Возникновение жизни, особенности состава и строения живых организмов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

С первых самостоятельных шагов мы открываем для себя мир и до глубокой старости не устаем удивляться его многообразию. Мы узнаем новые города и страны, народы и планеты. Между тем рядом с нами живет своей неповторимой и таинственной жизнью особый мир- мир животных, и наше человеческое существование напрямую зависит от того, здорова ли окружающая нас природа. Ведь все мы - и люди, и птицы, и звери, и насекомые- живем в одном общем доме - на планете Земля. Чтобы жить с природой в мире и согласии, нужно многое знать о тех животных, которые нас окружают. Стремление познать окружающий мир- одно из характерных особенностей человека, отличающая его от остальных обитающих на нашей планете живых существ. Причем в ходе познания человек стремится систематизировать, группировать явления по их сходству или различию. На Земле существуют огромное количество видов животных и растений. На данный момент учеными описано около 1,5 млн видов животных и растении, и все они как-то и когда-то образовались, получили свое начало.

Когда Дарвин выдвинул гипотезу о происхождении видов путем естественного отбора, он поднял серию вопросов. Обратимся к одному из них. Если современные животные или растения произошли в результате развития целого ряда многочисленных предков,- как и в какой форме началась жизнь? Вопрос о происхождении жизни интересовал человека в течении столетий. Предлагалось много ответов. Религии различных народов мира предлагала различные объяснения относительно происхождения живых существ. Ученые выдвигали различные гипотезы, чтобы ответить на этот вопрос. Изучение некоторых из этих гипотез и того, каким образом их проверяли и оценивали, позволяет многим понять природу науки.

Были много теории и выводов о том-как образовалась жизнь на земле? Умы всей Земли занимались изучением этого вопроса. Были такие теории как: теория самопроизвольного происхождения жизни; теория биогенеза; теория о том-что жизнь прилетела к нам из космоса и другие теории. Так какая же теория наиболее верна? Если предположим, что узнать историю дерева нам помогают годовые кольца, узнать историю Новгородской республики можно сопоставляя найденные в раскопках черепки и берестяные грамоты, а как узнать и прочитать историю живого мира Земли? Попробуем представит, сколько шансов у рыбы жившей несколько миллионов лет назад, попасться на глаза современным исследователям. Нужно, чтобы тело погибшей рыбы стало недоступным кишащим вокруг пожирателям падали. Лучше всего, если рыба будет завалена грунтом, вмерзнет в многолетний лед или затеряется под грязью высохшего водоема. И так чтобы узнать о существовании этой рыбы в давние эпохи сегодняшняя наука может лишь при сильном везении. биогенез креационизм гетеротрофный атмосфера

Так мы видим, как трудно изучать историю Земли, жизни. Но все-таки человечество кое что знает обо всем понемногу. Таким образом наша цель в данной работе это дать понять и узнать наиболее популярные гипотезы и теории о происхождении жизни на нашей Земле.

Глава 1. Гипотезы о происхождении живых существ

1.1 Самозарождение

Свыше 2000 лет назад Аристотель много размышлял над проблемой происхождения жизни. Он верил, что жизнь могла зародиться самопроизвольно из неживых веществ. Подумаем, что означает в этом контексте слово самопроизвольно.

Самовозгорание, как вы, наверное, знаете, означает внезапное появление огня в горючем материале даже в отсутствие очевидного агента, такого, как, например, спички. Идея самовоспламенения включает понимание того, что сам материал может вызвать свое воспламенение. Аналогично идея самозарождения жизни имеет в виду, что неживое вещество может стать живым. Даже сегодня некоторые люди верят в то, что маленькие личинки мух, выползающие из мусора, самопроизвольно возникли в нем.

Гипотеза Аристотеля о самозарождении предполагала, что внутри каких-то кусочков веществ существовало что-то вроде оплодотворенного яйца, так называемое активное начало. Это активное начало могло при подходящих условиях произвести живое существо из этого вещества. Это активное начало рассматривалось не как вещество, а как способность к чему-то. В современном понимании термин «энергия» является аналогичным понятием, так как энергия- не вещество и не само действие, а именно способность к действию.

Представление Аристотеля об активном начале объясняло, почему оплодотворенное яйцо развивается во взрослый организм. Активное начало направляет и организует последовательность действий, которые приводят к появлению живого существа. Аристотель каждому такому яйцу приписывал различное организующее начало. Он говорил, что организующее начало яйца курицы заставило развиваться его теми же путями, которые привели к появлению цыпленка. Икринка рыбы тоже имела организующее начало, которое привело к появлению рыбы, и т.д. Аристотель полагал, что и среди растений дело происходит таким же образом: некоторые развиваются из семени, другие самозарождаются из гниющей земли или из определенных частей растений.

В самозарождение верили в течении многих лет после Аристотеля.

В начале XIII века люди охотно верили в то, что гуси произошли от определенных пород пихтовых деревьев, которые соприкасались с водами океана. Вера в «гусиное дерево» существовало почти да XVII века. Путешественники с Востока говорили даже, что из плодов некоторых деревьев, имеющих форму дыни, появляются ягнята.

Известный врач XVI века Парацельс описал наблюдения о самозарождении мышей, лягушек, угрей и черепах из воды, воздуха, соломы, из гниющего дерева и других предметов. В XVII веке бельгийский врач Жан Батист ван Хельмонт, который впоследствии проделал замечательный опыты в области физиологии растений, описал «способ получения мышей» за 21 день из грязной рубашки, засыпанной зернами пшеницы. При этом предполагалось, что «активное начало» заложено в человеческом поте- почему и была необходима была грязная рубаха.

Как оценить такие убеждения? Люди, которые верили и учили этим вещам, не были невежественными. Они были в числе лучших мыслителей того времени. Эти сведения приведены здесь не ради насмешки, а скорее для того, чтобы проиллюстрировать некоторые стороны природы познания. Приведенные описания самозарождения являются не перечнем фактом, а заключениями, основанными на прямых наблюдениях, с предположением о том, что самозарождение возможно.

