Происхождение жизни

3

Санкт-петербургский гуманитарный университет профсоюзов

Контрольная работа

По предмету: «Концепция современного естествознания»

На тему: «Происхождение жизни»

Выполнил: Яров Е.Н.

Факультет культуры

Специальность: соц. работа

Заочный факультет

Курс 2

Санкт-Петербург-2006

Содержание

Введение

1. Переход от «неживого» к «живому»

2. Критерии жизни

3. Гипотеза возникновения жизни академика А.И.Опарина

4. Спорные вопросы происхождения жизни

5. Современные представления о происхождении жизни: проблемы и решения

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Одним из наиболее трудных и, в то же время, интересных в современном естествознании является вопрос о происхождении жизни. Он труден потому, что когда наука подходит к проблемам развития как создания качественно нового, она оказывается у предела своих возможностей как отрасли культуры, основанной на доказательстве и экспериментальной проверке утверждений.

Ученые сегодня не в состоянии воспроизвести процесс возникновения жизни. Даже наиболее тщательно поставленный опыт будет лишь модельным экспериментом, лишенным ряда факторов, сопровождавших появление живого на Земле. Трудность методологическая -- в невозможности проведения прямого эксперимента по возникновению жизни (уникальность этого процесса препятствует использованию основного научного метода).

Вопрос о происхождении жизни интересен не только сам по себе, но и тесной связью с проблемой отличия живого от неживого, а также связью с проблемой эволюции жизни. В чем сущность живого? Как и насколько механизмы эволюции действовали при зарождении жизни?

1. Переход от «неживого» к «живому»

История жизни и история Земли неотделимы друг от друга. Именно в процессах развития нашей планеты формировались основные условия зарождения жизни - диапазоны температур, влажности, давления, уровень радиации и т. п. Например, диапазон температур, в котором возможна активная жизнь, довольно узок.

Одна из гипотез о происхождении Земли и всей Солнечной системы, заключается в том, что Земля и все планеты сконденсировались из космической пыли и газа, рассеянных вокруг Солнца. Во внешних областях Солнечной системы в результате конденсации газов образовались различные летучие органические соединения, содержащие один из основных элементов всех живых организмов -- углерод. При нагревании Солнцем они вновь превращались в газ, а из некоторой их части под действием излучения образовались менее летучие вещества -- углеводороды (соединения углерода с водородом) и соединения азота. Возможно, из пылевых частиц с оболочками из органических соединений сформировались сначала астероиды, а затем планеты. Такие предположения подтверждает тот факт, что планеты-гиганты -- Юпитер, Сатурн, Уран -- состоят преимущественно из метана, водорода, аммиака, льда и других веществ. Более того, в метеоритах обнаружен аденин, входящий в состав молекулы ДНК.

Первичная атмосфера Земли, как и других планет, содержала, по-видимому, метан, аммиак, водяной пар и водород. При воздействии в лаборатории на смесь таких газов электрическими разрядами, имитирующими молнию, и ультрафиолетовым излучением синтезированы сложные органические вещества, входящие в состав натуральных белков. Вероятно, электрические разряды, световая и ультрафиолетовая радиация еще до образования Земли или на самой первой стадии ее развития способствовали образованию сложных органических веществ.

На ранней стадии образования органических веществ из неорганических, вероятно, действовал предварительный отбор химических соединений, из которых появились организмы. Из множества образовавшихся веществ сохранились лишь наиболее устойчивые и способные к дальнейшему усложнению.

Особая роль в живых организмах принадлежит углероду. Говорят, что жизнь на нашей планете «углеродная»: многие органические соединения живых организмов содержат углерод. Соединения на основе углерода образовали «первичный бульон» гидросферы. Согласно одной из гипотез, содержащие углерод и азот вещества возникали в расплавах в глубине Земли и выносились на поверхность при извержении вулканов. Размываясь водой, они попадали в океан, где и образовывался «первичный бульон». Важнейшую роль в зарождении живых организмов сыграло объединение множества отдельных молекул органических веществ в упорядоченные молекулярные структуры -- биополимеры: белки и нуклеиновые кислоты, обладавшие важнейшим биологическим свойством воспроизведения себе подобных. Свободный кислород появился значительно позже углерода в результате фотосинтеза, происходившего вначале в водорослях и бактериях, а затем и в наземных растениях. Бескислородная среда способствовала, по-видимому, синтезу биополимеров: кислород, как сильный окислитель, разрушал бы их.

