Исследование возникновения жизни на Земле

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Образование простых и сложных органических соединений

2. “Первичный бульон” и образование коацерватов. Возникновение простейших форм живого

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Происхождение жизни - одна из трех важнейших мировоззренческих проблем, наряду с проблемой происхождения нашей Вселенной и проблемой происхождения человека и общества.

Попытки понять, как возникла и развивалась жизнь на Земле, появились у человека еще в глубокой древности. В античности сложились два противоположных подхода к решению этой проблемы. Первый, религиозно-идеалистический, исходил из того, что возникновение жизни не могло осуществиться естественным, объективным, закономерным образом на Земле; жизнь является следствием божественного творческого акта (креационизм) и потому всем существам свойственна особая, независимая от материального мира “жизненная сила” (vis vitalis), которая и направляет все процессы жизни (витализм).

Наряду с идеалистическим подходом, еще в древности сложился и материалистический подход к этой проблеме, в основе которого лежало представление о том, что живое может возникнуть из неживого, органическое из неорганического под влиянием естественных факторов. Так сложилась концепция самозарождения живого из неживого. Идея самозарождения приобрела широкое распространение во времена Средневековья и Возрождения, когда допускалась возможность самозарождения не только простых, но и довольно высокоорганизованных существ, даже млекопитающих (например, мышей из тряпок). Например, в трагедии В. Шекспира “Антоний и Клеопатра” Леонид говорит Марку Антонию: “Ваши египетские гады заводятся в грязи от лучей вашего египетского солнца. Вот, например, крокодил...”. Известны попытки Парацельса (1485-1540) разработать рецепты искусственного получения человека (гомункулуса).

Невозможность произвольного зарождения жизни была доказана целым рядом опытов. Итальянский ученый Ф. Реди (1626-1698) экспериментально доказал невозможность самозарождения сколько-нибудь сложных животных. Применение микроскопа в биологических исследованиях способствовало открытию большого разнообразия одноклеточных организмов. На этой основе вновь возродились старые идеи произвольного самозарождения простейших существ. Окончательно версия о самозарождении была развенчана Л. Пастером в середине XIX в. Пастер показал, что не только в запаянном сосуде, но и незакрытой колбе с длинной S - образной горловиной хорошо прокипяченный бульон остается стерильным, потому что в колбу через такую горловину не могут проникнуть микробы. Так было доказано, что в наше время какой бы то ни было новый организм может появиться только от другого живого существа.

Появление жизни на Земле пробовали объяснить занесением ее из других космических миров. В 1865 г. немецкий врач Г. Рихтер выдвинул гипотезу космозоев (космических зачатков), в соответствии с которой жизнь является вечной и зачатки, которые населяют мировое пространство, могут переноситься с одной планеты на другую. Эта гипотеза была поддержана многими выдающимися учеными ХIХ века - В. Томсоном, Г. Гельмгольцем и другими. Сходную гипотезу выдвинул в 1907 г. и известный шведский естествоиспытатель С. Аррениус. Его гипотеза получила название панспермии: во Вселенной вечно существуют зародыши жизни, которые движутся в космическом пространстве по давлением световых лучей; попадая в сферу притяжения планеты, они оседают на ее поверхности и закладывают на этой планете начало живого.

Сейчас уже определенно выяснено, что “азбука” живого сравнительно проста: в любом существе, живущем на Земле, присутствует 20 аминокислот, пять оснований, два углевода и один фосфат. Существование небольшого числа одних и тех же молекул во всех живых организмах убеждает нас, что все живое должно иметь единое происхождение.

Цель работы - исследование возникновения жизни на Земле.

1. Образование простых и сложных органических соединений

С позиций современного научного мировоззрения жизнь возникла из неживого вещества, т. е. произошла в результате эволюции материи, есть результат естественных процессов, происходивших во Вселенной. Жизнь - это свойство материи, которое ранее не существовало и появилось в особый момент истории нашей планеты Земля.

Возникновение жизни явилось результатом последовательных процессов, протекавших сначала миллиарды лет во Вселенной, а затем на Земле многие миллионы лет. От неорганических соединений к органическим, от органических - к биологическим - таковы последовательные стадии, по которым осуществлялся процесс зарождения жизни.

Возраст Земли исчисляется примерно в 5 млрд. лет. Жизнь существует на Земле, видимо, более 3,5 млрд. лет. Признаки деятельности живых организмов обнаружены многократно в докембрийских породах, рассеянных по всему земному шару.

В сложном процессе возникновения жизни на Земле можно выделить несколько основных этапов. Первый из них связан с процессами образования простейших органических соединений из неорганических.

Происхождение жизни связано с протеканием определенных химических реакций на поверхности первичной планеты. Каковы же основные этапы химической эволюции жизни?

На начальных этапах истории Земли она 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. Физические и химические свойства воды (высокий дипольный момент, вязкость, теплоемкость и т. д.) и углерода (трудность образования окислов, способность к восстановлению и образованию линейных соединений) определили то, что они оказались у колыбели жизни.

