Контрольная работа

по дисциплине: КСЕ

на тему: «Современные концепции происхождения жизни»

Оглавление

• Введение
• 1. Гипотезы о происхождении жизни
• 2. Концепция происхождения жизни А.И. Опарина
• 3. Современные концепции происхождения жизни
• Заключение
• Литература
• Введение
• Вопросы о происхождении природы и сущности жизни издавна стали предметом интереса человека в его стремлении разобраться в окружающем мире, понять самого себя и определить свое место в природе.

Одним из главных препятствий, стоявших в начале нашего века на пути решения проблемы возникновения жизни, было господствовавшее тогда в науке и основанное на повседневном опыте убеждение в том, что органические вещества в природных условиях возникают только биогенно, то есть путем их синтеза живыми существами. Считалось, что представить себе естественное возникновение даже простейших организмов из неорганических веществ (углекислоты, воды, азота и т.д.) совершенно невозможно. Поэтому так важно было появление концепции А.И. Опарина, вступившей в противоречие с общепринятым тогда мнением. Он выступил с утверждением, что монополия биотического синтеза органических веществ характерна лишь для современной эпохи существования нашей планеты. В начале же своего существования, когда Земля была безжизненной, на ней осуществлялись абиотические синтезы углеродистых соединений и их последующая предбиологическая эволюция. Совершалось постепенное усложнение этих соединений, формирование из них индивидуальных фазовообособленных систем, превращение их в протобионты, а затем и в первичные живые существа [11; 117].

Книга Опарина «Происхождение жизни» была опубликована еще в 1924 г., хотя пик исследований опаринской школы приходится на 50-60-е годы. Появление жизни он стал рассматривать как единый естественный процесс, который состоял из протекавшей в условиях ранней Земли первоначальной химической эволюции, перешедшей постепенно на качественно новый уровень - биохимическую эволюцию. По его мнению, этот процесс с самого начала был неразрывно связан с геологической эволюцией Земли. Поэтому Опарин предположил и экспериментально доказал, что под действием электрических разрядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси, содержащие пары воды, аммиака, циана, метана и др., появились аминокислоты, нуклеотиды и их полимеры, которые по мере увеличения концентрации органических веществ в «первичном бульоне» гидросферы Земли способствовали возникновению коллоидных систем, так называемых коацерватных капель.

Согласно гипотезе Опарина, возникновение и развитие химической эволюции произошло в ходе образования и накопления в первичных водоемах исходных органических молекул. Весь дальнейший процесс ему представлялся следующим образом. Органические вещества сталкивались в сравнительно неглубоких местах первичных водоемов, прогреваемых Солнцем. Солнечное излучение доносило в то время до поверхности Земли ультрафиолетовые лучи, которые в наше время сдерживаются озоновым слоем атмосферы.

В свою очередь ультрафиолетовые лучи обеспечивали энергией протекание химических реакций между органическими соединениями. Таким образом, в некоторых зонах первичных водоемов протекали случайные химические реакции. Большая их часть быстро завершилась из-за недостатка исходного сырья. Но в хаосе химических реакций произвольно возникали и закреплялись реакции циклических типов, обладавшие способностью к самоподдержанию.

Результатом этих реакций и стали коацерваты - пространственно обособившиеся целостные системы. Существенной их особенностью была способность поглощать из внешней среды различные органические вещества, что обеспечивало возможность первичного обмена веществ со средой. А уже функционировавший «естественный отбор» способствовал «выживанию» наиболее устойчивых коацерватных систем.

Иными словами, первичная клеточная структура, описанная Опариным, представляла собой открытую химическую микроструктуру и уже была наделена способностью к первичному метаболизму (обмену веществ), хотя еще не имела системы для передачи генетической информации на основе функционирования нуклеиновых кислот [5; 178].

В ходе развивавшегося «естественного отбора» возникли важнейшие свойства жизни, отличающие ее от предыдущего этапа развития. Возникшие целостные многомолекулярные системы, фазовообособленные от окружающей среды определенной границей раздела, сохраняют с ней взаимодействие по типу открытых систем. Только такие системы, черпающие из внешней среды вещества и энергию, могут противостоять нарастанию энтропии и даже способствовать ее уменьшению в процессе своего роста и развития, что является характерным признаком всех живых существ.

Естественный отбор сохранял те целостные системы, в которых более совершенной была функция обмена веществ (еще один характерный признак жизни), способствовавшая быстрому росту системы и ее динамической устойчивости в данных условиях существования, этим и объясняется целесообразность строения живых объектов, то есть приспособленность внутримолекулярного и надмолекулярного строения частей к выполняемым ими функциям и приспособленность организма в целом к существованию в данных условиях внешней среды.

