Происхождение жизни на Земле - реферат

- 2 -

СОДЕРЖАНИЕ:

Введение…………………………………………………………………………..3

1. Основные подходы к проблеме происхождения жизни. Гипотеза А.И. Опарина о коацерватной стадии в процессе возникновения жизни…………5

2. Этапы химической и предбиологической эволюции на пути к жизни…8

3. Новая гипотеза об особой роли малых молекул в первичном

зарождении белково-нуклеиновых систем…………………………………...10

Заключение……………………………………………………………………….11

Литература…………………………………………………………………….…13

Приложение………………………………………………………………………14

ВВЕДЕНИЕ:

Чтобы создать полную теорию эволюции, надо в первую оче-редь определить ее отправную точку.

На сегодня есть ряд кон-цепций зарождения жизни на Земле: от божественного проис-хождения, зарождение через эволюцию неживого вещества до информации в гене Вселенной, которая реализуется в уникальных условиях: сочетание антропоцентристского принципа и вне-шних условий космического объекта Вселенной.

Для того что-бы установить начало жизни, нужно определить границу, отде-ляющую живое от неживого, и есть ли она? К сожалению, од-нозначно дать определение живому не удается, но принципи-альные отличительные характеристики указать можно.

Считается, что первые убедительные научные факты пред-ставил Л. Пастер в 1860 г., проведя пастеризацию мяса. Однако из его опытов не следует, что жизнь не может зарождаться из неживого, так как нет сведений о длительности такого процес-са. Им были созданы закритические условия для ее существо-вания и зарождения, то есть Среда была умерщвлена и изоли-рована.

Суть опыта Пастера, основателя микробиологии заключает-ся в том, что он прокипятил мясной бульон и герметично зак-рыл его. Будучи специалистом по кристаллографии, он отме-тил, что вещества небиологического происхождения имеют сим-метричную структуру, а микроорганизмы -- асимметричную. Но и это не убедительно, ибо и у кристалла можно нарушить симметрию, но он не оживет и не разрушится, а живое может быть симметричным.

Приверженцами гена Вселенной, несущего информацию о жизни, были Аррениус, лорд У. Кельвин (1824-1907), Г. Гельмгольц, С. Либих, К. А. Тимирязев (1843-1905) и др. И если колебательно-волновое и вращательное движения наибо-лее характерны для Природы, то "дыхание" Вселенной (расши-рение -- сжатие) должно восприниматься естественно, и ее ген должен нести зачатки жизни. Иначе нарушается вся логика раз-вития Природы.

Кроме логики и философии, существуют и физические пред-посылки, объясняющие зарождение жизни. В 1975 г. обнару-жены в лунном грунте и в метеоритах составляющие аминокис-лот. Правда и эти части Вселенной могли быть порождены Зем-лей.

В 1999 г. жизнь обнаружена на расстояниях до 11 км в верх-них слоях атмосферы и на таких же глубинах в гидросфере и земной коры.

Для создания углеводородов нужны существенные затраты энергии. И жизнь при соответствующих внешних условиях мо-жет возникнуть из неживой материи скачком при появлении не-обходимой энергии (Менделеев, Опарин, Джине и др.) -- от сложных органических веществ перейти к простым живым организмам. Лауреат Нобелевской премии американский генетик -Г. Миллер заявил, что жизнь возникла в форме гена -- элемен-та наследственксстх -- путем случайного сочетания атомных-групп и молекул.

Российский академик А. И. Опарин (1894-1980)в 1936 г. дал описание коллоидной фазы развития жизни и возникновения способности к фотосинтезу у предшественников растительных организмов. Коацерваты уже могут увеличиваться в размерах, делиться на части и подвергаться химическим изменениям на границе, которые носят зачатки метаболизма, а переход к живо-му происходит, когда на смену "соревнованию в скорости роста приходит борьба за существование". С ним созвучен и Д. С. Холдейн (1860-1936), а сама гипотеза носит название Холдейна -Опарина.

В 60-е-70гг.ХХ столетия опыты и расчеты Г.С. Юри, Б. С. Со-колова, X. Оро, К. Миллера, К. Сагана показали, что солнечное излучение способно обеспечить ход мощных процессов синте-за и неорганического фотосинтеза, что могло привести к "вы-живанию" более сложных молекул вместо простых. Итак, тео-рия Опарина получила признание, но переход от сложных орга-нических веществ к простым живым организмам остается тай-ной.