Возьмем, например, описание Ван Хельмонта. Факты таковы: наличие грязной рубахи, зерен пшеницы и появление мышей через 21 день. Основываясь на таких данных, Ван Хельмонт и делает вывод, что самозарождение может иметь место. Если бы Ван Хельмонт захотел проверить свои вводы научно, ему следовало бы поставить контрольные эксперименты. Грязную рубаху и пшеничные зерна следовало бы поместить в закрывающуюся коробку и оставить на 21 день. Тогда его результаты были бы иными. Идея контрольного опыта основывалась бы на допущении, что мышь могла попасть туда извне и ее появление не было результатом самозарождения. Эта возможность, по-видимому, просто не приходила в голову Ван Хельмонту. В действительности он был очень удивлен, узнав о том, что мышь, которая, по его предположению, появляется путем самозарождения, ничем не отличается в выводке при естественном рождении.

Работа Ван Хельмонта преподает ученым сегодняшнего дня два урока. Во-первых, ученый должен стараться выявлять и контролировать все переменные величины, которые могут повлиять на результат опыта. Во-вторых, ученый всегда должен отдавать себе отчет в том, что его основные предположения влияют на способ получения фактов и их объяснение.

Современный ученый постоянно проверяет свои предположения с точки зрения их пригодности при систематизации фактов, затем он пересматривает предположения, если это нужно. Кроме того, он пытается развить новые предположения, которые позволяет еще лучше систематизировать факты. Таким образом, он стирается избежать ошибочных объяснений такого типа, которые предположил Ван Хельмонт.

1.2 Биогенез

Начало современного научного исследования проблемы происхождения жизни можно обнаружить в опытах Франческо Реди. Биолог и врач из Флоренции Реди в середине XVII века сделал открытия, касающиеся самозарождения. Приблизительно в то же самое время Галилей изучал движение небесных тел и вел наблюдения за небом с помощью изготовленного им телескопа. В Америке появились первые колонии европейцев вдоль восточного побережья.

Реди был уверен, что на Земле, после того как появились первые растения и животные (по велению всевышнего и всемогущего создателя), больше не появлялись новые виды растений или животных.

Реди высказывал свое предположение, что жизнь не возникает самопроизвольно. Он не установил факт, а провел ряд наблюдений, из которых следовала гипотеза.

Реди наблюдал появление каких-то червей в теле мертвых животных и растений и объяснял это тем, что все они появились в результате полового размножения и что у гниющего вещества, в котором они находятся, нет другой функции, кроме роли места, где животные откладывают свои яйца во время размножения, или места, в котором они, кроме того, находят пищу.

В своей работе «Эксперименты над зарождением насекомых» Реди впервые констатировал то, что он наблюдал: присутствие червей в гниющих организмах. (Сейчас мы знаем, что эти «черви» - личинки насекомых.) Реди приводил вслед за этим утверждением гипотезу, пытаясь объяснить происхождение «червей». Его гипотеза основывалась на предположении о том, что жизнь не может возникать самопроизвольно. Но и эта гипотеза требовала проверки.

Реди считал, что убеждение было бы бессмысленным без подтверждающего опыта, поэтому в середине июля он положил змею, рыбу, угрей из реки Арно и кусочек вымени телки в четыре большие широкие банки, хорошо закрыв и опечатав их. Затем наполнил точно так же еще четыре банки и оставил их совершенно открытыми.

Мы видим, что Реди пытался ограничить свою экспериментальную систему так, чтобы мог меняться только один фактор: открыта или закрыта банка. Половину банок он оставил открытыми, а другую- закупоренными. Заметьте трудности, которые возникают при постановке контроля. В закупоренные банки мухи, естественно, не могли попасть, но это могло привести к тому, что и свежий воздух не поступал в сосуды. Если бы кто-либо заявил, что «для самозарождения необходим доступ свежего воздуха», то Реди пришлось бы поставить новые опыты, чтобы проверить это возражение.

Через некоторое время в мясе и рыбе, которые находились в открытых сосудах, появились черви и было видно, что мухи прилетали и улетали, но в закрытых сосудах Реди не увидел червей даже спустя много дней после того, как туда были положены мясо и рыба.

По-видимому, опыты Реди подтверждали идею о том, что жизнь может возникнуть только из ранее существовавших форм жизни. Это идея биогенеза. Однако не следует надеяться на то, что одной серии опытов, как бы хорошо она ни была выполнена, будет достаточно, чтобы опровергнуть идею, в которую верил весь мир в течение ряда столетий. Разногласия не утихали, несмотря на то что люди, которые верили в самозарождение, ретировались на время под натиском сильной аргументации. Сторонники идеи самозарождения бросались в бой с новой силой, как только им оказывали поддержку.

Через несколько лет после опытов Реди голландский натуралист Антон Левенгук изобрел микроскоп. Через линзы этого увеличивающего прибора он изучал различные вещества и нашел, что в них кишат крошечные организмы, о существовании которых прежде никто и не подозревал.

Люди той эпохи не верили, что половое размножение или какие-либо другие «разумные процессы» могут быть связаны с возникновением многих из этих крошечных организмов. Поэтому они с новым интересом вернулись к идее о самозарождении.

Если раньше мы сравнивали научное исследование с работой детектива, то метод Левенгука можно было бы сравнить с экспертизой по исследованию отпечатков пальцев. Он был мастером своего дела и неутомимым исследователем, но по крайней мере в этом случае он не был теоретиком, который пытался найти разрешение проблем.

Хотя Левенгук сам не вступал в спор между сторонниками теорий биогенеза и абиогенеза, его наблюдения стимулировали новые исследования со стороны других ученых.

В 1745 г. Джон Нидхэм из Лондона привел новые доказательства в пользу происхождения жизни благодаря абиогенезу, поставив серию новых остроумных опытов. В этих опытах он использовал питательные жидкости (куриный бульон, растительный сок или другие жидкие среды). Он нагревал жидкость, заполнял ею пробирку и закупоривал так, чтобы она была воздухонепроницаемой, и затем нагревал ее снова. Через несколько дней жидкость кишела крошечными организмами.

