Первым шагом на пути возникновения жизни на Земле стал небиологический (абиогенный) синтез органических молекул из неорганических

Задание № 1

Тема 37. Гипотезы возникновения жизни на Земле

1.Прочитайте ниже изложенный учебный материал.

2.Ответьте на вопросы самоконтроля.

Из главных теорий возникновения жизни на Земле следует упомянуть следующие:

1)жизнь была создана сверхъестественным существом в определенное время – креационизм;

2)жизнь возникла многократно из неживой материи в процессе самопроизвольного зарождения;

3)жизнь существовала всегда – теория стационарного состояния;

4)жизнь была занесена на нашу планету из вне – теория панспермии.

5)жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся законам химии и физики- теория биохимической эволюции.

Теория креационизма.

Согласно этой теории, жизнь возникла в результате какого-то сверхъестественного события в прошлом; такого взгляда придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религиозных учений.

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. Это означает, что логически не может быть противоречия между научным и богословским объяснением сотворения мира, так как эти две сферы мышления взаимно исключают друг друга. Процесс божественного сотворения мира мыслиться как имевший место лишь единожды и потому недоступный наблюдению; этого достаточно, чтобы вынести всю концепцию божественного творения за рамки научного исследования. Наука занимается только теми явлениями, которые поддаются наблюдению, а поэтому она никогда не сможет ни доказать, ни опровергнуть эту концепцию.

Теория самопроизвольного зарождения жизни.

Аристотель придерживался теории самопроизвольного зарождения жизни. На основе собственных наблюдений он развивал эту теорию дальше, связывая все организмы в непрерывный ряд – «лестницу природы»

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 признавали лишь те, кто верил кто верил в колдовство и поклонялся нечистой силе, но это идея все же продолжала существовать на заднем плане в течение еще многих веков.

Ван Гельмонт (1579-1644), весьма знаменитый и удачливый ученый, описал эксперимент, в котором якобы он за три недели создал мышей. Для этого он использовал грязную рубашку, темный шкаф и горсть пшеницы. Активным началом в процессе зарождения мыши он считал человеческий пот.

Против теории самозарождения выступил итальянский биологи и врач Франческо Реди. Положив мясо в закрытый сосуд, Реди показал, что в гнилом мясе личинки мясных мух самозародится не могут. В ответ на результаты этого опыта сторонники теории самозарождения ответили утверждением, что самозарождение личинок не произошло по той причине, что в закрытый сосуд не было необходимого притока свежего воздуха. Тогда Реди поставил (1668г) гениальный по своей простоте опыт. Он поместил кусочки мяса в несколько глубоких сосудов. Часть из них оставил открытыми, а часть прикрыл тканью. Через некоторое время в открытых сосудах мясо кишело личинками мух, тогда как в сосудах, накрытых тканью, в гнилом мясе никаких личинок не было. Опыт Реди произвел большое впечатление на его современников.

В ХIII в. теорию самозарождения жизни защищали математик и философ Лейбниц, натуралист Бюффон, аббат Нидгэм. Они утверждали, что в живых организмах существует особая «жизненная сила». По мнению виталистов (так называют сторонников гипотезы «жизненной силы»; «вита»- жизнь, лат.), «жизненная сила» постоянно присутствует всюду. Достаточно лишь в неживое «вдохнуть жизненную силу», и оно станет живым.

Французская Академия наук в 1859г. назначила специальную премию за попытку осветить по новому вопрос о самопроизвольном зарождении. Эту премию в 1862г. получил знаменитый французский ученый Луи Пастер.

Л. Пастер провел эксперимент, соперничавший по простоте со знаменитым опытом Реди. Он прокипятил в колбе различные питательные среды, в которых могли развиваться микроорганизмы. При длительном кипячении в колбе погибали не только микроорганизмы, но их споры. Помня об утверждении виталистов, что мифическая «жизненная сила» не может проникнуть в запаянную колбу, Пастер присоединил к ней S – образную трубку со свободным концом. С поры микроорганизмов оседали на поверхности тонкой изогнутой трубки и не могли проникнуть в питательную среду. Хорошо прокипяченная питательная среда оставалась стерильной, в ней не наблюдалось самозарождения микроорганизмов, хотя доступ воздуха (а с ним и пресловутой «жизненной силы») был обеспечен. Пастер своими опытами доказал невозможность самопроизвольного зарождения жизни.

Однако подтверждение теории биогенеза породило другую проблему. Коль скоро появление каждого нового живого организма требует наличия другого живого организма, то откуда взялся самый первый живой организм?

Теория стационарного состояния.

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

Согласно этой теории, виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности – 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 виды, и приводят в качестве примера представителя кистеперых рыб – латимерию. По палеонтологическим данным, кистеперые вымерли в конце мелового периода, 70 млн. Лет назад. Однако это заключение пришлось пересмотреть, когда в районе Мадагаскара были найдены живые представители кистеперых. Сторонники теории стационарного состояния утверждают, что, только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми останками, можно делать вывод о вымирании, хотя и в таких случаях велика вероятность, что он окажется неверным.

