовали также и другие литературные источники (Веды - брахманизм, Авеста - зороастризм), в которых описывался процесс сотворения всего живого Богом. Основой данной теории является вера в Бога (Абсолют, Высшее существо), который обладает неограниченной силой и возможностью сотворить любой материальный объект, будь то человек или какое-либо животное или предмет. [4]

Вопрос о продолжительности  творения мира точно не определен  в креационизме, т.к. В Библии сказано, что Бог сотворил мир в шесть  дней. В Библии говорится: «В начале сотворил Бог небо и землю». На пятый день Бог сказал: «Да произведет вода пресмыкающихся, душу живую и птицы да полетят над землею по тверди небесной». На шестой день: «И сотворил Бог человека по образу Своему…» (Бытие, 1:2-31). [1]

Некоторые христианские теологи верят, что это были обычные  дни по 24 часа. Другие считают, что это образное выражение и на самом деле каждый день творения занимал тысячу лет. Достоинством данной теории является ее универсальность. Все события в мире (не только зарождение жизни) трактуются, как Воля Бога, и человеку нет нужды задумываться над причинами, порождающими тот или иной процесс.

 Но во всех случаях  рассуждения о происхождении  жизни основаны только лишь  на вере в библейские откровения, сомневаться в которых нельзя. Научные же истины в соответствии с принципом фальсификации всегда подвергаются сомнению.

Таким образом, концепция  креационизма, по существу, научной  не является, ведь она возникла в  рамках религиозного мировоззрения. Она  утверждает, что жизнь такова, какова она есть, потому что такой ее сотворил Бог. Тем самым практически  снимается вопрос о научном решении проблемы происхождения жизни, так как все религии требуют принимать это положение на веру, без доказательств. Несмотря на эти факты, данная модель происхождения жизни на земле весьма популярна. [6]

 

Концепция стационарного состояния

Сторонники теории вечного  существования жизни считают, что  Земля никогда не возникала, а  существовала вечно, и вместе с ней  всегда существовали различные виды живого. Но при этом некоторые виды животных вымерли, некоторые изменились, а некоторые остались прежними. Большая часть аргументов в пользу этой теории основана на исследованиях палеонтологов, выявивших исчезновение некоторых видов животных в процессе эволюции, отсутствие следов переходных звеньев между разными видами живого и все более высокими оценками возраста Земли. Вследствие этого авторы и сторонники этой модели говорят, что жизнь на Земле никогда не возникала, а существовала всегда. В разные геологические эпохи менялись лишь формы жизни. Еще они полагают, что и различные виды животных существовали всегда, что у каждого вида есть лишь две возможности существования: изменение численности или вымирание. [4]

Но ученые на сегодняшний день доказывают теорию Большого Взрыва, согласно которой  наша Вселенная возникла из точки  – некоего сильно сжатого вещества, обладающего бесконечно большой энергетической емкостью. И в настоящий момент все космические тела нашей Вселенной равномерно удаляются от некоего центра, что подтверждается эффектом Доплера и обнаруженным реликтовым излучением звезд. Следовательно, теория Большого Взрыва опровергает концепцию бесконечного существования жизни во Вселенной, указывая примерный возраст Вселенной 15 млрд. лет. И поэтому жизнь не могла существовать бесконечно, в том числе и до начала Вселенной. [7]

Итак, рассмотрев теорию стационарного состояния, можно сделать вывод, что ее также нельзя отнести к естественнонаучным, потому что вопрос о происхождении жизни в ней принципиально не стоит: жизнь рассматривается как вечно существующая.

 

Концепция самопроизвольного (спонтанного) зарождения жизни

Данная концепция также  зародилась давно и долгое время  была единственной альтернативной креационизму. Демокрит (460-370 гг. до н.э.) и Эпикур (341-270 гг. до н.э.) считали, что возникновение живых существ – естественный процесс, результат природных сил. Согласно Аристотелю (384-322 гг. до н.э.), организмы могут происходить от организмов, но вместе с тем могут возникать и от неживой материи.[6]

 Идея о самопроизвольном  зарождении жизни появилась в  результате повседневных наблюдений  за тем, как в мусорных кучах, гниющих отбросах постоянно появляются личинки, черви, мухи. Поскольку о существовании микроорганизмов в те далекие времена не было ничего известно, то считалось, что все низшие организмы появляются путём самозарождения. Ученые Средневековья, например, допускали, что рыбы могли зародиться из ила, мыши — из грязи, мухи — из мяса и т.д. Подобных взглядов придерживались многие известные ученые (Аристотель, Парацельс, Коперник, Галилей, Декарт и др.), благодаря авторитету которых концепция самопроизвольного зарождения жизни смогла существовать так долго».