Джон Нидхем испытывал разные жидкости и всегда получал тот же результат. Он пришел к вводу, что его результаты подтверждают его основную гипотезу, что самозарождение возможно.

Около 100 лет назад Реди опытным путем показал, что абиогенез невозможен. Тем не менее данные Нидхема говорили в пользу теории абиогенеза.

Спустя почти 25 лет итальянский священник Лазаро Спалланцани предпринял контратаку и подверг сокрушительной критике выводы Нидхэма. Он сделал это после того, как провел сам серию блестящих опытов.

Спалланцани поместил различные растительные соки в 19 стеклянных сосудов. Затем они были запаяны и их содержимое кипятилось в течение часа. После этого их оставили в покое на несколько дней. При последующей проверке не было обнаружено никаких признаков жизни. Отсюда Спалланцани сделал вывод о том, что Нидхэм нагревал пробирки недостаточно сильно для того, чтобы убить находящиеся в них живые организмы. Таким образом, даже после того как жидкость нагревали, в ней еще оставалось небольшое количество живых организмов, которые могли размножаться сразу после остывания сосудов.

Выступая против этих доводов, Нидхэм утверждал, что если какую-нибудь жидкость нагреть до очень высокой температуры, то это приведет к разрушению «активного начала».

Опыты Спалланцани, по-видимому, убедительные для нас, но не для Нидхэма, мнение которого не так легко было изменить. Теория абиогенеза до сих пор еще имеет каких-нибудь 100 лет назад многие ученые мира считали абиогенез рабочей теорией.

1.3 Креационизм

Согласно этой теории, Вселенная возникла в результате целенаправленного разумного акта творения, возникновение в результате подобного акта основных высокоорганизованных форм жизни, изменения жизненных форм в пределах вида в результате взаимодействия с окружающей средой; ее придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религиозных учений. В 1650 г. 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 утра, создав человека. Ашер получил эту дату, сложив возрасты всех людей, упоминающихся в библейской генеалогии - от Адама до Христа. С точки зрения арифметики, это разумно, однако при этом получается, что Адам жил в то время, когда, как показывают археологические находки, на Ближнем Востоке существовала хорошо развитая городская цивилизация.

Креационная теория, отодвинутая на второй план в результате широкого распространения эволюционизма, получила "второе рождение" в наши дни, благодаря развитию науки и полученным ею новым фактам. Креационная модель была основной в науке весь период ее существования, практически до начала нынешнего столетия. Учеными-креационистами были Коперник, Галилей, Ньютон, Паскаль, Линней, Пастер, Максвелл и многие другие.

Но к концу прошлого века, когда развитие социальных наук начало оказывать сильное влияние на естествознание, начался бурный рост разнообразных теорий, часто имеющих псевдонаучный характер. Наиболее революционной из них стала теория Дарвина, которая к тому же хорошо соответствовала весьма популярной в этот период в Европе времени социальной доктрине марксизма. Довольно быстро дарвинизм развивался и в странах Востока -- этому благоприятствовала его непротиворечивость основным догматам восточных религий. Именно на основе работ Дарвина и его последователей и выросла теория эволюционного развития, быстро ставшая наиболее распространенной. В течение более полувека она практически полностью господствовала в науке.

И только несколько десятилетий назад новые научные открытия заставили многих ученых усомниться в возможности действия эволюционного механизма. Кроме того, если эволюционная теория имеет хоть какое-то объяснение процесса возникновения живой материи, то механизмы возникновения Вселенной просто остаются за рамками этой теории.

Существует и другое, не менее распространенное заблуждение, что креационизм -- сугубо библейская теория, опирающаяся в своем развитии исключительно на веру. Действительно, Библия дает довольно четкую схему возникновения окружающего нас мира, которая совпадает с креационным учением. Тем не менее, креационизм является именно наукой, опирающейся на научную методологию и результаты научных экспериментов. Данное заблуждение вытекает прежде всего из-за очень поверхностного знакомства с теорией творения, а также из-за прочно сложившегося предвзятого отношения к этому научному течению. В результате этого многие люди намного более благожелательно относятся к совершенно ненаучным, не подтвержденным практическими наблюдениями и экспериментами теориям, таким, как например, фантастическая "теория контакта", допускающая возможность искусственного творения известной нам Вселенной "внешними цивилизациями".

Креационизм не решает проблемы узкой, сугубо специализированной области научных знаний. Каждая отдельная наука, изучающая свою часть окружающего нас мира, органично является частью научного аппарата креационизма, а полученные ею факты складывают целостную картину креационного учения.

Основная цель креационизма -- способствовать познанию человеком окружающего мира научными методами и использовать это знание для решения практических нужд человечества.

Креационизм, как и любая другая наука, имеет свою философию. Философия креационизма -- это философия Библии. И это многократно увеличивает ценность креационизма для человечества, которое уже успело на собственном примере убедится, как важна философия науки для предотвращения необдуманных последствий ее развития. Креационизм является на сегодняшний день наиболее последовательной и непротиворечивой теорией возникновения окружающего нас мира. И именно его согласованность с многочисленными научными фактами самых разнообразных научных дисциплин делают его наиболее перспективной платформой для дальнейшего развития человеческого познания.

1.4 Крушение теории самозарождения

В 1860 г. великий французский биолог Луи Пастер начал изучать проблему происхождения жизни. Ему удалось показать, что обычный воздух является источником микроорганизмов. Он подтвердил тот факт, что неживое вещество легко заражается живым, так как вездесущие бактерии встречаются на руках, в почве, в воде и в воздухе. Он много раз показывал, при различных обстоятельствах, что в растворах питательных веществ и других материалах, предварительно тщательно стерилизованных, не появляются живые организмы.