Теория панспермии.

Основываясь на опытах Пастера, доказавшего невозможность самозарождения жизни, известный немецкий химик Либих выдвинул теорию панспермии (панспермия – всеобщность распространения в космосе «семян жизни», пан - греческая приставка, обозначающая «общность», сперма (греч)- семя). Согласно этой теории жизнь существует вечно и переносится с планеты на планету при помощи метеоритов. Простейшие организмы или их споры («семена жизни»), попадая на новую планету и найдя здесь благоприятные условия, размножаются, давая начало эволюции от простейших форм к сложным.

Теория панспермии утверждает, что жизнь могла возникнуть один или несколько раз в разное время в разных частях нашей Галактики или вселенной. Для обоснования этой теории используются многократные появления НЛО, наскальные изображения конструкций, похожих на ракеты «космонавтов», а также сообщения о встрече с инопланетянами. Российские и американские исследования, проводимые в космосе, пока не обнаружили жизнь в пределах нашей Солнечной системы, однако они ничего не говорят о возможности жизни вне этой системы. При изучении метеоритов и комет в них были обнаружены многие органические вещества, например цианогены и синильная кислота, которые, возможно сыграли роль «семян», падавших на бесплодную Землю. Появился ряд сообщений о нахождении в метеоритах объектов, напоминающих примитивные формы жизни на Земле, а в 1996г. американские ученые обнаружили организмы, похожие на бактерий, в камне с Марса (хотя они не считают, что жизнь пришла на Землю с Марса). В любом случае необходимы дальнейшие исследования.

Теория биохимической эволюции.

Среди астрономов, геологов и биологов принято считать, что возраст Земли составляет примерно 4,5-5,0 млрд. лет.

Земля возникла при конденсации космического вещества из первичного протопланетного газопылевого облака. С тех пор за счет выпадения космической пыли и метеоритов масса Земли увеличилась. Растет масса Земли за счет выпадения космических тел и сейчас.

Постепенное уплотнение первичного холодного пылевого облака привело к вторичному его разогреванию. Считается, что этот разогрев привел к расплавлению всей массы Земли. Постепенное вторичное охлаждение поверхностных слоев протопланеты привело к образованию твердой оболочки – земной коры. Возраст древнейших участков земной коры оценивается в 3600-3800 млн. лет, а само начало образования коры относится к периоду времени, отстоящему от современности на 4000 млн. лет. Поверхность планеты была, вероятно, обнаженной и неровной, так как на ней в результате вулканической активности, непрерывных подвижек коры и сжатия, вызванного охлаждением, происходило образование складок и разрывов. Вещества Земли на этой стадии ее развития вступали между собой в химические реакции, скорость которых увеличивалась с повышением температуры. Среди продуктов реакций было много газов. Под громадным давлением они вырывались на поверхность Земли и образовали первичную атмосферу. Состав ее, возможно, был сходен с составом газов, выделяющихся из действующих в наше время вулканов. В них содержится много водяного пара, углекислого газа, угарного газа, сероводорода, аммиака, метана. Молекулярного кислорода здесь почти нет: этот активный элемент окисляет различные вещества и не достигает поверхности Земли. Молекулярного азота в первичной атмосфере Земли, также, по-видимому, не было. Он образовался позже в результате окисления аммиака кислородом.

После того как температура на поверхности Земли стала ниже 100⁰С, начались проливные дожди. Они шли тысячелетия, вода наполняла впадины на земной поверхности, образовались моря и океаны. В горячей дождевой воде растворялись аммиак, углекислый газ, метан, синильная кислота из атмосферы, а также соли и другие вещества, вымываемые из поверхностных слоев Земли.

В ту далекую эпоху Солнце светило ярче и представлял мощный источник энергии. Грозы были часты и необычны по своей силе, и в поверхность Земли ударяли молнии. В таких случаях между веществами, растворенными в первобытном океане, неизбежно должны были происходить химические реакции, в результате которых могли образоваться органические соединения.

Американский ученый С. Миллер (1955г.) и советские ученые А.Г. Пасынский и Т.Е. Павловская экспериментально доказали образование сложных органических веществ из веществ, которые могли находится в водах первобытного океана, под влиянием электрических разрядов и ультрафиолетового излучения. Миллер, пропуская электрические разряды напряжением до 60 000 В через смесь метана, аммиака. Водорода и паров воды под давлением в несколько Паскалей при температуре 80⁰С, получил простейшие жирные кислоты, мочевину, уксусную и муравьиную кислоты и несколько аминокислот, в том числе глицин и аланин, а аминокислоты – это те «кирпичики», из которых построены молекулы белков.

Таким образом, на Земле в древнюю эпоху могло происходить образование органических соединений из неорганических. Молекулы органических веществ вступали во взаимодействие друг с другом и образовывали более сложные соединения. В течение миллионов лет возникали и разрушались бесчисленные варианты новых соединений, среди которых могли быть углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты.

Органические вещества накапливались в воде первобытного океана. Они находились там вначале в виде очень разбавленного раствора. Но для жизни характерно не однородное распределение вещества, а сгущение его и образование индивидуальных, обособленных от внешней среды систем – организмов.

