•   Сделать стартовой   •   Добавить в избранное   •   Сегодня
Лекции  
Введение  
Тема 1  
Тема 2  
Тема 3  
Тема 4  
Тема 5  
Тема 6  
Тема 7  
Тема 8  
Тема 9  
Тема 10  
Тема 11  
Тема 12  
Тема 13  
Тема 14  

Скачать  
Введение  
Тема 1  
Тема 2  
Тема 3  
Тема 4  
Тема 5  
Тема 6  
Тема 7  
Тема 8  
Тема 9  
Тема 10  
Тема 11  
Тема 12  
Тема 13  
Тема 14  
  Добро пожаловать на наш информационный ресурс!  

Тема 9.

Теории появления живого.

После изучения предыдущих научных тем, мы можем ответить (более или менее подробно) на вопросы:

  • Что такое Вселенная?
  • Как она "устроена"?
  •  Как она развивается?

 

Возникают новые вопросы:

  • Что такое Жизнь?
  •  Как она возникла?
  •  Из чего она "построена"?

 

К настоящему времени считается общепризнанным, что возникновение жизни на Земле представляло собой закономерный процесс. Что характерно для жизни? Что можно назвать живым и что надо считать неживым? Какие процессы идут в живых существах или, другими словами, каков метаболизм современных живых существ?

 

Конечно, первое, что вспоминается, это библейская концепция происхождения жизни.

Вот что говорится в Библии:

Первая книга Моисеева.
БЫТИЕ
Глава 1

В начале сотворил Бог небо и Землю.
Земля же была безводна и пуста, и тьма
Над бездною; и Дух Божий носился над водою.
И сказал Бог: да будет свет. И стал свет.
И увидел Бог свет, что он хорош; и отделил
Бог свет от тьмы.
И назвал Бог свет днем, а тьму ночью.
И был вечер, и было утро: день один.

И сказал Бог: да произведет вода пресмыкающихся,
Душу живую; и птицы да полетят над
Землею, по тверди небесной.
И сотворил Бог рыб больших и всякую душу
животных пресмыкающихся, которых произвела
вода, по роду их, и всякую птицу пернатую
по роду ее. И увидел Бог, что это хорошо.
И благословил их Бог, говоря: плодитесь и
размножайтесь, и наполняйте воды в морях, и птицы
да размножаются на Земле.
И был вечер, и было утро: день пятый.

 

С научной точки зрения, далеко не все так просто.
Одно из главных затруднений, стоящих перед биологами, - как строго разграничить живое и неживое. Действительно, не всегда просто провести четкую границу между самыми низшими, одноклеточными или предклеточными организмами, с одной стороны, и крупными неживыми молекулами - с другой. Или между крайне простыми способами метаболизма и размножения, очень сходными с химическими реакциями и сложными химическими взаимодействиями очень крупных молекул, которые по многим причинам надо считать неживыми. (долгое время считалось, что характерной особенностью живых организмов - наличие в них белка, так как их метаболизм определяется свойствами белков. Однако белок можно синтезировать и без участия живых организмов).
Академик Опарин: жизнь - "белковые тела, обладающие упорядоченным обменом веществ". Но в этом определении не учитывается важное свойство живых организмов - размножение.

Академик А.А.Ляпунов: жизнь - "высокоустойчивое состояние вещества, использующее для выработки сохраняющих реакций информацию, кодируемую состоянием отдельных молекул".

Определение жизни, предложенное биологами, таково: жизнь есть "макромолекулярная система, для которой характерна определенная иерархическая организация, а также способность к воспроизведению, обмен веществ и тщательно регулируемый поток энергии".

Живой целостной системе присущи следующие свойства:

  • множественность элементов, из которых она состоит;
  • наличие связей как между элементами, так и с внешней средой;
  • наличие взаимодействий с помощью этих связей как между элементами, так и с внешней средой;
  • согласованная организация взаимодействия элементов в пространстве и во времени, направленная на осуществление функций живой системы.