Победа биогенеза над абиогенезом не была легкой. Спор длился несколько лет, и прежнее предположение Нидхэма о том, что «активное начало» может быть разрушено нагреванием, много раз приводилось в качестве основного аргумента. В конце концов Пастер сконструировал свои знаменитые колбы с горлышком в форме лебединой шей, которые с большим успехом были использованы для подтверждения гипотезы биогенеза. Пастер налил в каждую стеклянную колбу жидкость, которая приготавливалась в обычных условиях при контакте с воздухом: раствор пивных дрожжей, раствор пивных дрожжей с добавлением сахара, мочу, сок сахарной свеклы, настой перца в воде. Затем он вытягивал над огнем кончик колбы, так, чтобы получился изгиб, и кипятил жидкость несколько минут.

Во время кипячения пар свободно выходил через длинный узкий конец колбы. После того как колба остывала, жидкость в ней оставалась неизменной неопределенно долгое время.

Может показаться на первый взгляд, что обычный воздух, поступающий в первый момент охлаждения, должен попадать в колбу обычным путем. На самом деле поступлению воздуха в колбу препятствует жидкость, температура которой еще достигает точки кипения. Поэтому воздух поступает медленно, и пока жидкость охлаждается, вся пыли и микробы, находящиеся в воздухе, оседают во влажных местах изгиба кончика колбы. Но если после одного или нескольких месяцев хранения в инкубаторе кончик колбы отпилить, не прикасаясь к колбе, то через 24, 36 или 48 часов там появятся плесень и бактерии, точно так же, как в открытых сосудах или как будто колбу наполнили жидкостью вместе с пылью воздуха.

Опыты с использованием колб с формой кончиков в виде лебединой шеи интересны тем, что в них сочетается законченность с простотой. Два важных аспекта опыта дали убедительные ответы на многие возражения, высказанные противниками биогенеза.

Во-первых, несмотря на то что жидкость кипятили, Пастер смог показать, что она сохраняет способность поддерживать жизнь, если в ней находились живые организмы.

Если длинный кончик колбы отламывали или колбу наклоняли так, что жидкость соприкасалась с пылью, находящейся в кончике шейки колбы, то в жидкости через несколько дней появлялись плесень и колонии бактерий.

Во-вторых, и это очень важно, опыт не препятствовал образованию жизни с помощью «активного начала» в воздухе, так как воздух мог беспрепятственно проходить через вытянутый кончик колбы. В колбах с таким кончиками по крайней мере в течение полутора лет не появляются микроорганизмы.

Пастер и биогенез оказались победителями. Но для противников Пастера этого было недостаточно, хотя их доверие к теории абиогенеза было подорвано. Интерес к теории абиогенеза после опубликования работы Пастера носил характер чисто случайных вспышек и возникал только в связи с появлением каких-то новых сообщений.

Мы уже видели, как одно предположение заменили благодаря убедительным экспериментам другим. Почему мы считаем, что биогенез- это основное предположение или теория, а не просто факт? Аналогия поможет нам разъяснить этот вопрос. Вы можете сказать, например, о таком факте, что данная лягушка состоит из мельчайших микроскопических единиц, называемых клетками, так как изучали эту лягушку.

Однако вы можете только предположить, что все лягушки состоят из клеток, потому что это заявление будет обобщением, основанным на ограниченном наблюдении. Вы можете считать, без какой-либо тени сомнения, что все лягушки состоят из клеток, но это не будет доказательством.

Ученые считают, что важны не только факты, но и предложения, обобщения и теории. Формулировка полезных обобщений лежит в основе науки. Теория биогенеза явилась чрезвычайно полезным обобщением в биологии. Очевидно, что хорошая теория или обобщение основываются на фактах и опытах. Одной из главных ценностей хорошей теории является то, что она сопоставляет кажущиеся на первый взгляд не связанными факты, упорядочивает и систематизирует их. Кроме того, она позволяет ученым предсказывать новые факты и взаимосвязи, о которых никто прежде не думал. Из теории биогенеза вытекают, по крайней мере, два важных вопроса.

Теория биогенеза основывается на предположении о том, что живой организм производит живые организмы. В связи с этим возникает вопрос: все ли живые существа имеют общего предка, а если так, то каким образом к настоящему времени сохранилось такое огромное разнообразие организмов? Ответ на это вопрос находится в теории эволюции. Основным предположением в теории эволюции является то, что все живые существа, обитающие на Земле сегодня, являются видоизмененными потомками растении и животных, которые существовали до них.

1.5 Различные гипотезы о происхождении жизни на Земле

Жизнь, привнесенная из Вселенной.

Ученые выдвигают различные гипотезы для объяснения того, как впервые появилась жизнь на Земле. Согласно одной гипотезе предполагается, что источником жизни на Земле были бактерии, которые прилетели из Вселенной на пылевых частицах или метеоритах. По этой гипотезе предполагается, что стойкие споры бактерий могли выжить в суровых условиях космического пространства и, значит, могли «заразить» любую планету, на которой условия были благоприятны для жизни.

Имеются два возражения против этой гипотезы. Во-первых, она объясняет только появление жизни на Земле и оставляет в стороне объяснение того, как жизнь возникла на любой планете, с которой она могла быть принесена. Во- вторых, во время путешествия к Земле с далекой планеты организм попадает в условия чрезвычайно высокой и низкой температур; кроме того, на него действует смертельная радиация, которая, вероятно, выше того уровня, при котором может существовать жизнь. «Падающие звезды», или метеориты, которые часто можно видеть ночью, являются частичками камня или пыли, которые раскаляются добела и сгорают, как только попадают в верхние слои атмосферы. Естественно, спора, находящаяся на одной из таких частиц, подвергается разрушению задолго до того, как она попадает на поверхность Земли. Однако можно возразить, что большие метеоры могут достигать поверхности Земли и таким образом живые организмы могут попасть на поверхность Земли. Ученые пытаются найти какие-либо признаки жизни на метеоритах, но даже если бы они были найдены, это еще не означало бы, что живой организм выжил в суровых условиях космического пространства.