В результате объединения несложных органических соединений образовались вначале ферменты -- белковые катализаторы, а затем нуклеиновые кислоты -- носители наследственной информации. Можно считать, что с этого момента на Земле возникла жизнь. Жизнь -- это особая форма существования материи. Характерные особенности жизни -- обмен с внешней средой, воспроизведение себе подобных, постоянное развитие и т. п.

К концу биохимической стадии развития жизни появились структурные образования -- мембраны, сыгравшие важную роль в построении клеток. Первые организмы на Земле были одноклеточные -- прокариоты. Проходили сотни миллионов, даже миллиарды лет, в течение которых из прокариот образовывались эукариоты, в их клетке сформировались ядро с веществом, содержащим код синтеза белка, ядрышко, находящееся в ядре, и другие структурные элементы. С появлением эукариот наметился выбор растительного или животного образа жизни, различие между которыми заключается в способе питания и связано с важнейшим для всего живого процессом -- фотосинтезом. Фотосинтез сопровождается поступлением в атмосферу кислорода. Подсчитано, что благодаря фотосинтезу весь углекислый газ планеты -- ив атмосфере, и растворенный в воде -- обновляется примерно за 300 лет, а весь кислород -- за 2 тыс. лет. По-видимому, нынешнее содержание кислорода в атмосфере (21%) было достигнуто 250 млн. лет назад в результате интенсивного развития растений.

Предполагается, что многоклеточные организмы родились из одноклеточных. Теорию происхождения многоклеточных организмов создал наш соотечественник, выдающийся ученый И.И. Мечников (1845-- 1916), лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1908г. Многоклеточные организмы прошли долгий путь эволюции жизни, о чем свидетельствует палеонтологическая летопись, окаменевшие страницы которой постепенно открывают тайны происхождения жизни.

2. Критерии жизни

При попытке определить сущность жизни на научном уровне возникают значительные трудности. Большинство ученых убеждены, что жизнь представляет собой особую форму существования материального мира. До конца 50-х годов классическим считалось определение Ф. Энгельса, которое гласило, что жизнь есть способ существования белковых тел, состоящий в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел. Однако уже к началу 60-х годов стало очевидным, что вещественная основа жизни сводится не только к белкам, а функциональная - не только к присущему живым организмам обмену веществ. Например, Э. Шредингер определял жизнь как апериодический кристалл, Г. Югай как космическую организованность материи. Некоторые определения подчеркивают энергетический аспект жизни - противостояние энтропийным процессам, другие возникновение точной пространственной редубликации, или матричного копирования, осуществляемого посредством нуклеиновых кислот.

Современная биология в вопросе о сущности живого псе чаще идет по пути перечисления основных свойств живых организмов или критериев жизни. При этом подчеркивается то, что только совокупность таких свойств может дать представление о специфике жизни. К числу критериев жизни обычно относят следующие:

- живые организмы характеризуются упорядоченной сложной структурой, уровень их организации значительно выше, чем в неживых системах;

- живые организмы получают энергию из окружающей среды, причем большинство из них прямо или косвенно используют солнечную энергию;

- все живые организмы, как растения, так и животные, реагируют на изменения в окружающей среде (раздражимость);

- живые организмы не только изменяются, но и усложняются;

- все живое размножается. Способность к самовоспроизведению - основополагающий признак жизни, поскольку при этом проявляется действие механизма наследственности и изменчивости, которые определяют эволюцию всех видов живой природы;

- живые организмы передают по наследству заложенную в них информацию, необходимую для развития и размножения потомства. Эта информация заложена в генах - единицах наследственности, мельчайших внутриклеточных структурах. Генетический материал определяет направление развития организма. Информация в процессе передачи несколько изменяется, поэтому потомство не только похоже на родителей, но и отличается от них;

- живые организмы хорошо приспособлены к среде обитания и соответствующему образу жизни.

В упрощенном виде можно считать, что все живые организмы питаются, дышат, растут, размножаются и распространяются в природе, а неживые тела не питаются, не дышат, не растут и не размножаются.

В современной литературе жизнь определяется как высшая из природных форм движения материи, которая характеризуется самообновлением, саморегуляцией и самовоспроизведением разноуровневых открытых систем, основу которых составляют белки, нуклеиновые кислоты и фосфорорганические соединения. Важнейшими признаками жизни являются противостояние энтропийным процессам, обмен веществ с окружающей средой, воспроизводство на основе генетического кода и молекулярная хиральность.