Живой системе присущи основные характеристики:

  1. Единство химического состава.
    98% - 4 элемента: С,O,N,H и биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, ферменты и т.п.).
  2. Открытость живых систем - обмен веществ (метаболизм).
  3. Живые системы - самоуправляющиеся, саморегулирующиеся, самоорганизующиеся системы.
  4. Живые системы - самовоспроизводящиеся системы. Сохраняется жизнь вида.
  5. Изменчивость.
  6. Способность к росту и развитию.
  7. Раздражимость живых систем.
  8. Целостность и дискретность.

Рассмотрим вопрос о происхождении жизни:

  1. Самопроизвольное зарождение жизни из неживого вещества.
  2. Вечное существование жизни.
  3. Занесение жизни на Землю из Космоса.
  4. Биохимические теории зарождения жизни.

  1. Самопроизвольное (спонтанное) зарождение.

    Теория очень древняя, распространенная еще в Китае, Египте и Вавилоне. Анаксимандр: из морского ила. В Греции она нашла проявление в учении Эмпедокла об органической эволюции. Ее же придерживался и Аристотель. Аристотель связывал все организмы в непрерывный ряд - "лестницу природы" (scala naturae): "Ибо природа совершает переход от безжизненных объектов к животным с такой плавностью поместив между ними существа, которые живут, не будучи при этом животными, что между соседними группами, благодаря их тесной близости, едва можно заметить различия". Согласно Аристотелю, определенные частицы вещества несут в себе "активное начало", способное в подходящих условиях создать живой организм. Это "начало", по мнению Аристотеля, можно обнаружить в оплодотворенном яйце, гниющем мясе, тине и солнечном свете: "Таковы факты - живое может возникать не только в результате спаривания животных, но и разложения почвы... Некоторые растения развиваются из семян, а другие самозарождаются под действием сил природы из разлагающейся земли или определенных частей растений..."
  2. Все живое - из живого. Биогенез.
    На рубеже XVI-XVII в.в. Ван Гельмонт описал эксперимент, в котором ему удалось из грязного белья и пшеницы, помещенных в темный шкаф, получить мышей. Активным началом зарождения мыши Ван Гельмонт считал человеческий пот. В 1688 году флорентийский биолог и врач Франческо Реди провел более строгий эксперимент: в сосуды было помещено мясо, рыба, змеи, часть сосудов была запечатана, часть оставалась открытой. Выяснилось, что в запечатанных сосудах никакого зарождения не произошло, в открытых же завелись личинки мух. Проведя ряд экспериментов, он получил данные, подтверждавшие мысль о том, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (концепция биогенеза). Ученый сформулировал свой знаменитый принцип (принцип Реди)-Omne vivum e vivo (все живое из живого). Но это означает, что жизнь -вечна.
    В 1765 году Ладзардо Спалланцани подвергнул мясные и овощные отвары кипячению и сразу же запечатал их. Через несколько дней он исследовал отвары и не обнаружил никаких признаков жизни. Из этого он заключил, что высокая температура уничтожила все живое, и ничего нового уже не могло возникнуть. Окончательно теория самозарождения была повержена в опытах Луи Пастера, доказавшего справедливость теории биогенеза, т.е. происхождения жизни из предшествующей жизни.
    Теория биогенеза порождает проблему. "Если для возникновения живого организма необходим другой живой организм, то откуда взялся самый первый живой организм?"
  3. Теория занесения жизни на Землю из Космоса (теория панспермии).
    Данная теория не предлагает никакого механизма возникновения жизни, просто выдвигая постулат о внеземном ее происхождении. Швед А.Аррениус считал, что "семена жизни" могли быть заброшены на Землю с других планет. Утверждается, что жизнь могла возникать неоднократно в различное время и в разных местах Вселенной. При изучении метеоритных материалов действительно были обнаружены некоторые вещества - предшественники живого, а также структуры, похожие на простейшие микроорганизмы. Однако трудно объяснить, как микроорганизмы способны сохранить свою жизнеспособность при столь длительных путешествиях, будучи не защищенными от ультрафиолетового излучения. Вероятно, они могли сыграть свою роль в зарождении или разнообразии земной жизни.
    Но остается нерешенным вопрос- как зародилась жизнь на другом космическом теле, с которого "эмигрировали" эти споры.
  4. Биохимическая эволюция.
    Исторически эта теория связывается с именем замечательного русского ученого А.И. Опарина: в 1924 Л.И.Опарин опубликовал работы: "От разрозненных элементов к органическим соединениям" и "От органического вещества к живому существу". Опарин высказал мнение, что в условиях первичной атмосферы Земли, значительно отличающейся от нынешней, мог происходить синтез всех необходимых для зарождения жизни веществ- предшественников. В далекие геологические эпохи условия на поверхности Земли резко отличались от современных.


