Происхождение жизни на Земле

16

План

Введение

1. Живое и неживое

2. Концепции возникновения жизни

3. Вещественная основа жизни

4. Земля в период возникновения жизни

5. Начало жизни на Земле

Вывод

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 не в состоянии воспроизвести процесс возникновения жизни с такой же точностью, как это было несколько миллиардов лет назад. 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.

1. Живое и неживое

Издавна человек наблюдал окружающий его мир и видел, что он состоит из живых и неживых тел. Люди, животные, растения - несомненно живые, а камни, песок, вода - нет. Живое, умирая, тоже становится неживым. Накапливая знания о природе, человек стремился определить, что же такое жизнь, каковы ее характерные признаки.

Считалось, что свойствами, присущими живому телу, является способность к движению, дыханию и размножению. Однако ни один из этих признаков не является достаточно полной характеристикой живых существ, выделяющей их из остального мира, и не может служить основой определения жизни.

Способность к движению, которую живое тело утрачивает после смерти, свойственна далеко не всем живым телам: почти все растения - неподвижные живые тела. С другой стороны, движущиеся машины и механизмы, созданные человеком, ни в коей мере не являются живыми.

Характерная для живых организмов способность к дыханию, в процессе которого они потребляют кислород и выделяют углекислый газ, также не является исчерпывающим признаком. Ведь мы ежедневно наблюдаем неживые системы, потребляющие кислород и выделяющие углекислый газ: это и горящие дрова, и бензиновый двигатель, и любая реакция окисления органического вещества. В то же время есть, безусловно, живые организмы (некоторые простейшие и микробы), вообще не потребляющие кислород.

Даже такой, характерный признак живого, как способность к размножению, тоже нельзя считать абсолютно верным и постоянным. Существуют живые организмы, неспособные к воспроизведению потомства: рабочие пчелы, мулы. И вместе с тем созданные руками человека машины могут производить следующие поколения подобных себе машин.

Живое тело представляет собой типичную открытую систему - оно существует до тех пор, пока из внешней среды доставляется энергия и пища, а в окружающую среду выделяются продукты жизнедеятельности. Поскольку живое тело - от простейшего до самого сложного - является открытой системой, эту характеристику, безусловно, следует ввести в определение жизни.

Еще один признак живых тел состоит в их способности автоматически сохранять и поддерживать постоянство своего биохимического состава. Главной и постоянной частью всех без исключения живых тел являются белки. Кроме того, существенной и постоянной составляющей живых тел служат нуклеиновые кислоты. Важно отметить, что живое состояние характеризуется присутствием не любого белка, а белка, сохраняющего свою первичную, вторичную и троичную структуры с присущими ему свойствами. В умершем организме белки утрачивают исходную структуру. Для поддержания белка в характерной для живого состояния природной форме необходим обмен веществ, способствующий созданию и поддержанию условий, при которых природный белок устойчив.

Формы живого мира необычайно многообразны. В настоящее время, как считают ученые, на Земле 1,5 млн. видов животных и 0,5 млн. видов, относящихся к растительному царству, если включить в эту группу также водоросли, грибы и бактерии. Около 10 тыс. новых видов, в основном насекомых, ежегодно описываются специалистами и получают свои строго научные названия. И при этом считается, что по меньшей мере еще 1-2 млн. видов до сих пор не изучены. Живая Природа разнообразна и многолика.

Дать точное, строгое и исчерпывающее определение жизни чрезвычайно трудно, и один из методов ее описания заключается в том, чтобы перечислить основные признаки и свойства, которые присущи живым организмам и отсутствуют у большинства неживых систем, не пытаясь найти единое общее определение.

Живые организмы сложны и высокоорганизованны. Сложностью отличается как внутреннее строение живых организмов, так и состав и строение химических веществ, из которых они построены.

Все живые организмы способны к обмену веществом и энергией.

Универсальным свойством живого является способность реагировать на изменения в окружающей среде.

Живые организмы прекрасно соответствуют своему образу жизни, хорошо приспособлены, адаптированы к среде обитания.

Способность к самовоспроизведению (размножению) - самая удивительная особенность живых организмов. Их наследственность и изменчивость подчиняются нескольким общим для всех живых существ основным законам.

Все органы, микроскопические структуры и молекулы организма выполняют свои, строго определенные функции. Все многообразие живых организмов, приспособленных к определенным условиям существования, возникло в результате эволюции, в ходе естественного отбора. Эволюция - процесс исторического развития, изменения от простого к сложному - присуща всему живому.