3. Гипотеза возникновения жизни академика А.И.Опарина

Появление жизни академик рассматривал как единый естественный процесс, который состоял из протекавшей в условиях ранней Земли первоначальной химической эволюции, перешедшей постепенно на качественно новый уровень - биохимическую эволюцию.

С самого начала этот процесс был связан с геологической эволюцией. В настоящее время принято считать, что возраст нашей планеты составляет примерно 4,3 млрд. лет. В далеком прошлом Земля была очень горячей (4000-8000 °С). По мере остывания образовывалась земная кора, а из воды, аммиака, двуокиси углерода и метана - атмосфера. Такая атмосфера называется «восстановительной», поскольку не содержит кислорода. При падении температуры на поверхности Земли ниже 100°С образовались первичные водоемы. Под действием электрических разрядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси происходил синтез органических веществ-мономеров, которые локально накапливались и соединялись друг с другом, образуя полимеры. Можно допустить, что тогда же одновременно с полимеризацией шло образование надмолекулярных комплексов-мембран.

По однотипным правилам синтезировались в «первичном бульоне» гидросферы Земли полимеры всех типов: аминокислоты, полисахариды, жирные кислоты, нуклеиновые кислоты, смолы, эфирные масла и др. Это предположение было проверено экспериментально в 1953 году на установке Стэнли Миллера, которому удалось получить многие вещества, имеющие важное биологическое значение, в том числе ряд аминокислот, аденин и простые сахара. Позднее в сходном эксперименте были синтезированы нуклеотидные цепи длиной в шесть мономерных единиц (простые нуклеиновые кислоты).

Органические вещества скапливались в сравнительно неглубоких водоемах, прогреваемых Солнцем. Солнечное излучение доносило до поверхности Земли ультрафиолетовые лучи, которые в наше время сдерживаются озоновым слоем атмосферы. Так энергией обеспечивалось протекание химических реакций между органическими соединениями и синтез полимеров.

Первичные клетки предположительно возникли при помощи молекул жиров (липидов).

Молекулы воды, смачивая только гидрофильные концы молекул жиров, ставили их как бы «на голову», гидрофобными концами вверх. Таким способом создавался комплекс упорядоченных молекул жиров, которые за счет прибавления к ним новых молекул постепенно отграничивали от всей окружающей среды некоторое пространство, которое и стало первичной клеткой, или коацерватом - пространственно обособившейся целостной системой. Коацерваты оказались способными поглощать из внешней среды различные органические вещества, что обеспечивало возможность первичного обмена веществ со средой.

Таким образом, первичная клеточная структура, по Опарину, представляла собой открытую химическую микроструктуру которая была наделена способностью к первичному обмену веществ, но еще не имела системы для передачи генетической информации на основе нуклеиновых кислот. Такие системы, черпающие из окружающей среды вещества и энергию, могут противостоять нарастанию энтропии и способствовать ее уменьшению в процессе своего роста и развития, что является характерным признаком всех живых систем.

Естественный отбор сохранял те системы, в которых были более совершенными функция обмена веществ и приспособленность организма в целом к существованию в данных условиях внешней среды.

В ходе естественного отбора выжили системы, имевшие особое строение белковых полимеров, что обусловило появление третьего качества живого - наследственности (специфичной формы передачи информации).

Концепция А. И. Опарина в научном мире весьма популярна. Сильной ее стороной является точное соответствие теории химической эволюции, согласно которой зарождение жит ни - закономерный результат. Аргументом в пользу этой концепции служит возможность экспериментальной проверки со основных положений в лабораторных условиях.

Слабой стороной концепции А. И. Опарина является допущение возможности самовоспроизведения коацерватных структур в отсутствие систем, обеспечивающих генетическое кодирование. В рамках концепции Опарина не решена главная проблема - о движущих силах саморазвития химических систем и перехода от химической эволюции к биологической, о причине таинственного скачка от неживой материи к живой.

4. Спорные вопросы происхождения жизни

Одним из наиболее сложных вопросов, связанных с происхождением жизни, является характеристика особенностей доклеточного предка.

Хорошо известен факт, что для саморепродукции нуклеиновых кислот (основы генетического кода) необходимы ферментные белки, а для синтеза белков - нуклеиновые кислоты. Отсюда следуют два вопроса:

1) что было первичным - белки или нуклеиновые кислоты?

2) если предположить, что эти классы полимеров возникли не одновременно, то, как и когда произошло их объединение в единую систему передачи генетической информации?