    Считается, что первичная атмосфера состояла преимущественно из аммиака, воды, метана, окиси и двуокиси углерода. Отсутствие кислорода придавало ей восстановительные свойства. В таких условиях органические вещества (органические соединения - это химические соединения углерода с другими элементами) могли создаваться гораздо проще и могли сохраняться, не претерпевая распада длительное время. Опарин полагал, что сложные вещества могли синтезироваться из более простых в условиях океана. Через эту атмосферу легко проникала коротковолновая ультрафиолетовая часть солнечного излучения, которая сейчас задерживается в верхних слоях атмосферы озоном. Иными были и температурные условия. В насыщенной водяными парами нагретой атмосфере были нередки электрические разряды. В этих условиях мог произойти и, по-видимому, произошел абиогенный синтез ряда органических соединений. В океанах постепенно накопились органические вещества и образовался, по выражению Опарина, "первичный бульон", в котором затем возникла жизнь. (См. далее эксперимент Стэнли Миллера). Но главный вопрос - механизм перехода от неживого к живому - теория Опарина все же оставляет открытым. Предполагается, что это выглядело следующим образом. Главная роль принадлежала белкам - они образовывали коллоидные гидрофильные комплексы с молекулами окружающей их воды. Эти комплексы формировали своеобразные мицеллы. Слияние таких комплексов друг с другом приводило к их отделению от водной среды, что получило название коацервации. Капли-коацерваты могли обмениваться веществами с окружающей средой и накапливать различные соединения. Различие состава коацерватов открывало возможности для биохимического естественного отбора. В самих каплях происходили дальнейшие химические превращения попавших туда веществ. На границе капель с внешней средой выстраивались молекулы жиров (липиды), образуя примитивную мембрану, повышающую стабильность всей системы. При включении в коацерват или при образовании внутри него первой молекулы, способной к самовоспроизведению тем или иным путем, появлялась первая клеткоподобная структура. Коацерватные капли могли расти и даже размножаться - капли, ставшие большими, делились на две или больше частей. Такие образования А.И.Опарин называет "протобионтами", т.е. предшественниками живых организмов. Рост размеров коацерватов и их деление, еще статистическое, могло привести к образованию идентичных копий коацерватов. Они также поглощали компоненты окружающей среды, и процесс продолжался. Таким путем мог возникнуть первый гетеротрофный организм, использовавший для питания органические вещества "первичного бульона".

    В мире идеи Опарина стали известны в основном из английского перевода его книги [Опарин А.И. The Origin of Life, 2r.ded.. Dover, New York, N. Y., 270 pp.,1938]. В 1928 г. английский биолог Холдейн (независимо от Опарина) в качестве одного из важнейших факторов он считал ультрафиолетовое излучение Солнца. Под воздействием этого вида энергии в первичной атмосфере Земли формировались самые различные органические соединения. Среди них могли быть сахара и некоторые из аминокислот, необходимые для построения белка. Впоследствии идеи Опарина и Холдейна были объединены английским физиком Берналом в книге "Физические основы жизни" [Bernal J. D., The Physical Basis of Life, Routledge and Paul, London, 80, 1951], который подвел под биологические идеи прочный фундамент физики и химии.
    Таким образом, из изложенного вытекает основное положение:
    живые организмы произошли из неживой природы (абиогенный процесс), причем биологической эволюции предшествовал длительный период химической эволюции- период образования и усложнения молекул органических соединений. Это был естественный процесс, связанный с притоком энергии, который проходил в специфических условиях, отсутствующих сейчас на Земле.