Действительно, весьма возможно, что жизнь существует на многих планетах звездной системы, кроме нашей. Однако гипотезу о том, что жизнь может принесена на Землю из космического пространства, очень трудно проверить. С появлением искусственных спутников у человека появилась возможность собирать небольшое количество осколков в космическом пространстве и затем тщательно их изучать. Но это не решающий эксперимент, так как полученные результаты можно будет объяснить по-разному. Пока еще нет доказательств того, что живые существа, исключая хорошо защищенных обитателей космических кораблей, способны выжить в космическом пространстве. Сейчас проводятся дальнейшие исследования в этом направлении.

Аутотрофная гипотеза.

При рассмотрении проблемы происхождения жизни можно рассуждать так: все живые организмы нуждаются в пище, и поэтому начальные формы жизни должны были быть способны производить необходимую им пищу. Организмы, способные производить пищу, называются аутотрофными. Все зеленые растения аутотрофные.

Некоторые аутотрофы для синтеза пищи используют энергию солнечных лучей, другие используют энергию химических реакции. Синтез означает образование чего-то сложного из более простых веществ. Аутотрофная гипотеза полагает, что организм такого типа мог бы быть исходной формой жизни. Но серьезный недостаток аутотрофной гипотезы связан с тем, что все известные химические реакции, участвующие в создании пищи, очень сложны. Более того, для синтеза питательных веществ нужен сложный организм, чтобы создавать сложные вещества из простых. Если первые организмы были способны синтезировать пищу, то мы должны предположить, что сложные системы синтеза появились внезапно. Другими словами, первые аутотрофы должны были быть с самого начала довольно сложными организмами. Конечно, это могло произойти. Однако, исходя из теории эволюции, сложные организмы чаще всего появляются в результате накопления небольших изменений в течение огромного промежутка времени. Поэтому более вероятно, что развитие началось с менее сложных организмов, которые не могли синтезировать пищу. Это не означает, что аутотрофная гипотеза бесполезна. Возможно, что через несколько лет ученые найдут какие-либо пути преодоления недостатков этой гипотезы.

В то время как аутотрофная гипотеза предполагает, что сложные организмы возникают в простой окружающей среде, следующая гипотеза предполагает обратное: простые организмы возникают в сложной окружающей среде.

Гетеротрофная гипотеза.

В противоположность аутотрофу гетеротрофом называется организм, который не способен производить необходимую ему пищу. Возможно, он способен синтезировать несколько соединений, но, в общем, он должен располагать каким-то внешним источником для своего питания. Все люди и животные являются гетеротрофами. Большинство бактерий и некоторые растения, например, плесень и грибы, так же гетеротрофы.

Гетеротрофная гипотеза предполагает, что ранние формы жизни возникли из неживого и что они не были способны синтезировать пищу. Чем эта гипотеза отличается от ранних идей самозарождения? Разница есть- и очень важная. В первоначальном представлении о самозарождении утверждалось, что сложные организмы могли внезапно возникнуть из неживого вещества. Более того, предполагалось, что самозарождение- это постоянно действующий процесс, который может происходить ежедневно. В противоположность этому гетеротрофная гипотеза предполагает, что очень маленький организм медленно развился из неживой материи и что это происходило миллионы лет назад в специфических условиях окружающей среды.

Вашей первой реакцией, возможно, будет восклицание: «Подождите! Откуда гетеротрофы добывали пищу, если не было аутотрофов, которые бы ее производили?»

На этот и некоторые другие вопросы дают ответы гипотезы происхождения жизни, выдвинутые советским биохимиком Александром Ивановичем Опариным и английским биологом Джоном Холдейном.

Не смотря на то что гетеротрофная теория разработана другими исследователями, она тем не менее исходит из дарвиновской теории эволюции посредством естественного отбора. Дарвин не предпринимал попытки изучить вопрос о происхождении жизни, но он предполагал, что условия, при которых могла возникнуть жизнь, сходны с условиями сегодняшних дней. Это предположение теперь не считают правильным, так как накопилась много доказательств того, что в давние времена Земля и его атмосфера очень сильно отличались от того, что мы наблюдаем сегодня. Гипотеза Дарвина напоминает гетеротрофную гипотезу.

1.6 Происхождение жизни

60-70е годы XIXстолетия были годами блестящего развития биологии. Теория Дарвина и эксперименты Пастера, опровергшие теорию самозарождения, поставили фундаментальные вопросы о происхождении жизни. Открытия в области биологии, быстрое развитие ее вызвали огромный переворот в интеллектуальной жизни того времени и имели далеко идущие последствия для изучения жизни на Земле в прошлом и настоящем. Новые взгляды на происхождение жизни утвердились совсем недавно, и сейчас вновь возник интерес к изучению этого вопроса. Гетеротрофная гипотеза- одна из таких новых точек зрения, и она согласуется с теориями Дарвина и Пастера.

Эта гипотеза предполагает, что химический состав древней атмосферы Земли был очень важен для происхождения и эволюции живого. Простые вещества в древней атмосфере могли вступать в химические реакции и образовывать более сложные соединения. Эволюция химических соединений на протяжении миллионов лет, вероятно, предшествовал эволюции жизни. В своем изложении мы будем доказывать эту гипотезу. Эта информация будет использована, чтобы описать эксперименты, показывающие, как химические соединения могли стать предшественниками жизни.

Возраст Земли.

Изучая происхождение жизни, мы должны в первую очередь выяснить, какие условия существовали на Земле до возникновения жизни. Возраст Земли, который определяли различными методами, насчитывает 6-7 миллиардов лет. Ни один из методов для определения возраста Земли не является точным, и указанная величина может колебаться в пределах миллионов лет. Изучении древних ископаемых и других материалов указывает на то, что жизнь на Земле не могла еще существовать, когда возраст Земли насчитывал 2 миллиарда лет. Это должно было бы означать, что жизнь, по-видимому, существует менее половины срока возраста Земли. Около 3 миллиардов лет должно было пройти, прежде чем на Земле возникла жизнь.