Белки в организме служат катализаторами протекающих биохимических реакций и являются клеточными структурными элементами. Они представляют собой цепочки аминокислот, удерживающихся пептидными связями. Из огромного арсенала аминокислот для образования животных и растительных белков природа использовала 20 типов. Разнообразие белков определяется различными аминокислотами и последовательностью их расположения в белковых цепях. Даже при полной идентичности состава и последовательности расположения аминокислот различия в пространственной структуре белков приводят к разнице в их физико-химических свойствах. Белки живого происхождения имеют одинаковую изомерию, тогда как абиогенно полученные белки содержат равное количество возможных пространственных структур.

Нужный в данный момент белок синтезируется клеткой из запасенного материала с помощью системы воспроизведения, которая содержит в закодированном виде необходимую информацию. Свои функции система воспроизведения осуществляет при помощи полимерных соединений дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и рибонуклеиновой кислоты (РНК). ДНК является хранительницей генетической информации, заложенной в последовательность оснований, расположенных вдоль ее цепи. РНК способна считывать хранимую в ДНК информацию, переносить ее в среду с исходными для синтеза белка материалами и строить из них нужные белковые молекулы.

Существует одно важное и пока не нашедшее объяснения различие в свойствах живого и неживого веществ.

В неживом веществе того же химического состава, что и живое, не происходит поворот плоскости поляризации проходящего через него света. А все белковые молекулы живых организмов поворачивают плоскость поляризации проходящего света влево, что указывает на их левую пространственную конфигурацию (L-конфигурация). Молекулы ДНК и РНК поворачивают луч света вправо, то есть обладают правой или Р-конфигурацией. Молекулярная стереоизомерия, или молекулярная хиральность, присуща только живой природе и является ее неотъемлемым свойством. По отношению к первичности образования белков или нуклеиновых кислот все существующие теории зарождения жизни делятся на две большие группы -- голобиоза и генобиоза.

Концепция А. И. Опарина относится к группе голобиоза, поскольку исходит из идеи первичности структур типа клеточной, наделенной способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма. Нуклеиновые кислоты при таком механизме появляются на завершающем этапе.

Примером иной точки зрения служит концепция Дж. Холдейна, согласно которой первичной была не структура, способная к обмену веществ с окружающей средой, а макромолекулярная система, подобная гену и способная к саморепродукции, и потому названная им «голым геном». Подобную группу концепций называют генобиозом или информационной гипотезой.

Позиции гипотезы генобиоза заметно укрепились к 1970-м годам, а в 1980-е годы в представлениях о доклеточном предке она стала доминирующей. Общее признание в рамках этой гипотезы получила идея, согласно которой хирально чистыми молекулярными «блоками», составившими основу для зарождения живого, были макромолекулы ДНК или РНК.

5. Современные представления о происхождении жизни: проблемы и решения

К концу 1980-х годов было доказано, что первичной была молекула РНК, а не ДНК.

Оказалось, что РНК наделена такой же генетической памятью, как и ДНК, и вопреки устоявшейся генетической догме возможен перенос генетической информации от РНК к ДНК при участии фермента, открытого в начале 1970-х годов. Была установлена способность РНК к саморепродукции в отсутствии белковых ферментов, то есть автокаталитическая функция.

Древняя РНК совмещала в себе черты генотипа и фенотипа, то есть была подвержена как генетическим преобразованиям, так и естественному отбору. А процесс эволюции шел от РНК к белку, затем к образованию молекулы ДНК, у которой С-Н связи более прочны, чем С-ОН связи РНК. Возникновение хиральности, а также первичных молекул РНК не могло произойти в ходе плавного эволюционного развития. Вероятно, имел место скачок со всеми характерными чертами самоорганизации вещества. Ведь полимеры на пути к живой клетке не могли идти путем простого перебора вариантов, для такого перебора требуется время, превышающее время существования Вселенной.

Гипотеза о механизме зарождения макромолекул, необходимых для строительства белка, высказана Эйгеном в работе «Самоорганизация материи в ходе химической эволюции» (1971). Эйген распространил на процессы, которые должны были происходить при эволюционном скачке, принцип дарвиновского отбора и ввел понятие конкуренции гиперциклов, или циклов химических реакций, которые приводят к образованию белковых молекул. Циклы, работающие быстрее и эффективнее остальных, выживают и побеждают в конкурентной борьбе. Пищей служат молекулы мономеров, которые поглощаются при полимеризации или в ходе циклов реакций. В «первичном бульоне» присутствуют и катализаторы химических реакций, которые образуются в них как промежуточные продукты, то есть возникает автокаталитическая самоорганизующаяся система. Современная схема возникновения жизни на Земле выглядит следующим образом.