Однако начиная с XVII в. стали накапливаться данные, противоречащие такому пониманию происхождения жизни. [8]

«В 1765 году Ладзаро Спалланцани провел следующий опыт: подвергнув мясные и овощные отвары кипячению в течение нескольких часов, он сразу же их запечатал, после чего снял с огня. Исследовав жидкости через несколько дней, Спалланцани не обнаружил в них никаких признаков жизни. Из этого он сделал вывод, что высокая температура уничтожила все формы живых существ, и что без них ничто живое уже не могло возникнуть.

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, в  основе которых лежали методы Спалланцани, Пастер доказал справедливость теории биогенеза и окончательно опроверг теорию спонтанного зарождения». [13]

Концепция самозарождения жизни, несмотря на свою ошибочность, сыграла позитивную роль в развитии естествознания, поскольку  опыты, призванные подтвердить ее, помогли получить богатый эмпирический материал для развивающейся биологической науки.

 

Концепция панспермии

Практически одновременно с опытами Пастера немецким ученым Г. Рихтером была высказана гипотеза о занесении живых существ  на Землю из космоса, получившая позднее название концепции панспермии. Согласно этой гипотезе жизнь в виде «семян» широко распространена в космосе, откуда зародыши простых организмов могли попасть в земные условия вместе с метеоритами и космической пылью и дать начало эволюции всего живого, породив таким образом все многообразие земной жизни. То есть данная теория допускала возможность возникновения жизни в разное время в разных частях Галактики и перенесения ее на Землю тем или иным способом. Основную идею концепции панспермии разделяли крупнейшие ученые конца XIX в. У. Томсон (барон Кельвин), Г. Гельмгольц, В.И. Вернадский и др. [5]

Первое детальное рассмотрение данного процесса согласно Герману  Ван Гельмгольцу (1821-1894) предполагает, что во Вселенной существует много  миров, несущих жизнь. Они время  от времени разрушаются от столкновений с другими космическими телами и  их обломки, содержащие некоторое количество живых существ, рассеиваются в космическом пространстве. [6]

В 1908 году шведский химик С. Аррениус выдвинул схожую гипотезу происхождения  жизни из космоса. Он предположил, что  зародыши, из которых развивается  жизнь, всегда существуют в космическом пространстве, двигаясь там под влиянием световых лучей. Они могут оседать на поверхности планет, где потом из них развивается жизнь. Таким образом, Аррениус полагал, что жизнь на Земле возникла тогда, когда эти самые зародыши осели на ее поверхности.

Концепция панспермии была поддержана многими известными учеными, что способствовало ее широкому распространению. Довольно большое число сторонников  имеет эта концепция и в  наши дни. Так, американские астрономы, изучая газовую туманность, отстоящую от Земли на 25 тысяч световых лет, нашли в ее спектре следы аминокислот и других органических веществ. В начале 1980-х гг. американские исследователи обнаружили в Антарктиде осколок породы, выбитой когда-то с поверхности Марса крупным метеоритом. При помощи электронного микроскопа в этом камне были обнаружены окаменевшие останки микроорганизмов, похожие на земные бактерии. Это говорит о том, что в прошлом на Марсе существовала примитивная жизнь, может быть, она есть там и сейчас. [5]

Тем не менее, серьезных  аргументов в пользу концепции панспермии нет. При этом существуют серьезные доводы против нее. Дело в том, что, 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.

Косвенным подтверждением данной теории на данный момент являются исследования химического состава небесных тел, ежегодно падающих на Землю. В состав некоторых метеоритов входили простейшие аминокислоты.