Для объяснения происхождения Земли было предположено множество гипотез. Предполагаемая последовательность событий, описанная ниже, основывается на большом числе данных и является общепринятой.

1. Предполагается, что Солнце и планеты солнечной системы образовались внутри облака космической пыли. Земля, вероятно, вначале имела относительно маленькую массу и затем увеличивалась в размерах, так как силы гравитации притягивали все больше и больше частиц.

2. По мере того как масса Земли увеличивалась, силы гравитации также увеличивались, приводя к уплотнению частиц. Из-за увеличения плотности частиц начала подниматься температура Земли.

3. В конце концов Земля начала охлаждаться, и охлаждение продолжалось в течение многих миллионов лет. Во время нагревания и охлаждения образовался ряд химических веществ. Более тяжелые вещества оседали к центру, образуя ядро Земли, а более легкие вещества образовывали оболочку Земли.

4. По мере охлаждения поверхность Земли затвердевала, исключая те места, где происходило извержение вулканов. Происхождение коры Земли, а также вод океанов тесно связано с вулканической деятельностью.

5. Благодаря большим размерам Земля имела силу притяжения, достаточную для того, чтобы удержать окружавшие ее газы, которые в противном случае должны были бы унестись в космическое пространство. Это были совсем иные газы, чем в современной атмосфере.

Древняя атмосфера.

Как мы уже говорили, Земля была способна удерживать над своей поверхностью газы, выделявшиеся из ее недр. Изучение Солнечной системы и некоторых участков Вселенной показывает, что атмосфера звезд и планет постепенно изменяется в течение длительного периода времени. Поэтому можно предположить, что атмосфера Земли также подвергалась изменению.

Сейчас в нашей атмосфере содержится около 80% азота. Остальную часть в основном составляет кислород с небольшим количеством других газов, например, углекислоты.

Геологи и другие ученые имеют сведения о том, что в древней атмосфере Земли содержались вода, пар, водород, аммиак и метан. Даже сейчас одна из планет Солнечной системы- Юпитер имеет в атмосфере водород, метан и аммиак.

Водород является самым простым и наиболее распространенным элементом во Вселенной. Водяной пар-это вода в газообразной форме. Метан- газ, который очень хорошо горит, и его обычно используют в быту для приготовления пищи и обогрева. Аммиак- газ, который соединяется со многими очищенными жидкостями.

Состав первоначальной атмосферы имеет важное значение в гетеротрофной гипотезе.

Водяной пар считается важной частью древней атмосферы. Согласно одной из гипотез вода, имеющаяся на Земле, появилась на ней в результате вулканической деятельности. Даже сейчас водяной пар составляет около 10% веса материалов, выбрасываемых во время вулканических извержений. Этот водяной пар конденсируется и выпадает в виде сильных дождей. Геологи установили, что в среднем кора Земли имеет толщину около 20 км и представляет собой в основном вулканические породы. Некоторые геологи считают, что если эти вулканические породы были выброшены из внутренних слоев Земли, то такой процесс сопровождался образованием огромных количеств водяного пара. Они предполагают, что в результате вулканической деятельности и образовалась вся вода, которая имеется сейчас в океанах.

Вначале из-за высокой температуры вода находилась в состоянии пара. Поэтому в атмосфере накопилось огромное количество водяного пара. Высоко над Землей, в холодном пространстве, водяной пар конденсировался, образовывая тучи, а затем в виде дождя выпадал на горячие скалы. Потом вода вновь испарялась, и пар возвращался в атмосферу. Это должно было привести к сильным ливням, сопровождавшимся непрерывными молниями. Испарение и конденсация повторялись много раз и повторяются до сих пор.

Вы можете спросить, почему ученые считают, что свободный азот, кислород и двуокись углерода отсутствовали в примитивной атмосфере. Потому что большое количество водорода и высокая температура приводили к тому, что свободный азот должен был соединятся с водородом, образуя аммиак. По той же причине углерод должен был бы соединяться с такими элементами, как железо, кремний и алюминий, образуя множество минералов в земной коре. Даже сейчас некоторая часть кислорода продолжает медленно соединяться с этими элементами. Наш атмосферный кислород уже давно бы исчез, если бы не восполнялся постоянно за счет деятельности зеленых растений.

Эти и другие доводы заставляют верить, что в древней атмосфере содержалось очень небольшое количество азота, двуокиси углерода и кислорода.

Химические процессы в атмосфере Земли в ранний период ее существования.

Для того чтобы понять, как газы и другие вещества соединяются, необходимо познакомитесь с элементарной химией. Атмосфера Земли в ранний период ее существования из известных нам газов содержала пары воды. На нашей планете и сегодня имеется огромное количество воды в газообразном, жидком и твердом состоянии. Состояние, в котором находится вода, зависит главным образом от ее температуры. Несмотря на то что состояние, в котором находится вода, может меняться, ее химический состав остается тем же. Физические и химические свойства воды должны были оказывать огромное влияние на эволюцию жизни.

При прохождении электрического тока через сосуд с водой образуются два газа-водород и кислород. Этот процесс разложения, или распада, веществ на составные части с помощью электрической энергии называется электролизом. Так как вода может распадаться на другие вещества, то ее называют химическим соединением. С другой стороны, кислород и водород не могут распадаться на другие вещества. Поэтому они называются элементами.

Элемент можно определить, как простейшую форму вещества, которые проявляет единственные в своем роде химические свойства м которые нельзя разложить на более простые вещества. Имеется приблизительно 100 известных элементов. С некоторыми из этих элементов, такими, как водород, кислород, золото, олово, серебро, йод и свинец, вы знакомы. Все остальные вещества, известные человеку, состоят из двух или более элементов.

Обнаружено, что при электролизе воды на каждые два объема водорода образуется один объем кислорода, т.е. на 2 л водорода образуется только 1 л кислорода.

