Теории возникновения жизни на Земле

Лекция № Происхождение и начальные этапы

Развития жизни на Земле.

Уважаемые студенты!

Вы получили задание 4 по биологии.

1. Перепишите кратко в тетрадь материал лекции.

2. Выполните задание в конце лекции. Ответы присылайте на электронную почту mazanova.ira2015@yandex.ru в файле Word, указав фамилию, имя и группу до 27 мая!!!

Теории возникновения жизни на Земле

Как возникла жизнь на Земле? Происхождение жизни на Земле является одной из важнейших проблем естествознания. На протяжении десятков веков менялись взгляды на проблему жизни, высказывались разные идеи, гипотезы и концепции. Некоторые из них получили широкое распространение в разные периоды истории развития естествознания. В настоящее время существует шесть гипотез возникновения жизни:

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

2) жизнь возникала неоднократно из неживого вещества (самопроизвольное зарождение).

3) жизнь существовала всегда (теория стационарного состояния);

4) жизнь занесена на нашу планету извне (панспермия);

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

6) жизнь возникла постепенно в 4 этапа (теория биопоэза)

1. Креационизм. В 1650 году архиепископ Ашер из г. Арма (Ирландия) вычислил, что Бог сотворил мир в октябре 4004 г. до н. э. и закончил свой труд 23 октября в 9 часов утра, создав человека. Ашер получил эту дату, сложив возраст всех людей, упоминающихся в Библейской генеалогии, от Адама до Христа ("кто кого родил"). С точки зрения арифметики, это разумно, однако при этом получается, что Адам жил в то время, когда, как показывают археологические находки, на Ближнем Востоке уже существовала хорошо развитая городская цивилизация.

Согласно этой теории жизнь возникла в результате какого-то сверхъестественного события в прошлом; ее придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религиозных учений. Процесс божественного сотворения мира считается произошедшим однократно и поэтому недоступен для наблюдения; этого достаточно, чтобы вынести всю концепцию божественного сотворения за рамки научного обсуждения. Наука занимается только теми явлениями, которые поддаются наблюдению, и поэтому она никогда не сможет ни опровергнуть, ни доказать эту концепцию.

2. Теория спонтанного зарождения. Эта теория была распространена в древнем Китае, Вавилоне и Египте как альтернатива креационизму, с которым она сосуществовала.

Аристотель ( 384 – 322 до н. э.), которого часто называют основателем биологии, придерживался теории спонтанного зарождения из неживого вещества. Согласно его гипотезе, определенные “частицы” вещества содержат некое “активное начало”, которое при подходящих условиях может создать живой организм. Например, лягушки и насекомые при определенных условиях заводятся в сырой почве. Аристотель был прав, полагая, что это начало содержится в оплодотворенном яйце, но ошибочно считал, что оно есть в солнечном свете, тине и гниющем мясе.

В 1688 г. итальянский биолог и врач Франческо Реди подверг сомнению теорию спонтанного зарождения. Проведя ряд экспериментов, с открытыми и закрытыми сосудами, он получил данные, подтверждающие мысль о том, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (концепция биогенеза), провозгласив знаменитый принцип - “все живое – от живого”. Реди проделал серию оригинальных опытов. Он накрывал сосуды с мясом кисеей, чтобы на него не могли садиться мухи. На его поверхности так и не появились личинки мясных мух. Отсюда Реди сделал вывод, что личинки появлялись не сами по себе, а из отложенных мухами яиц. Это доказывало невозможность самозарождения насекомых.

В 1765 году Ладзаро Спалланцани провёл 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 уже живое не могло возникнуть.

В 1860 г. проблемой происхождения жизни занялся Луи Пастер, который к 2 этому времени уже многое сделать в микробиологии. Опыты Пастера были просты и гениальны. Прокипятив сосуды с питательными средами, в результате чего погибли бактерии и их споры, Пастер, помня о доводах виталистов, не стал запаивать сосуды, а соединил их с наружной средой длинными извитыми трубками. Проникшие сюда споры оседали на стенках длинных изогнутых трубок и не заражали питательную среду, которая оставалась стерильной.

Если для возникновения живого организма необходим другой живой организм, то откуда же взялся самый первый живой организм? Было ли это первичным самозарождением?

3. Теория стационарного состояния. Гипотеза стационарного состояния была выдвинута немецким учёным В. Прейером в 1880 г. Взгляды Прейера поддерживал академик Владимир Иванович Вернадский, автор учения о биосфере. Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно, она всегда способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень мало. Виды также существовали всегда. Сторонники этой теории не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводят в качестве примера представителя кистеперых рыб – латимерию. Они утверждают, что только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми остатками, можно делать вывод о вымирании, да и в этом случае весьма вероятно, что он окажется неверным. Используя палеонтологические данные для подтверждения теории стационарного состояния, ее немногочисленные сторонники интерпретируют появление ископаемых остатков в экологическом аспекте (увеличение численности, миграции в места благоприятные для сохранения остатков и т. п.). Большая часть доводов в пользу этой теории связана с такими неясными аспектами эволюции, как значение разрывов в палеонтологической летописи, и она наиболее подробно разработана именно в этом направлении.

