X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
В этом вопросе с древности существуют две противоположные точки зрения. В соответствии с первой утверждается возможность происхождения живого из неживого – теория абиогенеза. Представители теории биогенеза, отрицают самопроизвольное зарождение жизни. (Жизнь столь же стара, как и неживая материя). Вокруг этих двух направлений и происходит спор о возникновении жизни на всём протяжении истории человечества. В разное время относительно возникновения жизни на Земле выдвигались следующие Гипотезы:
Креационизм (от англ. creation – создание) – религиозно-философская концепция, в рамках которой всё многообразие органического мира, человечества, планеты Земля, а также мир в целом, рассматриваются как намеренно созданные неким верховным существом или Творцом. Гипотезу божественного возникновения живого можно принять только на веру, так как её нельзя экспериментально проверить или опровергнуть. Эта теория не даёт удовлетворительного ответа на вопрос о причинах возникновения и существования самого верховного существа, обычно просто постулируя его безначальность.
Гипотеза Панспермии.Гипотеза выдвинута немецким химиком Ю. Либихом (1808–1875) и окончательно сформулирована шведским учёным С. Аррениусом (1859–1927). Согласно этой гипотезе, жизнь могла быть занесена на Землю из Космоса. Наиболее вероятно попадание живых организмов внеземного происхождения с метеоритами и космической пылью. Это предположение основывается на данных о высокой устойчивости некоторых организмов и их спор к радиации, глубокому вакууму, низким температурам и другим воздействиям. Однако до сих пор нет достоверных фактов, подтверждающих внеземное происхождение микроорганизмов, найденных в метеоритах. Но если бы даже они попали на Землю и дали начало жизни на нашей планете, вопрос об изначальном возникновении жизни оставался без ответа.
Гипотеза самопроизвольного зарождения. Согласно этой концепции, жизнь произошла естественным путем в результате саморазвития химических и физических процессов.
В античное время и в Средние века были распространены взгляды о том, что живые организмы возникают из неживого материала. Аристотель (384–322 г. до н. э.), считал, что лягушки в прудах возникают из ила, мухи – из грязи; Ван Гельмонт (1575–1640) в своей книге указывал на возможность зарождения мышей из грязного белья; врач Парацельс (1485–1540) опубликовал способ искусственного изготовления человека («гомункулюса»).
С развитием биологии, с усовершенствованием методов исследований позиции учёных, утверждающих возможность самопроизвольного зарождения жизни, были поколеблены.
В 1668 году итальянский биолог и врач Франческо Реди (1626–1698) подошёл к проблеме возникновения жизни более строго и подверг сомнению теорию спонтанного зарождения. Он доказал, что маленькие белые червячки, появляющиеся на гниющем мясе, – это личинки мух. Проведя ряд экспериментов, он получил данные, подтверждающие мысль о том, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (концепция биогенеза). Это был неотразимый удар по представлению о самопроизвольном зарождении.
Исключительный интерес к проблемам самозарождения жизни побудил Парижскую Академию в 1860 г. назначить премию за её решение. Премия была присуждена выдающемуся французскому ученому-химику и бактериологу Луи Пастеру (1822–1895). Своими опытами он доказал, что бактерии вездесущи и что неживые материалы легко могут быть заражены живыми существами, если их не стерилизовать должным образом. Учёный кипятил в воде различные среды, в которых могли бы образоваться микроорганизмы. При дополнительном кипячении микроорганизмы и их споры погибали. Пастер присоединил к S-образной трубке запаянную колбу со свободным концом. Споры микроорганизмов оседали на изогнутой трубке и не могли проникнуть в питательную среду. Хорошо прокипяченная питательная среда оставалась стерильной, в ней не обнаруживалось зарождения жизни, несмотря на то, что доступ воздуха был обеспечен.