Наиболее лаконичное и нетрадиционное для биологов-нату-ралистов определение жизни дал физик Ф. Типлер (амер.): жизнь -- это закодированная информация, которая сохраняет-ся естественным отбором, не привязанная к нуклеиновым кис-лотам обязательным образом. То есть к белково-нуклеиновой основе жизни можно прийти только через какой-то или какие-то промежуточные переходные этапы. Прямой синтез, возмож-но, и не реализуем.

Другой подход: обнаружение в метеоритах органических ве-ществ позволило предположить, что жизнь была занесена на Землю из космоса. Как могли на Земле в ходе химической эво-люции сложиться из неживого вещества такие высокоупорядоченные системы обмена веществ и воспроизведения? Появление и эволюция человека неразрывно связывают биологию с философией, как биологическая эволюция привела к появле-нию разума, ведь принципиальных различий в строении мозга человека и шимпанзе нет?

Выяснилось, что простейшей структурной единицей мозга служит не отдельная нервная клетка, а их ансамбль со сложны-ми, но фиксированными взаимосвязями. Эволюция мозга, его усложнение идет за счет роста организованности, упорядоченности

Переход от приматов к человеку связан с переходом от био-логических регуляторов внутри сообщества к регуляторам со-циальным. Этого требовала организация трудового процесса.

Строение ансамблей нервных клеток, их связи в мозге про-граммируются генетическим аппаратом. Развитость речевых и двигательно-трудовых структурных ансамблей мозга человека наследуется от родителей. Но наследуются не речь и не трудо-вые навыки, а лишь потенциальная возможность их последую-щего приобретения.

1. Основные подходы к проблеме происхождения жизни. Гипотеза А.И. Опарина о коацерватной стадии в процессе возникновения жизни.

Вначале в науке вообще не существовало проблемы возник-новения жизни. Допускалась возможность постоянного зарождения живого из неживого.

Великий Аристотель (IV в. до н.э.) не сомневался в самозарождении лягушек, мышей. В III в. н.э. философ Плотин (ярко выраженный идеалист) говорил о са-мозарождении живых существ из земли в процессе гниения. В XVII в. голландский ученый Я.Б. Ван-Гельмонт составлял рецепты получения мышей из пшеницы и загрязненного потом белья. В. Гарвей, Р. Декарт, Г. Галилей, Ж.Б. Ламарк, Г. Ге-гель тоже придерживались мысли о постоянно осуществляю-щемся самопроизвольном зарождении живого из неживого.

Но с XVII в. стали накапливаться данные против такого понимания. В 1668 г. тосканский врач Франческо Реди дока-зал, что белые черви в гниющем мясе есть не что иное, как личинки мух. Через 100 лет итальянец Л. Спаллацани и рус-ский М. Тереховский поставили под сомнение представления о самозарождении микроорганизмов.

Окончательно же ученые отказались от подобных представлений лишь во второй полови-не XIX в. В 1862 г. Луи Пастер убедительными опытами дока-зал невозможность самопроизвольного зарождения простейших организмов в современных условиях и утвердил принцип «все живое из живого».

После этого одни ученые поставили вопрос об историчес-ком возникновении жизни в первобытных условиях Земли, дру-гие же склонились к тому, что жизнь на нашей планете никог-да не зарождалась, а была занесена на нее из Космоса, где она существует вечно. Однако такой подход просто снимает про-блему возникновения жизни.

Существует также точка зрения, что жизнь возникла чисто случайно и совершенно внезапно. Американский генетик Г. Меллер (лауреат Нобелевской пре-мии) допускает, что живая молекула, способная размножать-ся, могла возникнуть вдруг, случайно в результате взаимодей-ствия простейших веществ.

Он считает, что элементарная еди-ница наследственности -- ген -- является и основой жизни. И жизнь в форме гена, по его мнению, возникла путем слу-чайного сочетания атомных группировок и молекул, существо-вавших в водах первичного океана. Но подсчеты показывают невероятность такого события. Трудно рассчитывать получить одну молекулу РНК вируса табачной мозаики за 10⁹ лет даже в том случае, если бы весь Космос представлял собой реагирующую смесь нуклеотидов, входящих в РНК.

Большинство уче-ных отказалось от такого предположения.

Ф. Энгельс одним из первых высказал мысль, что жизнь возникла не внезапно, а сформировалась в ходе длительной эволюции материи. Эволюционная идея положена в основу гипотезы сложного, многоступенчатого пути развития материи, предшествовавшего зарождению жизни на Земле, выдвинутой А.И. Опариным в 1924 г. и английским исследователем Дж. Холдейном в 1929 г.