4. Теория панспермии. Впервые гипотеза, утверждающая космический посев жизни на Земле была высказана греческим философом Анаксагором в V веке до нашей эры. В 1865 г. немецкий ученый Г.Рихтер (1818— 1876) предложил гипотезу панспермии. Окончательно она была сформулирована в 1895 г. шведским ученым С.Аррениусом (1859—1927). Также гипотезу поддерживали такие знаменитые физики, как Герман ван Гельмгольц и Уильям Томпсон, называвшийся позже лордом Кельвином. Эта теория не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, а выдвигает идею о ее внеземном происхождении. Поэтому ее нельзя считать теорией возникновения жизни как таковой; она просто переносит проблему в какое-то другое место Вселенной. Теория панспермии утверждает, что жизнь могла возникнуть один или несколько раз в разное время в разных частях Галактики или Вселенной. Для обоснования этой теории используются многократные появления НЛО, наскальные изображения предметов, похожих на ракеты и “космонавтов”, а также сообщения встречах с инопланетянами. При изучении материалов метеоритов и комет в них были обнаружены многие “предшественники живого” – такие вещества, как цианогены, синильная кислота и органические соединения, возможно сыгравшие роль “семян”, падавших на голую Землю. Появился ряд сообщений о нахождении в метеоритах объектов, напоминающих примитивные формы жизни, однако доводы в пользу их биологической природы пока не кажутся ученым убедительными.

5. Биохимическая эволюция. В современном естествознании наиболее обоснованной считается теория абиогенного происхождения жизни, 3 выдвинутая в 1923 г. российским биохимиком А.И. Опариным. Основной идеей этой теории было обоснование того, что зарождение жизни – это длительный процесс зарождения живой материи в недрах неживой.

Согласно гипотезе химической эволюции, изложенной А. И.Опариным в монографии «Происхождение жизни», жизнь, по-видимому, возникла на границе моря, суши и воздуха. Примерно 4 —4,5 млрд лет назад в атмосфере молодой Земли, состоящей из аммиака, метана и паров углекислоты, под действием мощных электрических разрядов могли возникнуть простейшие органические соединения. В растворах белков и нуклеиновых кислот, в так называемом «первичном бульоне», могли возникнуть своеобразные сгустки химических соединений, названные коацерватами.

Несмотря на то что коацерваты способны адсорбировать различные вещества, расти и обмениваться веществами с окружающей средой, их еще нельзя считать живыми существами. Возникновение коацерватов рассматривают обычно как стадию преджизни. В дальнейшем в результате длительного сложные ферментативные системы, контролирующие процессы синтеза, что обеспечило устойчивость всей структуры. Таким образом, сформировались сложные комплексы нуклеиновых кислот и белков. Нуклеиновые кислоты, способные к воспроизведению, стали контролировать синтез белков, определяя в них порядок аминокислот. В результате сформировался механизм воспроизведения себе подобных и наследования свойств. Так возникло главное свойство живого вещества — способность к воспроизведению подобных себе молекул. Предполагается, что первые организмы были анаэробными гетеротрофами, т.е. получали энергию путем бескислородного расщепления органических соединений. В то время на Земле еще не было свободного кислорода.

6.Современная теория возникновения жизни на Земле, называемая теорией биопоэза, была сформулирована в 1947 г. английским физиком Дж. Берналом (1901 — 1971).

Процесс становления жизни условно разделяют на четыре этапа:

Синтез низкомолекулярных органических (биологических мономеров) из газов первичной атмосферы; образование биологических полимеров; формирование систем органических веществ, отделенных от внешней среды мембранами (пробионтов); возникновение простейших клеток, обладающих живого, в том числе репродуктивным аппаратом, обеспечивающим передачу дочерним клеткам свойств клеток родительских.

 Первые три этапа относят к периоду химической эволюции, а с четвертого начинается эволюция биологическая. Согласно современным представлениям, возраст Земли составляет 4,5—4,6 млрд лет (по некоторым данным, 7 млрд лет). Температура ее поверхности была очень высокой — 4000 —8000 °С (по другим данным, 1000°С, т.е. температура раскаленной лавы), и по мере остывания планеты и действия гравитационных сил происходило образование земной коры из соединений различных элементов.