Выживающие в ходе естественного отбора системы имели специфическое строение белково- и нуклеоподобных полимеров, которые и обусловили появление третьего качества живого - наследственности, специфической для живого формы передачи информации.

Органическая химия знает примеры реакций такого типа. Их отбор и выживание следует рассматривать как возможный качественный скачок, создавший предпосылки для перехода от химической к биологической эволюции. Вместе с отбором и совершенствованием циклических комплексов происходил отбор и совершенствование участвующих в этих реакциях органических молекул [10; 82].

Популярность концепции Опарина в научном мире очень велика. Его ученики и последователи и сегодня продолжают исследования в этом направлении. Но у этой концепции есть как сильные, так и слабые стороны.

Сильной стороной концепции является достаточно точное соответствие ее теории химической эволюции, согласно которой в процессе добиологической (абиогенной) эволюции материи зарождение жизни - закономерный результат. Убедительным аргументом в пользу этой концепции является также возможность экспериментальной проверки ее основных положений. Это касается не только лабораторного воспроизведения предполагаемых физико-химических условий первобытной Земли, но и коацерватов, которые имитируют доклеточный предок жизни и его функциональные способности.

Слабой стороной концепции А.И. Опарина является допущение возможности самовоспроизведения коацерватных структур в отсутствие молекулярных систем с функциями генетического кода. Существование этих систем объяснялось наличием у них свойств открытых микросистем, выживающих за счет вовлечения в них ферментов, находящихся в готовом виде в окружающей среде. А это значит, что в рамках концепции Опарина не удается решить главную проблему - о движущих силах саморазвития химических систем и перехода от химической эволюции к биологической, раскрыть причину таинственного скачка от неживой материи к живой. Возможно, эта проблема будет решена в концепции открытых каталитических систем Руденко, о которой речь шла выше.

3. Современные концепции происхождения жизни

Ученые-биологи, занимающиеся сегодня решением вопроса о происхождении жизни, самым сложным считают характеристику структурных и функциональных особенностей прото-биологической системы, то есть доклеточного предка. Трудность решения этого вопроса объясняется хорошо известным фактом: для саморепродукции нуклеиновых кислот - основы генетического кода - необходимы ферментные белки, а для синтеза белков - нуклеиновые кислоты. Поэтому предметом дискуссии издавна служили два взаимосвязанных вопроса. Первый: что было первичным - белки или нуклеиновые кислоты? Второй: если признать, что оба эти класса биополимеров возникли не одновременно, а последовательно, то на каком этапе и как произошло их объединение в единую систему, способную к функциям передачи генетической информации и регуляции биосинтеза белков?

Рассматривая ответы на вопрос о первичности белков или нуклеиновых кислот, все существующие гипотезы и концепции можно разделить на две большие группы - голобиоза и генобиоза.

Рассмотренная нами концепция Опарина относится к группе голобиоза - методологического подхода, основанного на идее первичности структур типа клеточной, наделенной способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма. Появление нуклеиновых кислот в ней считается завершением эволюции, итогом конкуренции протобионтов. Эту точку зрения можно еще назвать субстратной.

Сторонники генобиоза исходят из убеждения в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода. Эту группу гипотез и концепций можно также назвать информационной. Примером этой точки зрения может служить 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, а потому названная им «голым геном» [4; 23].

Вплоть до 1980-х годов имело место четко выраженное противостояние гипотез голобиоза и генобиоза. Оно обрело форму дискуссии при обсуждении вопроса, что старше - голый ген или белковый протобионт, или в иной терминологии - генетическая репродукция или метаболизм. В новых категориях эта дискуссия стала известной в 80-е годы как противостояние двух концепций, каждая по-своему трактующих характер доклеточного предка - информационной (генетической) и субстратной (обменно-метаболической).

Очень привлекательной гипотезой, принадлежащей к направлению голобиоза, была концепция английского биохимика П. Деккера. Согласно ей, структурной основой предкабиоида - были жизнеподобные неравновесные диссипативные системы, то есть открытые микросистемы с мощным ферментативным аппаратом. Это означает, что он был подвержен дарвиновской эволюции благодаря переходам (мутациям) из одной стадии (вида) к другой, более устойчивой, приобретающей все новые биты (единицы измерения) информации.

Примеров подобного рода моделей, построенных на идеях гипотезы голобиоза, можно было бы приводить довольно много. Объединяют их два главных момента. Первый - признание первичности белковой субстанции, способной к автокатализу, близкому к ферментативному. И второй - отсутствие даже упоминания о наличии в протеиноидных структурах молекулярных систем с функциями генетического кода: появление генетического механизма матричного типа на основе макромолекул нуклеиновых кислот считается вторичным событием в эволюции протеиноидных структур [2; 187].