Гипотеза А.И. Опарина о коацерватной стадии в процессе возникновения жизни.

Коацерваты -- это комплексы коллоидных частиц. Они мо-гут возникать, например, из комплексных солей кобальта, кремнекислого натрия и нашатырного спирта, в растворе ацетилцеллюлозы, в хлороформе или бензоле, при смешивании растворов различных белков. Такой раствор, как правило, раз-деляется на два слоя -- слой, богатый коллоидными частица-ми, и жидкость, почти свободную от них.

В некоторых случа-ях коацерваты образуются в виде отдельных капель, видимых под микроскопом. Для их образования необходимо присутствие в растворе нескольких (хотя бы двух) разноименно заряженных высокомолекулярных веществ. Поскольку в водах первичного океана это условие было соблюдено, образование в нем коацерватов могло быть реальным.

А.И. Опарин предположил, что в массе коацерватных ка-пель должен был идти отбор наиболее устойчивых в существо-вавших условиях. Многие миллионы лет шел процесс есте-ственного отбора коацерватных капель. Сохранялась лишь нич-тожная их часть.

Способность к избирательной адсорбции по-степенно преобразовалась в устойчивый обмен веществ. Вмес-те с этим в процессе отбора оставались лишь те капли, которые при распаде на дочерние сохраняли особенности своей струк-туры, т.е. приобретали свойство самовоспроизведения -- важ-нейшего признака жизни.

По достижении этой стадии коацерватная капля превратилась в простейший живой организм. Коацерватные капли были местом встречи и взаимодействия до этого независимо возникавших простых белков, нуклеиновых кис-лот, полисахаридов и липидов.

Отдельная молекула, даже очень сложная, не может быть живой. Ученые считают, что первоначально на молекулярном уровне могли возникать лишь белково- и нуклеино-подобные полимеры, лишенные какой-либо биологической целесообраз-ности своего строения. Только при объединении этих полиме-ров в многомолекулярные фазовообособленные системы могло возникнуть взаимосогласование их структур и биологическое функционирование новых целостных систем.

Это значит, что не разрозненные части определяют собой организацию целого, а целое, продолжая эволюционировать, обусловливает целесо-образность строения частей.

Где-то на той же стадии возникает и естественный отбор, способствующий сохранению наиболее совершенных и целесообразных структур. Здесь много неясно-го, но в трудах ведущих синергетиков И. Пригожина и М. Эйгена и многих других ученых дается все более обосновываемая картина действия отбора на высокомолекулярном и надмолеку-лярном уровнях.

2. Этапы химической и предбиологической эволюции на пути к жизни

Гипотеза А.И. Опарина способствовала конкретному изуче-нию происхождения простейших форм жизни. Она положила начало физико-химическому моделированию процессов обра-зования молекул аминокислот, нуклеиновых оснований, угле-водородов в условиях предполагаемой первичной атмосферы Земли.

После работ немецкого исследователя С. Мюллера и других стало известно, что под воздействием физических излу-чений эти биоорганические молекулы могут образовываться в самых различных смесях, содержащих водород, азот, аммиак, воду, углекислый газ, метан, синильную кислоту и т.п.

Имеется ли этот исходный материал в реальном космическом пространстве? Сейчас установлено наличие в межзвездной среде облаков пыли и газа, в которых обнаружены многие неорганические молекулы Н₂О, NH₃, SO, SiO, H₂S и т.д. Осо-бенно показательно присутствие в космосе таких органических соединений, как формальдегид, цианацетилен, ацетальдегид, формамид, метилформиат.

Сенсацией явилось открытие кос-мических облаков этилового спирта с температурой 200 К и с концентрацией молекул 10¹²-10¹³ в 1 см³. Подобные соедине-ния близки к биоорганическим молекулам или легко могут пре-вратиться в них. Таким образом, достоверно установлено, что в космосе имеются необходимые компоненты для синтеза бо-лее сложных соединений, важных для формирования белков, углеводов, нуклеиновых полимеров и липидов.