Какой вывод мы можем сделать, исходя из этого наблюдения? Имеется ли здесь какая-либо проблема? Да. Эта проблема и многие другие объясняются с помощью гипотезы, выдвинутой английским ученым Джоном Дальтоном около 150 лет назад.

Для объяснения многих химических явлений, известных в то время, Дальтон предложил гипотезу, которая в ее современном виде известна под названием атомной теории. Его первоначальная теория, подобно большинству теорий, изменялась по мере того как открывали новые факты. Фундаментальные предположения ранней атомной теории сводятся к следующему:

1. Вся материя состоит из невидимых частиц, называемых атомами.

2. Атомы какого-либо химического элемента одинаковы и имеет равную массу, но они отличаются по свойствам и массе от атомов других элементов.

3. Атомы одного и того же элемента или различных элементов могут соединяться, образуя молекулы. Состоящие из различных элементов молекулы называются соединениями.

4. Атомы одних и тех же элементов могут соединяться в различных пропорциях, образуя несколько соединений.

Теория Дальтона помогла объяснить множество противоречивых наблюдений, которые были сделаны им и его коллегами. С тех пор теория Дальтона изменилась, и сейчас она лежит в основе нашего понимания различных явлений химии и биологии.

Итак, материя, живая или неживая, состоит из крошечных частиц, называемых атомами. Имеется приблизительно 100 различных сортов этих крошечных частиц, и они соединяются, образуя молекулы миллионов различных соединений. Из одних и тех же видов атомов может быть образовано несколько сортов молекул. Например, вода и перекись водорода содержат только атомы водорода и кислорода.

Соединения атомов.

Как соединяются атомы при образовании молекул? Современное объяснение химического взаимодействия, или реакции, основывается на хорошо известной теории, согласно которой все атомы и молекулы находятся в быстром беспорядочном движении. Энергия движения называется кинетической энергией. Температура вещества является мерой кинетической энергии его молекул. Другими словами, чем быстрее двигаются атомы и молекулы вещества, тем выше его температура.

Приблизительно в то же время, когда Дальтон работал над атомной теорией, шотландский ботаник Роберт Броун проводил наблюдения за находившейся в воде пыльцой с помощью каплевидного стекла, служившего линзой. Он был очень удивлен, увидев, что пыльца находилась в постоянном движении. С помощью контрольных опытов Броуну удалось показывать, что пыльца двигалась не из-за своей собственной активности. Он также показал, что в воде нет никаких течений, которые бы вызывали движение. В настоящее время постоянное движение таких частиц, как пыльца и сажа, называют броуновским движением, по имени человека, впервые описавшего его. Наблюдение броуновского движения было эмпирическим, и поэтому для его объяснения необходима была гипотеза.

Приблизительно через 50 лет после того, как Броун наблюдал за движением пыльцы, была предложена гипотеза для объяснения этого движения. Гипотеза утверждает, что молекулы воды, слишком маленькие, чтобы их можно было бы увидеть даже с помощью сверхмощного микроскопа, сталкиваются с пыльцой. Движение атомов и молекул приводит к частым столкновениям между ними. При этом могут просто разлетаться, а иногда, в зависимости от того, как быстро они двигаются, они могут соударяться и соединяться, образуя новую молекулу. Чем быстрее они двигаются, тем больше энергия их после столкновения. Поэтому, для того чтобы началась химическая реакция, обычно необходимо нагревание. В том случае, когда образуются новые молекулы, мы говорим, что происходит химическая реакция.

Энергия, благодаря которой атомы удерживаются в молекулах, называется энергией химической связи. Имеется много различных видов химических связей, и все они обладают различным количеством энергии, а для того, чтобы разорвать какую-либо связь, требуется некоторое количество энергии. Например, чтобы разложить молекулу воды, необходима большая энергия, чем для разрыва одной молекулы водорода на два атома водорода. Мы уже видели, что энергия движения может также поставлять энергию движения может также поставлять энергию для разрыва химической связи и образования новой связи и, следовательно, другой молекулы.

Химические связи являются по своей природе электрическими. Поэтому, когда две молекулы сталкиваются с достаточной энергией, электрические силы входящих в них атомов могут взаимодействовать друг с другом, образуя новые связи и таким образом создавая новые, иные молекулы. Например, при соударении молекул водорода и кислорода, обладающих достаточной энергией, существующие связи рвутся и некоторые из этих молекул превращаются в молекулы воды.

Когда связи в молекуле рвутся, то атомы могут совершенно отделиться друг от друга. Некоторые из этих атомов могут поле этого иметь на одну или несколько отрицательно заряженных частиц больше, чем положительно заряженных, или наоборот. Другими словами, они являются электрически заряженными атомами, которые мы называем ионами. Отрицательный ион имеет больше электронов, чем электрический нейтральный атом. Ионы образуются различными путями и играют важную роль в живых клетках. Ионы играют большую роль в некоторых важных биологических реакциях. Высокая температура атмосферы Земли в ранний период должна была привести к ускоренному движению молекул и, таким образом, к увеличению числа столкновении между ними. Это должно было бы увеличить число химических реакции и образование ионов.

1.7 Образование органических соединений

Одно из основных предположений гетеротрофной гипотезы заключается в том, что возникновению жизни предшествовало накопление органических молекул. Сегодня мы называем органическими молекулами все те молекулы, которые содержат углерод и водород. Мы называем молекулы органическими еще и потому, что первоначально считалось, что соединения такого рода могут синтезироваться только живыми организмами.

Однако еще в 1828г. химики научились синтезировать мочевину из неорганических веществ. Мочевина- это органическое соединение, которое у многих животных выделяется в моче. Живые организмы считались единственным источником мочевины до тех пор, пока ее не удалось синтезировать в лаборатории. Лабораторные условия, в которых химиками были получены органические соединения, видимо, в какой-то степени имитируют условия среды на земле в ранний период ее существования. Эти условия могли, по мнению авторов гетеротрофной гипотезы, привести к образованию органических соединений из атомов кислорода, водорода, азота и углерода.