В результате ряда экспериментов Л. Пастер доказал справедливость теории биогенеза и окончательно опроверг теорию спонтанного зарождения. Однако на вопрос, откуда взялись на земле первые живые организмы, опыты Л. Пастера ответа не дали.
Гипотеза стационарного состояния.Согласно этой теории Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень незначительно. Согласно этой версии, виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности – либо изменение численности, либо вымирание.
Однако гипотеза стационарного состояния в корне противоречит данным современной астрономии, которые указывают на конечное время существования любых звёзд и, соответственно, планетных систем вокруг звёзд. По современным оценкам, основанным на учёте скоростей радиоактивного распада, возраст Земли, Солнца и Солнечной системы исчисляется ~4,6 млрд лет. Поэтому эта гипотеза обычно не рассматривается академической наукой.
Концепция абиогенеза. Согласно этой концепции органические вещества и живые организмы возникли абиогенным путем в результате длительной физико-химической эволюции материи.
Существенный вклад в решение вопроса о происхождении жизни внесли академик АН СССР биохимик А.И. Опарин (1894–1980), английские естествоиспытатели Дж. Бернал (1901–1971) и Б.С. Холдейн (1892–1964) и др.
В 1924 году А.И. Опарин в своей опубликованной работе «Происхождение жизни» впервые сформулировал естественно-научную концепцию происхождения жизни, согласно которой возникновение жизни результат длительной эволюции на Земле, сначала химической, а затем биологической.
Необходимо подчеркнуть, что независимо от А.И. Опарина к таким же выводам пришёл в 1929 году английский учёный Дж. Холдейн.
Общим во взглядах А. Опарина и Дж. Холдейна было объяснение возникновения жизни в результате химической эволюции. Оба они подчёркивали огромную роль первичного океана как огромной химической лаборатории, в которой образовался «первичный бульон».
Зарождение жизни не произошло само по себе, а совершилось благодаря определённым внешним условиям, сложившимся к тому времени (рис.).
Рис – Условия первичной атмосферы Земли
Главное условие возникновения жизни связано с массой и размерами нашей планеты. Доказано, что если масса планеты больше чем 1/20 массы Солнца, на ней начинаются интенсивные ядерные реакции.
Следующим важным условием возникновения жизни являлось наличие воды. Значение воды для жизни исключительно. Это обусловлено её специфическими термическими особенностями: огромной теплоёмкостью, слабой теплопроводностью, расширением при замерзании, хорошими свойствами как растворителя.
Третьим элементом явился углерод, который присутствовал на Земле в виде графита и карбидов. Из карбидов при их взаимодействии с водой образовывались углеводороды.
Четвертым необходимым условием являлась внешняя энергия. Такая энергия на земной поверхности имелась в нескольких формах: лучистая энергия Солнца, в частности ультрафиолетовый свет, электрические разряды в атмосфере и энергия атомного распада природных радиоактивных веществ.
На первом этапе химической эволюции произошёл абиогенный синтез органических веществ из неорганических. А.И. Опарин полагал, что органические вещества, возможно углеводороды, могли создаваться в океане из более простых соединений. Энергия для этих реакций синтеза доставлялась интенсивной солнечной радиацией, которая достигала поверхности Земли до тех пор, пока не образовался озоновый слой, способный задерживать большую часть солнечной радиации.
Возможность абиогенного синтеза была подтверждена в опытах американского учёного С. Миллера в 1955 году. Он создал прибор, с помощью которого можно было в миниатюре воспроизвести условия, существовавшие на первобытной Земли.
Соединения, возникшие на основе углерода, образовали «первичный бульон» гидросферы. Существует научная гипотеза, согласно которой содержащие углерод и азот вещества возникали в расплавленных глубинах Земли и выносились на поверхность при вулканической деятельности. Размываясь водой, они могли попасть в океан, где участвовали в образовании «первичного бульона».