Нужно отметить, что эта гипотеза не имела всеобщего признания. Некоторые исследователи, сознавая слабость ее именно в вопросе генетического контроля над реакциями обмена веществ доклеточного предка, стали сторонниками некоего промежуточного варианта между голобиозом и генобиозом. Их объединяет общая идея: белковые и нуклеиновые молекулы появились одновременно, объединились в единую систему в пределах структуры доклеточного предка и подверглись коэволюции, то есть одновременной и взаимосвязанной эволюции.

Однако и этот компромиссный вариант не получил всеобщего признания. Главный аргумент против него - белковые и нуклеиновые макромолекулы структурно и функционально глубоко различны, они не могли появиться одновременно в ходе химической эволюции, в связи с чем нереально их сосуществование в протобиологической системе.

Ослабляя позиции гипотезы голобиоза, эти соображения усиливали одновременно позиции противоположной гипотезы генобиоза, утверждающей первичность макромолекулярной системы с функциями генетического кода.

Позиции гипотезы генобиоза стали заметно укрепляться в 1970-е годы, а к 1980-м годам, когда слабости гипотезы голобиоза стали очевидными, она оказалась доминирующей в представлениях о доклеточном предке.

Кроме того, с идеей генобиоза также тесно связано самостоятельное сегодня направление в естествознании, занимающееся изучением еще одного фундаментального свойства живой материи (в дополнение к трем вышеперечисленным) - ее способности к стереоспецифической комплементарной репродукции. Это направление было заложено еще в ранних трудах основателя научной микробиологии Л. Пастера.

Дело в том, что до того, как в 1860-е гг. Пастер окончательно доказал отсутствие самозарождения современных нам микроорганизмов, предметом его научных интересов в 40-50-е годы XIX века было явление, обнаруженное им в ходе исследований строения кристаллов веществ биологического происхождения. Речь идет об открытии асимметричного (асимметрия - отсутствие у объекта свойства быть зеркально симметричным), а в его терминологии - диссимметричного строения кристаллов солей виноградной кислоты, имеющих биологическое происхождение. К этому выводу Пастер пришел, обнаружив способность отклонять поляризованный луч, то есть оптическую активность, не только у самих кристаллов, но и у их водных растворов, что свидетельствовало о молекулярной I природе этого явления. У растворов из веществ небиологического происхождения это свойство отсутствует, строение их молекул симметрично [8; 39].

Сегодня эта идея Пастера подтвердилась, и считается доказанным, что молекулярная диссимметрия (асимметрия, стереоизомерия), а согласно современной терминологии, молекулярная хиралъность (от греческого - рука), присуща только живой материи и является ее неотъемлемым свойством. А если это так, то возникает вопрос, как возникло это явление. Не следует, ли искать в его происхождении и истоки самой жизни?

Уже сам Пастер задавался этим вопросом. И ответ его был достаточно определенным. Да, превращение молекулярно-симметричных веществ неживой природы в молекулярно-диссимметричные живой неразрывно связано с происхождением живой материи. А это означает, что необходимо выяснить, как неживая молекулярная симметрия превращается в живую молекулярную диссимметрию. По мнению Пастера, это могло происходить постепенно, по мере воздействия на неживую косную материю особых диссимметрических сил, вызывающих диссимметризацию молекул этой материи. Согласно Пастеру, силы эти носили космический характер, ибо жизнь такая, какой она нам известна, есть функция диссимметрии Вселенной. Такими диссимметрическими силами могли быть мощные электрические разряды, геомагнитные колебания, вращение Земли вокруг Солнца, появление Луны и т.д. Правда, эксперименты в лаборатории по моделированию таких условий успехом не увенчались. Тем не менее Пастер непоколебимо верил в свою правоту.

Основанием для отнесения взглядов Пастера именно к гипотезе генобиоза служит тот факт, что проблему зарождения живого из неживого Пастер рассматривал на молекулярном уровне, хотя и не поднимал вопроса о самовоспроизведении той диссимметричной молекулярной системы, образование которой было, по его убеждению, первым и необходимым этапом к зарождению жизни. Можно поэтому говорить о том, что Пастер первым вывел изучение проблемы происхождения живого на молекулярный уровень, и в этом его историческая заслуга перед наукой [10; 72].

Эти идеи получили сегодня широкое развитие в естествознании, причем не столько в биологии, сколько в химии и физике. Сегодня считается, что если молекулярная хиральность - изначальный и фундаментальный признак живой материи, то способность возрождать хирально чистые молекулярные блоки зародилась так же рано, как и способность к генетически детерминированной саморепродукции. Иными словами, одновременно с генетическим возник и стереохимический код. Его функцией стало кодирование построения хирально чистых мо-номеров, наличие которых необходимо для комплементарного взаимодействия молекул субстрата и ферментов при биохимических реакциях.