На этих начальных этапах сложилась первичная атмосфера Земли, которая носила не окислительный, как сейчас, а восстановительный характер. Кроме того, она была богата инертными газами (гелием, неоном, аргоном). Эта первичная атмосфера уже утрачена. На ее месте образовалась вторая атмосфера Земли, состоящая на 20% из кислорода - одного из наиболее химически активных газов. Эта вторая атмосфера - продукт развития жизни на Земле, одно из его глобальных следствий.

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° C произошло сгущение водяных паров и образование воды. Длительные ливни с частыми грозами привели к образованию больших водоемов. В результате активной вулканической деятельности из внутренних слоев Земли на поверхность выносилось много раскаленной массы, в том числе карбидов - соединений металла с углеродом.

При взаимодействии карбидов с водой выделялись углеводородные соединения. Горячая дождевая вода как хороший растворитель имела в своем составе растворенные углеводороды, а также газы (аммиак, углекислый газ, цианистый водород), соли и другие соединения, которые могли вступать в химические реакции. Так постепенно на поверхности молодой планеты Земля накапливались простейшие органические соединения. Причем, накапливались в больших количествах.

Подсчеты показывают, что только посредством вулканической деятельности на поверхности Земли могло образоваться около 1 0 n кг органических молекул, где n = 1 6 .Это всего на 2-3 порядка меньше массы современной биосферы!

Вместе с тем, и астрономическими исследованиями установлено, что и на других планетах и в космической газопылевой материи имеются углеродные соединения, в том числе и углеводороды.

Второй этап биогенеза характеризовался возникновением более сложных органических соединений, в частности, белковых веществ в водах первичного океана. В ту давнюю пору на Земле были благоприятные условия для этих процессов.

Высокая температура, грозовые разряды, усиленное ультрафиолетовое излучение приводили к тому, что относительно простые молекулы органических соединений при взаимодействии с другими веществами усложнялись и образовывались углеводы, жиры, аминокослоты, белки и нуклеиновые кислоты.

Возможность такого синтеза была доказана опытами А.М. Бутлерова (1828-1886), который еще в середине прошлого столетия из формальдегида получил углеводы (сахар).

В 1951-1957 гг. американский химик С. Миллер из смеси газов (аммиака, метана, водяного пара, водорода) при 70-80° С и давлении в несколько атмосфер под воздействием электрических разрядов напряжением 60 000 вольт и ультрафиолетовых лучей синтезировал ряд органических кислот, в том числе аминокислот (глицин, аланин, аспарагиновую и глутаминовую кислоты), которые являются 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.

Эксперименты в этом направлении оказались перспективными. Они показали, что (при использовании других соотношений исходных газов и видов источника энергии) путем реакции полимеризации из простых молекул могли быть образованы и более сложные молекулы: белки, липиды, нуклеиновые кислоты и их производные.

Позже была доказана возможность синтеза в условиях лаборатории и других сложных биохимических соединений, в том числе белковых молекул (инсулина), азотистых оснований нуклеотидов. Особенно важно то, что лабораторные эксперименты совершенно определенно показали возможность образования белковых молекул в условиях отсутствия жизни.

С определенного этапа в процессе химической эволюции активное участие принимает кислород. В атмосфере Земли кислород мог накапливаться в результате разложения воды и водяного пара под действием ультрафиолетовых лучей Солнца. (Для превращения восстановленной атмосферы первичной Земли в окисленную потребовалось не меньше 1 - 1,2 млрд. лет). органический соединение жизнь коацерват

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.

Анализ возможных оценок количества органического вещества, которое накопилось неорганическим путем на ранней Земле, впечатляет: по некоторым расчетам (К. Сагана) за 1 млрд. лет над каждым кв. см. земной поверхности образовалось несколько килограммов органических соединений. Если их все растворить в мировом океане, то концентрация раствора была бы приблизительно 1%. Это довольно концентрированный “органический бульон”. В таком “бульоне” мог вполне успешно развиваться процесс образования более сложных органических молекул. Таким образом, воды первичного океана постепенно все более насыщались разнообразными органическими веществами, образуя “первичный бульон”. И, как показывают расчеты, насыщению такого “органического бульона” в немалой степени способствовала еще и деятельность подземных вулканов.

2. “Первичный бульон” и образование коацерватов. Возникновение простейших форм живого

Дальнейший этап биогенеза связан с концентрацией органических веществ, возникновением белковых тел.