Первый этап возникновения жизни характеризовался процессами

дегазации, которые привели к созданию атмосферы, обогащенной,

возможно, азотом, аммиаком, парами воды, углекислым и угарным

газами. При этом в атмосфере имелись атомы водорода, углерода, кислорода и азота, составляющие 99 % атомов, входящих в мягкие ткани любого живого организма. Чтобы атомы превратились в сложные молекулы, нужна была дополнительная энергия, которая имелась на как результат вулканической деятельности, электрических грозовых разрядов, радиоактивности, ультрафиолетового излучения Солнца. Отсутствие свободного кислорода было, вероятно, необходимым условием для возникновения жизни. Если бы свободный кислород присутствовал на Земле в добиотический период, то, с одной стороны, он окислял бы синтезирующиеся органические вещества, а с другой — образуя озоновый слой в верхних горизонтах атмосферы, поглощал бы высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение Солнца.

В рассматриваемый период возникновения жизни, длившийся примерно 1000

млн лет, ультрафиолет был, вероятно, основным источником энергии для синтеза органических веществ. Из водорода, азота и соединений углерода при наличии свободной энергии на Земле должны были возникать сначала простые молекулы (аммиак, метан и подобные простые соединения), которые в дальнейшем в первичном океане могли вступать в реакции между собой и с другими веществами, образуя новые соединения.

Второй этап состоял в дальнейших превращениях органических веществ и образовании абиогенным путем более сложных органических соединений, в том числе биологических полимеров. Американский химик С. Фокс составлял смеси аминокислот, подвергал их нагреву и получал протеиноподобные вещества. В небольших углублениях в застывающей лаве возникали водоемы, содержащие растворенные в иоде аминокислоты. Когда вода испарялась или выплескивалась на горячие камни, аминокислоты вступали в реакцию, образуя протеноиды. Если некоторые из этих протеноидов обладали каталитической активностью, то мог начаться синтез полимеров, т.е. белковоподобных молекул.

Третий этап характеризовался выделением в первичном «питательном бульоне» особых коацерватных капель, представляющих собой группы полимерных соединений. Коацерватные капли обладают некоторыми свойствами, характерными и для живой протоплазмы, например способностью избирательно адсорбировать вещества из окружающего раствора и за счет этого «расти», увеличивать свои размеры. Поскольку концентрация веществ в коацерватных каплях была в десятки раз больше, чем в окружающем растворе, возможность взаимодействия между отдельными молекулами значительно возрастала. Гидрофильные части молекул, расположенные на границе между коацерватами и раствором, поворачиваются в сторону раствора, где содержание воды больше. Гидрофобные части ориентируются внутрь коацерватов, где концентрация воды меньше. В результате поверхность коацерватов приобретает определенную структуру и в связи с этим свойство пропускать в определенном направлении одни вещества и не пропускать другие. Благодаря этому свойству концентрация некоторых веществ внутри коацерватов еще больше возрастает, других уменьшается и реакции между компонентами коацерватов приобретают определенную направленность.

Коацерватные капли становятся системами, обособленными от среды. Возникают протоклетки, или протобионты. Важным этапом химической эволюции явилось образование мембранной структуры. Параллельно с появлением мембраны шло упорядочение и усовершенствование метаболизма. Одним из основных признаков живого является способность к репликации, т.е. созданию копий, не отличаемых от материнских молекул. Таким свойством обладают нуклеиновые кислоты, которые в отличие от белков способны к репликации. В коацерватах мог образовываться протеноид, способный катализировать полимеризацию нуклеотидов с образованием коротких цепочек РНК. Эти цепочки могли выполнять роль как примитивного гена, так и Информационной РНК. Уже на стадии формирования протобионтов происходил, вероятно, естественный отбор. Появление структур, способных к самовоспроизведению, репликации, изменчивости, определяет, по-видимому, четвертый этап становления жизни.

Итак, в позднем архее (приблизительно 3,5 млрд лет назад) на небольших водоемов или мелководных, теплых и богатых питательными веществами морей возникли первые примитивные живые организмы, которые по типу питания были гетеротрофами. Способом обмена веществ им служило, вероятно, брожение. Часть энергии, выделяемой в этих процессах, запасается в виде АТФ. Возможно, некоторые организмы для жизненных процессов использовали энергию окислительно-восстановительных реакций, т.е. были хемосинтетиками. Со временем происходило уменьшение запасов свободной органики в окружающей среде и преимущество получили организмы, способные синтезировать органические соединения из неорганических. Таким путем, вероятно, около 2 млрд лет назад возникли фототрофные организмы типа цианобактерий. Переход автотрофному питанию имел большое значение для эволюции жизни на Земле. При этом атмосфера стала приобретать окислительный характер. Появление озонового экрана защитило первичные организмы от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей и положило конец абиогенному (небиологическому) синтезу органических веществ.