После того как образовался «первичный бульон» из углеродных соединений, появилась возможность образования биополимеров - нуклеиновых кислот и белков, обладающих свойствами самовоспроизводства. В результате осаждения органических соединений на минеральных телах, например на глине дна водоемов, возникла концентрация, необходимая для образования полимеров. Вода в начальный период формирования нашей планеты непрерывно перемещала растворенные в ней вещества из мест образования в места накопления, где формировались протобионты (системы органических веществ, способные расти и развиваться за счет поглощения из окружающей среды богатых энергией веществ).

Далее образовались микросферы, или коацерваты (сгустки органических веществ), между которыми выстраивались молекулы сложных углеводородов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей коацерватам стабильность. Включение в коацерват молекулы, способной к самовоспроизведению, приводило к возникновению примитивной клетки, которая могла расти. Мембраны располагались на поверхности клетки, а также многократно прошивали ее насквозь в разных направлениях, образуя внутреннюю сеть мембран. На мембранах концентрировались абиогенно синтезированные ферменты, что упорядочило обмен веществ в клетках. Он начал зависеть от свойств и порядка расположения ферментов на мембранах. У нуклеиновых кислот, которые синтезировались абиогенно, еще не было однозначно заданных матриц, в соответствии с которыми каждая новая молекула нуклеиновых кислот копирует последовательность азотистых оснований молекулы-матрицы.

Отсутствие матричного принципа при образовании геномов первичных клеток давало возможность каждой формировавшейся клетке иметь свой уникальный геном.

Строение молекул ДНК те первые клетки через ряд последующих поколений передали клеткам современных организмов. Таким образом, современные клетки происходят из большого количества абиогенно сформировавшихся прототипов.

Около 1 млрд. лет назад содержание кислорода в воздухе Земли достигло 3 % от современного уровня, он начал окислять абиогенно образующиеся вещества, что прекратило абиогенный синтез и прервало образование новых комбинаций азотистых оснований в ДНК клеток. После этого изменения в ДНК клеток происходили только путем мутаций.

Древнейшая жизнь, вероятно, существовала в качестве гетеротрофных бактерий, получавших пищу и энергию от органического материала абиогенного происхождения, образовавшегося на еще более ранней стадии эволюции Земли. Исходя из этого, можно представить, что начало жизни на нашей планете отодвигается более чем на 4 млрд. лет назад, то есть жизнь на Земле существует примерно столько же времени, сколько существует сама планета.

Заключение

Известное определение Ф. Энгельса: “Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел”, акцентирует космический аспект жизни. Рождаются, живут и умирают звезды, туманности, планеты, кометы и другие космические тела, и в этом смысле не исчезает никто и ничто. Данный аспект наиболее разработан в восточной философии и мистических учениях, исходящих из принципиальной невозможности только разумом понять смысл этого вселенского круговорота. Материалистические концепции строятся на феномене самопорождения жизни и самопричинения, когда, по словам Ф. Энгельса, “с железной необходимостью” порождаются жизнь и мыслящий дух в одном месте Вселенной, если в другом он исчезает. Осознание единства жизни человека и человечества со всем живым на планете, с ее биосферой, равно как и потенциально возможными формами жизни во Вселенной имеет огромное мировоззренческое значение.

Эта идея святости жизни, права на жизнь для любого живого существа уже в силу самого факта рождения принадлежит к числу вечных идеалов человечества. В пределе, вся Вселенная и Земля рассматриваются как живые существа, а вмешательство в еще плохо познанные законы их жизни чревато экологическим кризисом. Человек предстает как малая частица этой живой Вселенной, микрокосмос, вобравший в себя все богатство макрокосмоса. Чувство “благоговения перед жизнью”, ощущение своей причастности к удивительному миру живого в той или иной степени присуще любой мировоззренческой системе.

Список использованной литературы

1. Мотылёва Л.С., Скоробогатов В.А., Судариков А.М. Концепция современного естествознания: Учебник для вузов.

Под ред. д - ра филос. наук, проф. В.А. Скоробогатова. - СПБ.: Издательство «Союз», 2002г.

2.Бабушкин А. Н. Современные концепции естествознания. Лекции по курсу. - СПБ.: Издательство «Лань», 2001г.

3.Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов.- М.: Академический Проект, 2004г.

4.Гусейханов М.К., Раджабов О.Р. Концепции современного естествознания: Учебник.- 2-е издание- М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К», 2005г.

5.Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для вузов - М.: ООО «Издательство Астрель» 2003г.