В водах первичного океана концентрация органических веществ увеличивалась, происходило их смешивание, взаимодействие и объединение в мелкие обособленные структуры раствора. Такие структуры легко можно получить искусственно, смешивая растворы разных белков, например, желатина и альбумина. Эти обособленные в растворе органические многомолекулярные структуры наш выдающийся отечественный ученый А.И. Опарин назвал коацерватными каплями или коацерватами. Коацерваты - мельчайшие коллоидальные частицы - капли, обладающие осмотическими свойствами. 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. Так, например, они способны поглощать из окружающей среды разные вещества и увеличиваться в размере. Поглощенные вещества вступают во взаимодействие с соединениями самой капли. Эти процессы в какой-то мере напоминают первичную форму ассимиляции. Вместе с тем, в коацерватах могут происходить и процессы распада, а также выделения продуктов распада. Соотношение между этими процессами у разных коацерватов неодинаково. Выделяются отдельные динамически более стойкие структуры с преобладанием синтетической деятельности. Внешнее сходство структур и некоторых процессов, которые происходят в коацерватах, еще не дает основания для отнесения их к живым системам, потому что они лишены способности к самовоспроизведению и саморегуляции синтеза органических веществ. Но важные предпосылки возникновения живого в них уже содержались.

Прежде всего, коацерваты объясняют появление биологических мембран. Образование мембранной структуры считается самым “трудным” этапом химической эволюции жизни. Повышенная концентрация органических веществ в коацерватах увеличивала возможность взаимодействия между молекулами и усложнения органических соединений. Коацерваты образовывались в воде при соприкосновении двух слабо взаимодействующих полимеров.

Кроме коацерватов, в “первичном бульоне” накапливались полинуклеотиды, полипептиды и различные катализаторы, без которых невозможно образование способности к самовоспроизведению и обмену веществ. Катализаторами могли быть и неорганические вещества. Главная проблема в учении о происхождении жизни состоит в объяснении возникновения 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, с переходом к матричному синтезу белка, характерному для живых организмов. Наибольшие шансы на сохранение имели в ходе предбиологического отбора 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 такого перехода пока не вполне ясен. Главное том, чтобы объяснить, как в ходе предбиологического отбора объединились способности к самовоспроизведению полинуклеотидов с каталитической активностью полипептидов. Ведь способность нуклеиновых кислот к конвариантной редупликации может быть в полной мере реализована лишь с помощью каталитической функции белков. А, с другой стороны, синтез самих белков путем удлинения пептидной цепочки не имел бы большого успеха без передачи стабильности хранением о нем “информации” в нуклеиновых кислотах. И все это происходит в условиях пространственно-временного разобщения начальных и конечных продуктов реакции. Существуют разные гипотезы на сей счет, но все они так или иначе не полны. Однако, в настоящее время наиболее перспективными здесь являются гипотезы, которые опираются на принципы теории самоорганизации, синергетики. В последующем предбиологический отбор коацерватов, по-видимому, шел по нескольким направлениям. Во-первых, в направлении выработки способности накопления специальных белковоподобных полимеров, ответственных за ускорение химических реакций. В результате строение нуклеиновых кислот путем изменялось в направлении преимущественного “размножения” систем, в которых удвоение нуклеиновых кислот осуществлялось с участием ферментов. На этом пути и возникает характерный для живых существ циклический обмен веществ:

Энергетический метаболизм Э Я

Специфические ферменты Полимерный синтез (образование мономолекулярных систем) Э Я

Редупликация нуклеиновых кислот

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.

Заключение

Таким образом, возникновение жизни явилось результатом последовательных процессов, протекавших сначала миллиарды лет во Вселенной, а затем на Земле многие миллионы лет. От неорганических соединений к органическим, от органических - к биологическим - таковы последовательные стадии, по которым осуществлялся процесс зарождения жизни. Возраст Земли исчисляется примерно в 5 млрд. лет. Жизнь существует на Земле, видимо, более 3,5 млрд. лет. Признаки деятельности живых организмов обнаружены многократно в докембрийских породах, рассеянных по всему земному шару.

В проблеме возникновения жизни еще много неопределенного; в целом, конечно же, она еще далека от своего разрешения. Так, например, не ясно, почему все белковые соединения, входящие в состав живого вещества, имеют только “левую симметрию”. Какие механизмы предбиологический эволюции могли к этому привести? 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. Следовательно, теперь живые существа появляются только вследствие размножения. Посредством размножения осуществляется смена поколений и происходит эволюционное развитие.

С возникновением жизни ее развитие пошло быстрыми темпами (ускорение эволюции во времени). Так, развитие от первичных протобионтов до аэробных форм потребовало около 3 млрд. лет, тогда как до возникновения наземных растений и животных с этого момента прошло около 500 млн. лет; птицы и млекопитающие развились от первых наземных позвоночных за 100 млн. лет, приматы выделились за 12 - 15 млн. лет, для становления человека потребовалось около 2 млн. лет.

Список использованной литературы

1. Азимов А. Краткая история биологии. М.: Инфра-М, 2012. - 208с.

2. Горохов В.Г. Концепция современного естествознания и техники. М.: Инфра-М, 2014. - 608с.

3. Данилова В.С., Кожевников Н.Н. Основные концепции естествознания. М.: Аспект Пресс, 2015. - 256с.

4. Дубнищева Т.Я. Концепция современного естествознания. М.: МГУ, 2014. - 832с.

5. Канке В.А. Концепции современного естествознания. М.: Лотос, 2015. -368с.

Размещено на Allbest.ru