2. Концепции возникновения жизни

Существует пять концепций возникновения жизни:

1) креационизм -- божественное сотворение живого;

2) концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества (ее придерживался еще Аристотель, который считал, что живое может возникать и в результате разложения почвы);

3) концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда;

4) концепция панспермии -- внеземного происхождения жизни;

5) концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам.

Первая концепция является религиозной и к науке прямого отношения не имеет. Вторую опроверг изучавший деятельность бактерий французский микробиолог XIX века Луи Пастер. Третья из-за своей оригинальности и умозрительности всегда имела немного сторонников.

К началу XX в. в науке господствовали две последние концепции. Концепция панспермии, согласно которой жизнь была занесена на Землю извне, опиралась на обнаружение при изучении метеоритов и комет «предшественников живого» - органических соединений, которые возможно сыграли роль «семян».

У концепции появления жизни на Земле в историческом прошлом два варианта. Согласно одному, происхождение жизни -- результат случайного образования единичной «живой молекулы», в строении которой был заложен весь план дальнейшего развития живого. Французский биолог Ж. Моко пишет, что «жизнь не следует из законов физики, но совместима с ними. Жизнь -- событие, исключительность которого необходимо сознавать». Согласно другой точке зрения, происхождение жизни - результат закономерной эволюции материи.

3. Вещественная основа жизни

XX век привел к созданию первых научных моделей происхождения жизни. В 1924 году в книге Александра Ивановича Опарина «Происхождение жизни» была впервые сформулирована естественнонаучная концепция, согласно которой возникновение жизни -- результат длительной эволюции на Земле -- сначала химической, затем биохимической. Эта концепция получила наибольшее признание в научной среде.

Можно выделить следующие этапы живых систем, начиная с самых простейших и затем следуя по пути постепенного усложнения. В вещественном плане для становления жизни нужен, прежде всего, углерод. Жизнь на Земле основана на этом элементе, хотя, в принципе, можно предположить существование жизни и на кремниевой основе. Возможно, где-то во Вселенной существует и «кремниевая цивилизация», но на Земле основой жизни является углерод.

Атомы углерода вырабатываются в недрах больших звезд в необходимом для образования жизни количестве. Углерод способен создавать разнообразные (несколько десятков миллионов), подвижные, низкоэлектропроводные, студенистые, насыщенные водой, длинные скрученные цепеобразные структуры. Соединения углерода с водородом, кислородом, азотом, фосфором, серой, железом обладают замечательными каталитическими, строительными, энергетическими, информационными и иными свойствами.

Кислород, водород и азот наряду с углеродом можно отнести к «кирпичикам» живого. Клетка состоит на 70% из кислорода, 17% - углерода, 10% -- водорода, 3% -- азота. Все кирпичики живого принадлежат к наиболее устойчивым и распространенным во Вселенной химическим элементам. Они легко соединяются между собой, вступают в реакции и обладают малым атомным весом. Их соединения легко растворяются в воде. По радиоастрономическим данным, органические вещества возникали не только до появления жизни, но и до формирования нашей планеты. Следовательно, органические вещества абиогенного происхождения присутствовали на Земле уже при ее образовании.

При образовании Земли из космической пыли (частиц железа и силикатов -- веществ, в состав которых входит кремний) и газа весьма вероятно, что на внешних участках Солнечной системы газы могли конденсироваться. Органические соединения могли синтезироваться и на поверхности пылинок. Химические и палеонтологические исследования древнейших докембрийских отложений, и особенно многочисленные модельные эксперименты, воспроизводящие условия, которые господствовали на поверхности первобытной Земли, позволяют понять, как в этих условиях происходило образование все более сложных органических веществ.

Жизнь возможна только при определенных физических и химических условиях (температура, присутствие воды, солей и т.д.). Прекращение жизненных процессов, например, при высушивании семян или глубоком замораживании мелких организмов, не ведет к потере жизнеспособности. Если структура сохраняется неповрежденной, она при возвращении к нормальным условиям обеспечивает восстановление жизненных процессов.