Второй важнейший шаг в образовании живых организмов заключался в том, что из множества отдельных молекул органических веществ, существовавших в первичном океане Земли, возникли упорядоченные сложные вещества – биополимеры: белки и нуклеиновые кислоты. Они уже обладали важнейшим биологическим свойством – воспроизводить аналогичные себе молекулы.
Когда на Земле возникли вещества подобные белкам, начался новый этап в развитии материи – переход от органических соединений к живым существам. Первоначально, органические вещества находились в морях и океанах в виде растворов. В них не было какого-либо строения, какой-либо структуры. Но когда подобные органические соединения смешивались между собой, из растворов выделялись особые полужидкие, студенистые образования – коацерваты. В них концентрировались все находящиеся в растворе белковые вещества. При образовании коацерватов возникали зачатки организации, однако, ещё очень примитивной и неустойчивой. Любая коацерватная капелька была способна улавливать из раствора, в котором плавает, вещества. Они химически присоединялись к веществам самой капельки. Таким образом, в ней протекал процесс созидания и роста. Но в любой капельке наряду с созиданием существовал и распад. Если в капельке преобладали процессы разложения, то она распадалась. Вещества, её составляющие, переходили в раствор и поглощались другими капельками. Таким образом, все случайно возникающие формы организации сами собой выпадали из процесса дальнейшей эволюции материи.
В новом поколении все неудачно организованные капельки погибали, а наиболее совершенные участвовали в дальнейшей эволюции материи. Так в процессе возникновения жизни происходил естественный отбор коацерватных капелек.
В конечном итоге усовершенствование коацерватов привело к новой форме существования материи – к возникновению на Земле простейших живых существ.
Трудно предположить, какими могли быть первые организмы. Однако очевидно, что все они развивались в анаэробной среде, используя для своего роста готовые органические соединения, синтезированные в ходе химической эволюции, т.е. они представляли собой гетеротрофов. Это были клетки без ядра, но имели нити ДНК и напоминали ныне существующих бактерий. Постепенно возникли процессы обмена веществ, основанные на использовании энергии реакций брожения для синтеза органических веществ. Позже появились автографы, способные к хемосинтезу (железобактерии, серобактерии).
Следующим важнейшим этапом эволюции жизни на Земле было возникновение процесса фотосинтеза, который могли осуществлять цианобактерии. В этих условиях первичные живые организмы выработали в себе способность строить органические вещества из элементов неорганической природы – из углекислоты и воды. В процессе последовательного развития у них появилась способность поглощать энергию солнечного луча, разлагать за счёт этой энергии углекислоту и строить в своем теле из её углерода и воды органические вещества. Так возникли простейшие растения – сине-зеленые водоросли.
Другие живые существа сохранили прежний способ питания, но пищей им стали служить первичные растения. Так возникли в своем первоначальном виде животные.
Благодаря фотосинтезу стал изменяться газовый состав атмосферы. В ней постепенно накопился газообразный кислород (путем диффузии из водной среды), затем образовался озоновый экран Земли, защитивший планету от жёстких космических лучей. Вследствие действия газообразного кислорода стало возможным кислородное окисление органических веществ, энергетически более выгодное, чем бескислородное. Таким образом, жизнь перешла к аэробному существованию, и живые организмы смогли заселить сушу.
На заре жизни и растения, и животные были мельчайшими одноклеточными существами, подобными живущим в наше время бактериям, сине-зеленым водорослям, амебам. Большим событием в истории последовательного развития живой природы стало возникновение многоклеточных организмов, т. е. живых существ, состоящих из многих клеток, объединенных в один организм. Постепенно, но значительно быстрее, чем раньше, живые организмы становились все сложнее и разнообразнее.