Следующие, более сложные звенья эволюционной цепочки обнаружены при изучении вещественного состава метеоритов и лунных пород, доставленных космическим аппаратом. В них обнаружены аминокислоты, алифатические и ароматические углеводороды, предшественники нуклеиновых кислот -аденин и гуанин, порфирин -- простейший химический предше-ственник хлорофилла. И на земле, в древних отложениях с возрастом порядка сотен миллионов и нескольких миллиардов лет, обнаружено множество органических соединений, кото-рые подсказывают возможные пути возникновения жизни (ами-нокислоты, углеводороды, порфирины и др.).

Обращает на себя внимание следующий факт. В нашей га-лактике наиболее распространены водород, углерод, азот, кис-лород, составляющие основу живого. В земной же коре, в лунных породах и метеоритах их очень мало, а преобладают здесь кремний, алюминий, железо. Для первой, космической группы элементов характерна молекулярная форма существования и склонность к флюидному, текучему состоянию (жидкость, газ). Для планетарной группы элементов типично твердое агрегат-ное состояние в виде бесконечных кристаллических структур, в которых невозможно выделить отдельные молекулы.

Мертвые, застывшие, окаменевшие пространства Луны, Меркурия, Марса -- результат утраты ими подвижных флюид-ных элементов, осуществляющих транспортировку вещества и энергии.

На Земле же до сих пор продолжаются более активные химические процессы. И это благодаря остаткам флюидной группы элементов: наличию значительного количества воды, метана, аммиака, других газов и жидкостей в атмосфере, гидросфере, в твердой коре и глубинных породах, откуда лег-кие соединения выделяются в форме вулканических газов или в виде общего газового обмена планеты и окружающей части космоса.

Химическая эволюция на поверхности планет реали-зуется тогда, когда энергия звездного излучения может превра-титься в энергию возбуждения молекулярных структур. Поэто-му решающим условием зарождения жизни на Земле явился фотосинтез.

Возраст нашей Земли более 4 млрд. лет, а следы остатков древних организмов насчитывают 3,2--3,8 млрд. лет.

Если сей-час в атмосфере Земли 78% азота и 21% кислорода, то более 3 млрд. лет назад в атмосфере Земли свободного кислорода прак-тически не было. Тогда температура поверхности Земли была намного выше современной, а атмосфера состояла из паров воды и примеси вулканических газов (азота, углекислого газа, аммиака, метана и др.) Единственным источником ничтож-ных количеств кислорода были реакции фотодиссоциации мо-лекул воды в верхних частях атмосферы под воздействием сол-нечной радиации.

Около 3 млрд. лет назад на Земле пошли энер-гичные процессы окисления за счет кислорода, источником которого явились фотосинтсзирующие живые организмы. Ак-тивность биосферы, в конечном счете, и определила современ-ный состав атмосферы Земли.

Первые достоверные следы жизни обнаружены в отложениях, возраст которых около 3 млрд. лет. К ним относятся следы, оставшиеся от сине-зеленых водорос-лей в известняках Южной Африки, остатки организмов в пес-чаниках Канады. Но им предшествовали более древние и при-митивные формы жизни, а еще ранее -- стадии предбиологической и химической эволюции.

3. Новая гипотеза об особой роли малых молекул в первичном зарождении белково-нуклеиновых систем

На очередном совещании по философским вопросам совре-менной медицины в Президиуме Российской академии медицинских наук исследователи А.В. Олескин, И.В. Ботвинко и Т.А. Кировская сообщили следующее:

«В последние десятиле-тия накапливаются данные о том, что не белок и не ДНК/РНК, вероятно, положили начало доклеточным предшественникам современной жизни -- гипотетическим пробионтам. Жизнь, что представляется все более правдоподобным в свете совре-менных данных, эволюционировала на базе динамичной игры малых молекул (органических и неорганических). Это были ионы металлов (Fe^2t, Zn^2t, AP% N Cu² Co²⁺, Mg²⁺, Са²⁺), соединения серы (дисульфиды, полисульфиды), фосфора (ортофосфат, нитрофосфат, полифосфаты), азота (особенно NO и N₂O), а также небольшие органические молекулы типа ами-нов (этаноламин, холин, гисталины и др.), аминокислот (осо-бенно глицин, гдуатамат, аслартат), углеводородов (например, этилен). ...

Имеется предположение, что даже функция на-следственной передачи признаков, ныне выполняемая нуклеи-новыми кислотами, первоначально зависела от неорганических генов" - матриц для синтеза молекул (вначале даже небелковой природы), построенных на основе алюмосилика-тов глины. Первые биополимеры могли быть результатом авто-каталитических реакций малых молекул...