Также и для возникновения жизни нужны определенные диапазоны температуры, влажности, давления, уровня радиации, определенная направленность развития Вселенной и время. Взаимное удаление галактик приводит к тому, что их электромагнитное излучение приходит к нам сильно ослабленным. Если бы галактики сближались, то плотность радиации во Вселенной была бы столь велика, что жизнь не могла бы существовать. Углерод синтезирован в звездах-гигантах несколько миллиардов лет назад. Если бы возраст Вселенной был меньше, то жизнь также не могла бы возникнуть. Планеты должны иметь определенную массу для того, чтобы удержать атмосферу.

4. Земля в период возникновения жизни

Наша планета - «золотая середина» в Солнечной системе, которая наиболее подходит для зарождения жизни. Возраст Земли около 5 млрд. лет. Температура поверхности в начальный период была 4000-8000 С, и по мере того как Земля остывала, углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались и образовали земную кору. Атмосфера была совершенно иной. Легкие газы - водород, гелий, азот, кислород - уходили из атмосферы, так как гравитационное поле нашей еще недостаточно плотной планеты не могло их удержать. Однако простые соединения, содержащие эти элементы, удерживались.

Первичная атмосфера содержала водород и соединения углерода (метан) и азота (аммиак). Отсутствие в атмосфере кислорода было, вероятно, необходимым условием возникновения жизни: лабораторные опыты показывают, что органические вещества гораздо легче создаются в восстановительной среде, чем в атмосфере, богатой кислородом. О том, что атмосфера была именно такой, свидетельствуют самые древние горные породы на Земле.

Существуют разные точки зрения на проблему жизни на Земле. По мнению В.И. Вернадского, жизнь появилась одновременно с образованием Земли. А.И. Опарин считал, что периоду развития жизни предшествовал длительный период химической эволюции Земли, во время которого (3-5 млрд. лет назад) образовались сложные органические вещества и протоклетки. Возникновение последних положило начало биохимической эволюции.

Известны три способа синтеза природных органических веществ. Содержащие углерод и азот вещества могли возникать в расплавленных глубинах Земли и выноситься на поверхность при вулканической деятельности, попадая далее в океан. А.И. Опарин полагал, что органические вещества могли создаваться и в океане из более простых соединений. Энергию для этих реакций синтеза, вероятно, доставляла интенсивная солнечная радиация (главным образом, ультрафиолетовая), падавшая на Землю до того, как образовался слой озона, который стал задерживать большую ее часть. Разнообразие находящихся в океанах простых соединений, площадь поверхности Земли, доступность энергии и масштабы времени позволяют предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества и образовался тот «первичный бульон», в котором могла возникнуть жизнь.

Органические соединения могли образоваться во Вселенной из неорганического космического «сырья».

Для построения любого сложного органического соединения, входящего в состав живых тел, нужен небольшой набор блоков-мономеров (низкомолекулярных соединений): 29 мономеров (из них 20 аминокислот, 5 азотистых оснований) описывают биохимическое строение любого живого организма. Оно состоит из аминокислот (из которых построены все белки), азотистых соединений (составные части нуклеиновых кислот), глюкозы - источника энергии, жиров - структурного материала, идущего на построение в клетке мембран и запасающего энергию.

После того как углеродистые соединения образовали «первичный бульон», могли уже организовываться биополимеры - белки и нуклеиновые кислоты, обладающие свойством самовоспроизводства себе подобных. Необходимая концентрация веществ для образования биополимеров могла возникнуть в результате осаждения органических соединений на минеральных частицах, например, на глине или гидроокиси железа, образующих ил прогреваемого Солнцем мелководья. Кроме того, органические вещества могли образовать на поверхности океана тонкую пленку, которую ветер и волны гнали к берегу, где она собиралась в толстые слои. В химии известен также процесс объединения родственных молекул в разбавленных растворах.

В начальный период формирования Земли воды, пропитывающие земной грунт, непрерывно перемещали растворенные в них вещества из мест их образования в места накопления. Там формировались пробионты - системы органических веществ, способных взаимодействовать с окружающей средой, т.е. расти и развиваться за счет поглощения из окружающей среды разнообразных богатых энергией веществ.

Здесь уже возможен примитивный «отбор», ведущий к постепенному усложнению и упорядоченности как обеспечивающих преимущество в выживании. Механизм отбора действовал на самых ранних стадиях зарождения органических веществ - из множества образующихся веществ сохранялись устойчивые к дальнейшему усложнению.

Затем образуются микросферы - шаровидные тела, возникающие при растворении и конденсации абиогенно полученных белковоподобных веществ.