    Все изложенное требовало экспериментального подтверждения. В 1953 г. Стенли Миллер поставил эксперимент: в камеру с "атмосферой" (смесь газообразного водорода, аммиака и метана) и водой были вмонтированы электроды для получения электрических разрядов, имитировавших молнии, - возможный источник энергии для химических реакций на первобытной Земле. Потребовалась всего неделя, чтобы в "океане" обнаружилось много различных органических соединений, в том числе аминокислот, аденин, рибозу, другие простые сахара...

    В схожем опыте Орджелом были получены короткие НК (олигонуклеотиды). В результате этих исследований стало понятно, что основные органические вещества-мономеры, необходимые для возникновения полимерных молекул НК и белков, действительно могли быть химически получены в условиях пребиотического мира, т.е. мира, еще лишенного жизни. В отсутствие кислорода, который мог бы их разрушить, а также бактерий и грибов, которые использовали бы их в качестве пищи, эти вещества действительно должны были накапливаться в первобытном океане до консистенции бульона. При нагревании сухой смеси аминокислот получают цепи аминокислот, которые были названы протеноидами (т.е. белкоподобными веществами). Некоторые протеноиды способны, подобно ферментам, катализировать определенные химические реакции; возможно, именно эта способность была главной чертой, определившей их последующую эволюцию вплоть до возникновения настоящих ферментов.
    Смешанные в воде разные виды полимеров могли объединиться и образовать более крупные структуры. Чтобы превратиться в клетку, этот агрегат должен был обладать хотя бы зачатками свойств клетки: наличие липидно-белковой мембраны, отделяющей клетку от окружающей среды и осуществляющей обмен различными веществами между клеткой и средой, белков, способствующих этому обмену со средой, выполняющих роль структурных белков и катализирующих бесчисленные биохимические реакции в клетке, и нуклеиновых кислот, содержащих информацию для синтеза совершенно определенных белков. Эти агрегаты действительно обнаруживают какие-то следы всех упомянутых признаков.

Роль планеты Земля в развитии живого.

А не могла ли возникнуть жизнь в холодных газопылевых облаках в далеком космосе, ведь и там обнаружены органические соединения - синильная кислота, формальдегид, метиламин, спирты.
В Галактике температура очень низка ( 3К), поэтому реакции образования полимеров идут очень медленно. Кроме того, сказывается отсутствие воды, которая служит катализатором реакций. На метеоритах находят аминокислоты, но опять же отсутствие воды не приводит к дальнейшей химической эволюции.
Вывод: для осуществления абиогенеза необходима планета, но не всякая, а на которой есть вода.
Значит, планета должна быть теплой (температура 0-100оС), планета должна быть в "шубе", т.е. окружена атмосферой. (Вспомним, что на Луне температура изменяется от +110оС днем, -120оС ночью). Атмосфера играет роль защитного экрана.
"Зеленая планета" - с атмосферой, гидросферой и "комфортными" условиями

Обязательно ли должна быть вода и углерод?
Живые организмы состоят из ограниченного числа химических элементов - углерода, кислорода, азота, фосфора, водорода, серы, калия, кальция и магния.

Рассмотрим альтернативные варианты :
  1. С (углерод) -> Si (кремний)
    Как известно из химии, между кремнием и углеродом есть химическое сходство, поэтому можно предположить возможную замену С на Si в химических соединениях, входящих в состав живого вещества, но соединения Si и Н (аналоги углеводородов) неустойчивы при нормальных температурах. Поэтому делаем вывод - замена углерода на кремний маловероятна для возникновения жизни.
  2. Жидко-аммиачная жизнь.
    Посмотрим, что получится при замене кислорода на аминогруппу (=NH) в органической молекуле, т.е. при замене воды на жидкий аммиак (как шутят ученые, когда Бог создавал Человека, черт мог ему "подсунуть" вместо воды аммиак). Но аммиак как жидкость существует в очень узком температурном диапазоне: от -77.7 до -33.4ОС (всего 44 градуса в отличие от 100 для воды), кроме того, современные исследования показывают, что в этом случае для деятельности клеточных мембран потребуются соединения CsCl и RbCl, а элементы Cs и Rb очень редко встречаются в космосе, поэтому и возникновение таких форм жизни маловероятно.
  3. Галоген-углеродная форма жизни.
    Можно рассмотреть еще одну возможную замену водорода на галогены F или Cl. Но эти химические элементы также мало распространены в космосе, и наоборот, Н - основной элемент Вселенной. Поэтому галоген-углеродная форма жизни также маловероятна.
Таким образом мы приходим к тезису о водно-углеродном шовинизме в происхождении жизни.