Имеется общий сце-нарий "возникновения жизни в облаках", где мельчайшие дож-девые капли, озаренные ультрафиолетом первобытного Солн-ца и поглощающие частицы соединений металлов и неметал-лов в ходе пыльных бурь, обеспечивали достаточную суммар-ную поверхность для фотоиндуцированного гетерогенного ка-тализа и последующего синтеза более сложных, органических молекул, поступавших с дождевыми потоками в океан, где жизнь "дозревала" уже в соответствии с опаринским сценари-ем "первичного бульона" и "коацерватных капель"»¹.

Изложенный подход представляется весьма интересным раз-витием гипотезы А.И. Опарина. Главное теперь -- в оконча-тельном экспериментальном подтверждении (или отрицании!) и старой, и новой гипотез.

_________________________________________________________________

¹ Совещание по философским проблемам современной медицины. 16 января 1997 г. - М., 1997. - С. 88-89.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ:

Естествознание затрагивает широкий спектр вопросов о многочисленных и всесторонних проявлениях свойств Природы.

При физико-информационном подходе Вселенная -- сверх-система, способная к самоорганизации, самоуправлению на всех этапах и уровнях существования, а потому к ней применимы основные идеи теории информации и семиотики, в том числе принцип знакового посредника, кибернетический и антропный принципы.

Исходя из этого можно прийти к пониманию сущ-ности эволюции Вселенной с точки зрения реализации единого космологического кода, изначально заданного и содержащего-ся в ее электромагнитном спектре. При этом чисто теоретичес-кая умозрительная реконструкция фотонной фазы эволюции должна привести к иному пониманию существа не только физического пространства-времени и материи, но и всего разно-образия физико-химических, биохимических, социобиологических, социотехнологических и ноокосмических эволюционных процессов во Вселенной.

Поиск новых теорий, которые могли бы заменить Общую Теорию Относительности, бу-дут продолжаться и впредь -- такова логика развития науки.

А. А. Логунов утверждает, что "создание ОТО получено це-ной отказа от законов сохранения вещества и гравитационного поля вместе взятых" . В постньютоновском изложении его по-левая теория гравитации совпадает с ОТО, но при рассмотре-нии вопроса о сильных полях могут быть существенные рас-хождения.

ОТО не дает решений существования Вселенной, не прошед-шей через сингулярную точку, однако ни описать, ни осознать ее современная наука не в состоянии, поэтому ряд ученых со-гласились с теологами в рассуждениях о сотворении Мира.

Заслуживают внимание слова Борна: "Атеистам, которым не нравится "начало", потому что его можно истолковать как со-творение, следует сказать, что начало Вселенной в том виде, как оно нам известно, может быть концом другой формы разви-тия материи, хотя практически было бы совершенно невозмож-но узнать что-нибудь относительно этого периода, поскольку все следы в хаосе разрушения и перестройки".

Один из столпов церкви, идеолог католицизма, Фома Аквинский (1225 - 1274) по этому поводу сказал: "В начало Мира мож-но не верить, но его невозможно ни доказать, ни осознать умом"

По некоторым гипотезам в микромире пространство и вре-мя могут иметь иное, чем в макромире, число измерений. Не-сомненно, что со временем связь микро- и мегамиров, физики элементарных частиц и космологии будет проявляться все тес-нее и в самых неожиданных ракурсах.

В настоящее время известен генетический код и установле-на передача наследственной информации при помощи языка белковых молекул. Существование языка электромагнитных волн, который объединяет Мир в единое целое, будет иметь уни-версальное значение для системы световещества. Это должно привести к пониманию единой информационной Природы все-го сущего.

Знание концепций современного естествознания поможет людям вне зависимости от их профессии понять и представить уровень материальных и интеллектуальных затрат современных исследований, позволяющих проникнуть в суть явлений Мира и осознать чрезвычайную важность проблем сохранения окру-жающей Среды.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Горохов В. Г. Концепции современного естествознания. -- М: Инфра-М, 2000.

2. Горелов А. А. Концепции современного естествознания.-- М.: Центр, 1997.

3. Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. -Новосибирск. ЮКЭА, 1997.

4. Кокин А. В. Концепции современного естествознания. -- М.: 1998.

5. Лавриенко В. Н.идр. Концепции современного естествозна-ния. -- М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997.

6. Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания: Учеб. Пособие . - М.: ВЛАДОС, 2001

ПРИЛОЖЕНИЕ:

Этапы развития жизни на Земле