Еще одну версию предлагает наука об изучении неопознанных летающих объектов – уфология. Если на данный момент человеческая цивилизация развивается эволюционным путем, то есть вероятность, что цивилизации неких разумных существ существовали (существуют) и до нас в других звездных системах. И при этом прогресс науки и техники у них мог уйти намного дальше, чем у нас. Соответственно и жизнь на нашей планете могла быть занесена извне некой внеземной цивилизацией. Несмотря на всю фантастичность данных положений, нельзя их отбрасывать на том основании, что это все плод воспаленного воображения законченных романтиков и ученые еще не получили ни одного подтверждения существования внеземного разума. Да и рассекреченные документы Пентагона, подтверждающие факт крушения некого иноземного аппарата в штате Невада и описывающие процесс изучения тел неких существ, найденных внутри корабля, фактически опровергают мнение об одиночестве человека во Вселенной.

Но было также много  противников данной теории, которые  пытались ее опровергнуть. «Так, А.И. Опарин показал, что эта теория, строго говоря, ничего не дает. Во всяком случае, она не имеет никакого отношения к происхождению жизни, ибо даже если удастся доказать, что жизнь была занесена на нашу планету извне, то это не освобождает нас от необходимости объяснить, как же она возникла изначально. Теория панспермии позволяет разрешить лишь проблему происхождения земной жизни, одновременно увеличивая сложность основной проблемы во много раз». [4]

 

Концепция случайного однократного происхождения жизни

В начале XX в. американский генетик Г. Меллер продолжил решение вопроса о происхождении жизни на земле. Он выдвинул гипотезу о случайном возникновении первичной молекулы живого вещества. Суть гипотезы заключается в предположении, что живая молекула, способная размножаться, могла возникнуть случайно в результате взаимодействия простейших веществ. Он считает, что элементарная единица наследственности - ген - является основой жизни. И жизнь в форме гена, по его мнению, возникла путем случайного сочетания атомных группировок и молекул, существовавших в водах первичного океана. Гипотеза случайного однократного появления жизни получила особенно широкое распространение среди генетиков после открытия роли ДНК в явлениях наследственности. [8]

Другая версия возникновения  жизни (Уильям Мартин из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе и Майкл Рассел из Центра изучения окружающей среды, Университет Шотландии, Глазго) предполагает, что первые живые организмы на Земле могли появиться внутри камней, выстилающих дно океана. Более 4 миллиардов лет назад крошечные полости внутри минералов могли выступить в роли клеток. Ключевой момент в этой теории - отложения сульфида железа. В горячих источниках на морском дне это соединение образует "соты" с ячейками шириной в несколько сотых миллиметра. Данная версия предполагает, что возникновение клетки предшествовало возникновению белков и самореплицирующихся молекул. С притоком горячей воды в ячейки попадают ионы аммония и монооксид углерода, сульфид железа выступает в роли одного из катализаторов синтеза органических веществ из неорганических. Простые соединения концентрировались в "камерах" из сульфида железа, что могло привести к возникновению сложных молекул - белков и нуклеиновых кислот. Мартин и Рассел предполагают, что живые организмы покинули каменные ячейки, когда научились сами строить клеточную стенку. [2]

Можно привести еще не одну версию концепции происхождения  жизни на нашей Земле в результате химических процессов. И данная концепция  получила наиболее полную аргументацию на сегодняшний день. Однако, все  доказательства, приводящиеся в пользу данной концепции, являются только косвенными. Никому еще не удалось синтезировать хотя бы одну живую клетку из каких бы там ни было сложных химических элементов. Также следует отметить, что у данной естественнонаучной концепции происхождения жизни на Земле в настоящее время практически нет сторонников. [3]

 

Концепция биохимической эволюции. Теория А.И. Опарина

В начале XX века ученые были убеждены в том, что между органическими и неорганическими соединениями не существует никакой взаимосвязи. Они полагали, что органические соединения могут возникать только в живом организме, биогенно. Именно поэтому их назвали органическими соединениями в противоположность веществам неживой природы — минералам, которые получили название неорганических соединений. Считалось, что природа неорганических веществ совершенно иная, а поэтому возникновение даже простейших организмов из неорганических веществ принципиально невозможно. Однако, после того как из обычных химических элементов было синтезировано первое органическое соединение, представление о двух разных сущностях органических и неорганических веществ оказалось несостоятельным. В результате этого открытия возникли органическая химия и биохимия, изучающие химические процессы в живых организмах.