С образованием сложных ультра молекулярных систем (пробионтов) включающих нуклеиновые кислоты, белки ферменты и механизм генетического кода, появляется жизнь на Земле. Пробионты нуждались в различных химических соединениях – нуклеотидах, аминокислотах и др. Из-за низкой степени генетической информации, пробионты обладали достаточно ограниченными возможностями. Дело в том, что они использовали для своего роста готовые органические соединения, синтезированные в ходе химической эволюции, и если бы жизнь на своем раннем этапе существовала только в форме одного вида организмов, то первичный бульон был бы достаточно быстро исчерпан. Благодаря тенденции к приобретению большого разнообразия свойств, и в первую очередь, к возникновению способности синтезировать органические вещества из неорганических соединений с использованием солнечного света, этого не произошло.
В начале следующего этапа образуются биологические мембраны-органеллы, ответственные за форму, структуру и активность клетки. Биологические мембраны построены из агрегатов белков и липидов, способных отграничить органическое вещество от среды и служить защитной молекулярной оболочкой. Предполагается, что образование мембран могло начаться ещё в процессе формирования коацерватов. Но для перехода от коацерватов к живой материи были необходимы не только мембраны, но и катализаторы химических процессов – ферменты, или энзимы. Отбор коацерватов усиливал накопление белковоподобных полимеров, ответственных за ускорение химических реакций. Результаты отбора фиксировались в строении нуклеиновых кислот. Система успешно работающих последовательностей нуклеотидов в ДНК усовершенствовалась именно путем отбора. Возникновение самоорганизации зависело как от исходных химических предпосылок, так и от конкретных условий земной среды. Самоорганизация возникла как реакция на определенные условия. При самоорганизации отсеивалось множество различных неудачных вариантов, до тех пор, пока основные черты строения нуклеиновых кислот и белков не достигли оптимального соотношения с точки зрения естественного отбора.
Благодаря предбиологическому отбору самих систем, а не только отдельных молекул, системы приобрели способность совершенствовать свою организацию. Это был уже следующий уровень биохимической эволюции, который обеспечивал возрастание их информационных возможностей. На последнем этапе эволюции обособленных органических систем сформировался генетический код. После образования генетического кода эволюция развивается вариациями. Чем дальше она продвигается во времени, тем многочисленнее и сложнее вариации.
Однажды возникнув, жизнь стала развиваться быстрыми темпами показывая ускорение эволюции во времени. Так, развитие от первичных пробионтов до аэробных форм потребовало около 3 млрд лет, тогда как с момента возникновения наземных растений и животных 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 3 млн лет.
Заключение
Истинная основа жизни образовалась в результате появления клетки, в которой биологические мембраны объединили отдельные органеллы в единое целое.
Появление клеточных форм ознаменовало начало биологической эволюции, первые этапы которой характеризовались появлением эукариотических организмов, полового размножения и возникновением первых многоклеточных организмов.
Первые клетки были прообразом всех живых организмов: растений, животных, бактерий. Позже, в процессе эволюции, под воздействием дарвиновских законов естественного отбора клетки совершенствовались и появились специализированные клетки высших многоклеточных, растений и животных.
Итак, живой мир сотворён. На это потребовалось более 3 миллиардов лет, и это было самым трудным. Не поддаётся перечислению огромное количество вариантов развития исходных углеродных соединений. Однако самым важным был результат – возникновение жизни на Земле.
Список использованной литературы
1. Абиогенез – это что такое? [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://fb.ru/article/317637/abiogenez---eto-chto-takoe.
2. Возникновение жизни // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%B7%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%B6%D0%B8%D0%B7%D0%BD%D0%B8.
3. Возникновение жизни на Земле // Форнит «Мировоззрение» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://scorcher.ru/art/theory/evolition/life1.php.
4. Реди, Франческо // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B5%D0%B4%D0%B8,_%D0%A4%D1%80%D0%B0%D0%BD%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%BE.
5. Теория абиогенеза // Науколандия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: http://scienceland.info/biology10/abiogenesis.
6. Френкель, Е.Н. Концепции современного естествознания : физические, химические и биологические концепции : учеб. пособие / Е.Н. Френкель. – Ростов н/Д : Феникс, 2014. – 246 с.