Возвратимся к нашей Земле.

Для построения клетки - первичной единицы живого - необходимы сложные химические соединения - белки, жиры, сахара.
Белки - из аминокислот.

При наличии атмосферы, гидросферы и Солнца на ранней Земле из водорода, метана и аммиака под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца возможно образование в воде аминокислот, оснований нуклеиновых кислот, сахаров и других биологически важных молекул.
Как долго должны существовать эти условия? Земля существует около 4.5 млрд. лет, а научные исследования показывают, что уже 3.5 млрд. лет тому назад жизнь на планете существовала. Итак, для зарождения жизни потребовался примерно 1 млрд. лет.
В 1964г. американский астрофизик К.Саган показал, что за 1 млрд. лет на 1см2 Земли могло накопиться до сотен килограммов амино- и органических кислот, необходимых для дальнейшего производства клетки.


Существуют и проблемные вопросы, связанные с первыми этапами возникновения жизни.
Сегодня есть указания, что ранняя атмосфера Земли за счет фотохимических процессов стала окислительной, т.е. в ней появился свободный кислород. Такой состав атмосферы не очень благоприятен для синтеза аминокислот (по концепции Миллера), однако в окрестностях вулканов облака дыма и пара могли служить защитой для молекул метана и аммиака.
Поэтому ученые обратили внимание на океанские глубины. В настоящее время обнаружены в океане на больших глубинах (>2.5 км) гидротермальные источники с экологическими сообществами из бактерий, червей и моллюсков. Глубже 200-300 м от поверхности океана уже слишком темно, чтобы проходил фотосинтез (т.е. превращение окиси углерода в углеводороды).
Источник энергии - соединения серы (главным образом, сероводород), выбрасываемые гидротермальными водами. Действительно, существуют бактерии, которые получают энергию за счет окисления сероводорода, а эта энергия тратится на превращение СО2 в органические соединения.
Ряд ученых считает, что живые существа возникали и на земной поверхности и вблизи поверхности, а затем занимали и водные глубины. Разрушительные удары из космоса (падение огромных метеоритов) или ледниковые периоды могли уничтожить все живое на Земле, за исключением организмов, населяющих относительно глубоководные ареалы.

Д.Бернал (1901-1971) высказал предположение, что образование первых органических веществ могло происходить не в гидросфере Земли, а в результате конденсации газов на поверхности твердых частиц (железа и силикатной пыли)
Г.Вехтершейзер указывал, что жизнь возникла как метаболический процесс - циклическая химическая реакция, осуществляющаяся за счет притока энергии извне на поверхности твердой фазы. В качестве базового материала выступает минерал пирит (FeS2). Поверхность кристалла пирита несет положительный электрический заряд и с ней могут связываться молекулы органических веществ; при образовании пирита из железа и серы выделяются электроны и энергия, что побуждает органические соединения реагировать друг с другом, образуя все более сложные соединения.
По мнению других ученых, твердым субстратом служили не кристаллы пирита, а кристаллические глины.

Подводя итоги вышесказанному, можно отметить, что химическая эволюция должна была пройти два этапа:
1 этап - синтез исходных органических соединений;
2 этап - формирование биополимеров, липидов, углеводородов.

 


Спасибо, что ознакомились с очень интересной темой о происхождении жизни. Улыбнитесь (и удивитесь), глядя на рисунок:

  Наверх

Дополнительные материалы  

Тема 9

Глазго - выдвинута новая теория зарождения жизни на Земле.

Проблема происхождения жизни и мышления с точки зрения современности.

Рим - продолжаются поиски условий для жизни.

США - воссоздан самый первый этап эволюции жизни на Земле.

Экология - это понятно, но что такое жизнь?.

"Слепой часовщик" - Р.Докинс.

"Seeking the solution."

 


kaplya@softhome.net