Общее признание в рамках гипотезы генобиоза получила идея, согласно которой такими блоками были макромолекулы ДНК или РНК. Но какая из этих информационных молекул появилась первой и смогла сыграть роль матрицы для первичной комплементарной полимеризации?

Этот неизбежно возникающий вопрос сразу же вступил в противоречие с центральным положением молекулярной генетики: генетическая информация идет в направлении от ДНК к РНК и белку. Кроме того, стоял вопрос, как могла функционировать протобиотическая полинуклеотидная система в отсутствие ферментов, то есть белков, если допустить, что появление последних было вторичным?

Ответ на эти вопросы был получен только к концу 1980-х годов. Он гласил, что первичной была молекула не ДНК, а РНК.

Признание этого факта связано с наличием у РНК уникальных свойств. Оказалось, что она наделена такой же генетической памятью, как и ДНК. Далее была установлена поистине уникальная вездесущность РНК: нет организмов, в которых отсутствовала бы РНК, но есть множество вирусов, геном которых составляет РНК, а не ДНК. Кроме того, оказалось, что вопреки устоявшейся генетической догме возможен перенос генетической информации от РНК к ДНК при участии фермента, открытого в начале 1970-х годов.

В начале 1980-х годов была установлена способность РНК к саморепродукции в отсутствие белковых ферментов, то есть открыта ее автокаталитическая функция. Это решало ранее, казалось, неразрешимую проблему объединения двух функций - каталитической (ранее считавшейся присущей только белкам) и информационно-генетической, необходимых для саморепродукции макромолекулярной системы.

В результате сформировалось четкое представление, что древняя РНК совмещала в себе черты фенотипа и генотипа, то есть отвечала требованиям дарвиновской системы, будучи подверженной как генетическим преобразованиям, так и естественному отбору.

Сегодня уже очевидно, что процесс эволюции шел от РНК к белку, а затем к образованию молекулы ДНК.

Заключение

В данном реферате мы рассмотрели различные гипотезы происхождения жизни, возникшие в разное время, выдвинутые различными учеными, довольно противоречивые, но все весьма интересные.

Сравнивая первые теории, выдвинутые несколько десятилетий назад Опариным, Холдейном и Берналом - первопроходцами в этой области исследований, - с положениями, достигнутыми к настоящему времени, мы видим, как из набора слабо обоснованных фактами гипотез, выросла современная теория, как неизмеримо увеличились наши знания. Мы знаем теперь слабые места исходных гипотетических построений. На многих примерах мы поняли, какие из этих построений надо отбросить, какие заслуживают сохранения. В результате отпали многие неясности, мы смогли точнее представить себе, как возникла жизнь.

Даже сейчас, не ожидая новых открытий, которые, несомненно, появятся в будущем, мы с высокой степенью вероятности можем утверждать, что жизнь развилась естественным путем из некоей преджизни, состоявшей из «органических» соединений, созданных в результате неорганических процессов.. эта теория хорошо согласуется с большим числом проверенных научных фактов и наблюдений, полученных специалистами в самых разных естественных науках. В этом ее преимущество перед более ранними гипотезами, в которых было немало противоречий и несуразиц, тем более если включать в их число постулаты о внеземном, а то и сверхъестественном происхождении жизни.

Сейчас эти постулаты признаются не только недостоверными, но и просто излишними; наука их отбрасывает. Жизнь на Земле могла возникнуть естественным путем, и, судя по известным фактам, именно так она и возникла.

Литература

1. Бернал Дж. Возникновение жизни. - Москва: Мир, 1969.- 391 с.

2. Гусейханов М.К. Концепции современного естествознания. - М.: Дашков и Кш, 2004. - 690 с.

3. Калвин В. Химическая эволюция. - М.: Наука, 1971 - 190 с.

4. Камшилов М.М. Эволюция биосферы. Москва: Наука, 1974.- 254 с.

5. Колясников Ю.А. К тайнам мироздания. Магадан: СВНЦ ДВО РАН, 1997.- 225 с.

6. Компаниченко В.Н. Возникновение жизни в глубинах гидротермальных систем. - Хабаровск, 1996. - 105 с.

7. Пичугина Т. Великая тайна жизни // Вокруг света. - 2005. - N 3. - С. 78.

8. Руттен М. Происхождение жизни (естественным путем). / Под ред. Опарина А.И. - М.: Мир, 1973 - 415 с.

9. Феномен жизни / Под ред. М.Д. Аксенова. - М.: Аванта+, 2000. - 158 с.

10. Фокс Р. Энергия и эволюция жизни на Земле. - М.: Мир, 1992. - 216с.

11. Фолсом К. Происхождение жизни: Маленький теплый водоем. - М.: Мир, 1982 - 160 с.