Вторым шагом на пути возникновения жизни на Земле был процесс концентрирования органических веществ. В 1924г. известный биохимик А.И. Опарин высказал предположение о том, что средой возникновения жизни могли быть прибрежные районы морей и океанов. Здесь, на стыке моря, суши и воздуха, создавались благоприятные условия для образования сложных органических соединений. Например, растворы некоторых органических веществ (сахаров, спиртов) обладают большой устойчивостью и могут существовать неограниченно долгое время. Причем высокомолекулярные соединения способны самопроизвольно концентрироваться и образовывать так называемые коацерваты. Явление коацервации состоит в том, что при некоторых условиях (например, в присутствии электролитов) высокомолекулярные вещества отделяются от раствора, но не в форме осадка, а в виде более концентрированного раствора, который называется коацерватом. При встряхивании коацервата он разбивается на мелкие капельки.

Исследования А.И. Опарина показали, что капельки коацервата способны поглощать из окружающего раствора различные вещества. Это напоминает процесс питания. В результате поглощения веществ капельки коацервата увеличиваются в размерах. Внешне это сходно с процессом роста. Можно подобрать такие условия опыта, при которых вещества, поглощенные коацерватом, будут вступать между собой в реакции, а продукты этой реакции выделяться из коацервата в окружающую среду. Это похоже на процесс выделения из клетки продуктов обмена веществ. По мнению А.И. Опарина, между капельками коацервата происходит даже нечто напоминающее борьбу за существование, в результате которой в целости остаются капельки более устойчивые, более приспособленные к окружающей среде.

Однако коацерваты – это еще не живые существа, так как, в них отсутствует главный признак живого организма – способность к самовоспроизведению молекул, входящих в их состав. Поэтому возникновение коацерватов рассматривают как стадию преджизни.

Важнейшей ступенью к жизни явилось возникновение молекул, способных к самовоспроизведению. Коацерваты претерпели очень длительный отбор на устойчивость структуры. Устойчивость была достигнута вследствие создания ферментов, контролирующих синтез тех или иных соединений. Возникновение механизма воспроизведения себе подобных и наследования свойств предыдущих поколений стало возможным благодаря образованию сложных комплексов нуклеиновых кислот и белков. Нуклеиновые кислоты, способные к самовоспроизведению, стали контролировать синтез белков, определяя в них порядок аминокислот. А белки-ферменты осуществляли процесс создания новых копий нуклеиновых кислот. Так возникло главное свойство живого – способность к воспроизведению подобных себе молекул.

Живые существа представляют собой так называемые открытые системы, т.е. системы, в которые энергия поступает извне. Без поступления энергии жизнь существовать не может. Очевидно, первые организмы были гетеротрофами, так как использовали уже готовые органические вещества. По мере размножения организмов запасы органических веществ в первичном океане иссякали, а синтез новых не поспевал за потребностью. Началась борьба за пищу, в которой выживали более активные. Случайно приобретенные в результате наследственных изменений полезных в данных условиях признаки закреплялись отбором. По–видимому, именно так в процессе исторического развития произошло превращение первичных организмов в современную клетку: образовалась защитная оболочка вокруг нуклеиновой кислоты у вирусов и возник слой цитоплазмы вокруг ядра, образовалась наружная мембрана и т.д.

Крупным шагом на пути эволюции жизни было возникновение автотрофного питания. В условиях все уменьшающихся запасов органических веществ у некоторых организмов возникла способность к самостоятельному синтезу органических веществ из простых неорганических веществ окружающей среды. Энергию необходимую для такого синтеза, некоторые организмы стали освобождать путем простейших химических реакций окисления и восстановления. Так возник хемосинтез.

Особенно крупным прогрессивным изменением тира ароморфоза было возникновение фотосинтеза, которое оказало громадное влияние на дальнейшую эволюцию жизни. В период возникновения жизни, как в атмосфере, так и в океане не осталось свободного кислорода: этот активный элемент был связан другими элементами и находился в составе различных неорганических веществ. Поэтому первоначально организмы получали энергию путем бескислородных реакций органических веществ. Этот путь получения энергии малоэффективен и требует большого количества пищи. С развитием фотосинтеза и появлением в атмосфере и воде свободного кислорода возник новый путь освобождения энергии – кислородный путь расщепления, который примерно в 20 раз эффективнее бескислородного.

Земля в период возникновения на ней жизни подвергалась интенсивному воздействию излучения Солнца, которое губительно для всего живого. Поэтому жизнь первоначально была возможна только в океане. По мере развития растений происходило накопление кислорода в атмосфере, часть его превращалась в озон, обладающий способностью интенсивно поглощать ультрафиолетовое излучение. В результате стала возможна жизнь на суше. Жизнь «вышла» из воды и распространилась по всей поверхности Земли.

Возможно ли возникновение жизни на Земле сейчас? По-видимому, невозможно, 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.

В наше время живые тела возникают только биологическим путем, т.е. в процесс размножения подобных себе существ.