В подтверждение возможности абиогенного синтеза были проведены следующие опыты. Воздействуя на смесь газов электрическими зарядами, имитирующими молнию, и ультрафиолетовым излучением, ученые получали сложные органические вещества, входящие в состав живых белков. Органические соединения, играющие большую роль в обмене веществ, были искусственно получены при облучении водных растворов углекислоты. Американский ученый С. Миллер в 1953 году синтезировал ряд аминокислот при пропускании электрического заряда через смесь газов, предположительно составлявших первичную земную атмосферу. Были синтезированы и простые нуклеиновые кислоты. Этими экспериментами было доказано, что абиогенное образование органических соединений во Вселенной могло происходить в результате воздействия тепловой энергии, ионизирующего и ультрафиолетового излучений и электрических разрядов. Первичным источником этих форм энергии служат термоядерные процессы, протекающие в недрах Земли.

Как показывает синергетика, энергия имела для возникновения жизни не меньшее значение, чем вещество. Разумно предположить, что некоторые из первых стадий эволюции к жизни были связаны с возникновением механизмов, способных поглощать и трансформировать химическую энергию, как бы выталкивая систему в сильно неравновесные условия. Неравновесные структуры - переход к живому, но еще нет воспроизводства. Итак, в образовании органических соединений большую роль играло не только вещество космического пространства, но и энергия звезд.

5. Начало жизни на Земле

Начало жизни на Земле - появление нуклеиновых кислот, способных к воспроизводству белков. Переход от сложных органических веществ к простым живым организмам пока неясен. Теория биохимической эволюции предлагает лишь общую схему. В соответствии с ней на границе между коацерватами - сгустками органических веществ - могли выстраиваться молекулы сложных углеводородов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей коацерватам стабильность. В результате включения в коацерват молекулы, способной к самовоспроизведению, могла возникнуть примитивная клетка, способная к росту.

Самое трудное для этой гипотезы объяснить способность живых систем к самовоспроизведению, т.е. сам переход от сложных неживых систем к простым живым организмам. Несомненно, в модели происхождения жизни будут включаться новые знания, и они будут все более обоснованными. Чем более качественно новое отличается от старого, тем труднее объяснить его возникновение. Поэтому здесь и говорят о моделях и гипотезах, а не о теориях.

Следующим шагом в организации живого должно было быть образование мембран, которые отграничивали смеси органических веществ от окружающей среды. С их появлением и получается клетка -- «единица жизни», главное структурное отличие живого от неживого. Все основные процессы, определяющие поведение живого организма, протекают в клетках. Тысячи химических реакций происходят одновременно для того, чтобы клетка могла получить необходимые питательные вещества, синтезировать специальные биомолекулы и удалить отходы. Огромное значение для биологических процессов в клетке имеют ферменты. Они обладают часто высокой специализированностью и могут влиять только на одну реакцию. Принцип их действия в том, что молекулы других веществ стремятся присоединиться к активным участкам молекулы фермента. Тем самым повышается вероятность их столкновения, а следовательно, скорость химической реакции.

Синтез белка осуществляется в цитоплазме клетки. Почти в каждой из клеток человека синтезируется свыше 10000 разных белков. Величина клеток -- от микрометра до более одного метра (у нервных клеток, имеющих отростки). Клетки могут быть дифференцированными (нервные, мышечные и т.д.). Большинство из них обладает способностью восстанавливаться, но некоторые, например нервные, -- нет или почти нет.

Вывод

Эволюция - это бесконечная цепь событий без начала и конца. Ученые, занимавшиеся проблемой происхождения жизни на Земле, не допускали заноса каких-либо элементов жизни на Землю с других планет или из Космоса. Признавали зарождение жизни на самой Земле. Абиогенез происходил в условиях, отличных от ныне существующих на Земле, а именно при первичной бескислородной атмосфере. В настоящее время вопрос о появлении жизни на Земле сводится к выяснению времени и биогеохимических условий той древней эпохи, когда создалась благоприятная обстановка для превращения органических соединений в биогенные.

Список использованной литературы

1. П.Н. Белкин. Концепции современного естествознания. - Изд. Высшая школа, 2004 г.

2. А.А. Горелов. Концепции современного естествознания. - Изд. «Центр», 2007г.

3. Л.А. Михайлова. - Коллектив авторов. «Концепции современного естествознания». Учебник для вузов. - Изд. Питер. 2008г.

4. М.И. Потев. Концепции современного естествознания. - Изд. «Питер», 1999г.