Лауреат Нобелевской премии Гарольд Юри, работающий в Чикагском университете, заинтересовался вопросами эволюции химических соединений на Земле в условиях раннего периода ее существования. Он обсуждал эту проблему с одним из своих студентов- Стенли Миллером. В мае 1953 г. Миллер опубликовал статью под названием «Образование аминокислот в условиях, близких к условиям, существовавшим на Земле в ранний период», в которой указывал, что А.И. Опарин высказывал впервые идею о том, что основа жизни- органические соединения образовались в тот период, когда в атмосфере Земли были метан, аммиак, вода и водород, а не двуокись углерода, азот, кислород и вода. Недавно эта идея получила подтверждения в роботах Юри и Бернала.

Для того чтобы проверить эту гипотезу, в специально созданном приборе через систему труб пропускалась смесь газов CH4, NH3, H2O и H2, и в определенный момент времени создавался электрический момент времени создавался электрический разряд. В полученной смеси определяли содержание аминокислот.

В сконструированном Миллером воздухонепроницаемом приборе, наполненном метаном, водородом и аммиаком, пропускали электрический разряд. Водяной пар поступал из специального приспособления, связанного с основной частью прибора. Пар, проходя через прибор, охлаждался и конденсировался в виде дождя. Таким образом, в лаборатории были довольно точно воспроизведены условия, существовавшие в атмосфере первобытной Земли. К ним относятся тепло, дождь и кратковременные вспышки света. Через неделю Миллер проанализировал газ, который находился в экспериментальных условиях. Он обнаружил, что образовавшаяся ранее бесцветная жидкость стала красной.

Химический анализ показал, что в жидкости появились некоторые соединения, которых не было в начале опыта. Атомы некоторых молекул газа рекомбинировали, образовывая новые и более сложные молекулы-органических молекул. Анализируя соединения, находящиеся в жидкости, Миллер обнаружил, что там образуются органические молекулы, известные под названием аминокислоты. Аминокислоты состоят из атомов углерода, водорода, кислорода и азота.

Каждый углеродный атом способен образовать четыре химические связи с другими атомами. Опыты Миллера указывают на то, что аналогичные процессы могли происходить в атмосфере Земли в ранний период ее существования. Эти опыты явились важным подтверждением гетеротрофной гипотезы.

1.8 Органические соединения в океанах Земли в ранний период ее существования

Если аминокислоты и белки образовались на Земле еще до возникновения жизни, то, вероятно, они были распределены во всех океанах в ранний период существования нашей планеты. Каким образом соединялись эти вещества, образуя еще более сложные структуры? Отвечая на этот вопрос, Опарин обращает внимание на особую группу капелек, называемых коацерватными. Это слово происходит от латинского coacervare, что означает «образовывать скопление». Само явление образования таких капелек носит название коацервации. Коацервация была изучена голландским профессором Бунгенберг де Йонгом в 1920-1930-х годах. Коацерваты- скопления белков или белковоподобных веществ, которые собираются вместе в маленькие капельки в жидкой среде. Зная, что белки скапливаются, мы можем сделать предположение о возникновении гетеротрофов.

Если считать океан колыбелью зарождавшейся жизни, то одним из обязательных условий ее возникновения было объединение молекул и обособление их от окружающей воды в определенном замкнутом пространстве. Возможно, на начальном этапе это произошло в форме коацерватных капель. Для их образования достаточно 0,001-0,001% веществ. Предполагается, что в первичном океане количество органических соединений значительно превышало предел коацервации.

А.И Опарин считает, что явление коацервации особенно интересно потому, что в процессе эволюции органических веществ должен иметь место процесс концентрации высокомолекулярных соединений, в особенности протеиноподобных веществ, растворенных в гидросфере.

Так появился так называемый «Первичный бульон», который появился в результате накопления органических молекул в океанах Земли в ранний период ее существования. Благодаря процессу диффузии некоторые из этих органических молекул должны были сталкиваться друг с другом. В некоторых случаях взаимодействие между молекулами приводило к образованию ионов. Образование ионов происходит почти во всех химических реакциях. Ионы возникают, например, при образовании коацерватов. Возможно, благодаря процессу коацервации могла происходить концентрация органических веществ в первичных океанах. Самый примитивный организм, возможно, был сложным коацерватом, в котором протекало несколько простых химических реакции.

1.9 Химическая энергия, необходимая для жизни

Живые существа- это высокоорганизованные системы, состоящие из сложных молекул. Для возникновения и поддержания этих систем очень важное значение имеет энергия. Самые ранние формы жизни все более усложнялись по мере того, как у них появлялись ферменты, необходимые для протекания реакций, идущих с высвобождением энергии. Усвоение энергии коацерватами, которые состояли из белковоподобных веществ, возможно, было одним из начальных этапов на пути к созданию первой клетки.

Ферменты и АТФ- это органические молекулы, обнаруженные у всех исследованных форм живых клеток. Ферменты снижают энергию активации, необходимую для вступления молекул в реакцию. Таким образом, реакции могут протекать при температурах, не опасных для жизни организмов. Богатые энергией фосфатные связи АТФ обеспечивают другой путь, по которому может происходить активация молекул. При переносе фосфатной группы от АТФ к такому веществу, как глюкоза, последняя активируется. Затем она может гораздо легче подвергнуться дальнейшим химическим превращениям.

Брожение- такой процесс, при котором происходит высвобождение энергии в отсутствие кислорода. При брожении глюкозы происходит высвобождение энергии в результате серии реакций, каждая из которых катализируется определенным ферментом. Глюкоза сначала активируется фосфатом АТФ, на каждую молекулу глюкозы требуется затратить две молекулы АТФ. Через несколько последовательных ферментативных реакций глюкоза расщепляется на две молекулы. В конечном тоге энергия, высвобождающаяся из одной молекулы глюкозы, запасается в четырех АТФ.