Тайна зарождения жизни на Земле

Размещено на http://www.allbest.ru/

Частное учреждение образования

«БИП - институт правоведения»

Реферат

по дисциплине: Основы современного естествознания

на тему: Тайна зарождения жизни на Земле

Минск 2011

Введение

Представленный реферат посвящен раскрытию вопроса о зарождении жизни на Земле .Объектом исследования является жизнь на Земле. Цель работы - проанализировать деятельность ученых в этой области , рассмотреть их точки зрения , выявить все самое важное по существу поставленного вопроса.

Мнения ученых по данному вопросу расходятся. Некоторые полагают, что органика, попадающая на Землю с метеоритами, образовалась в результате реакций в воде, находящейся в жидкой фазе, другие ученые все еще пытаются доказать, что сложная органика возникла внутри раскаленной туманности, в результате этих действий появилась жизнь на планете Земля.

Таким образом, актуальность данного вопроса определила выбор темы реферата , круг вопросов и логическую схему его построения.

Следует отметить, что в течение столетий кометы в сознании людей были связаны с грядущими несчастьями. За 400 лет до христианской эры китайские астрономы сделали 29 зарисовок комет, многие из которых сопровождались предсказаниями катастроф. Аристотелевское предположение, что кометы являются предупреждениями Бога, прочно утвердилось в сознании людей западной цивилизации со времен расцвета греческой культуры. Даже на рубеже XX столетия кометы и метеориты играли роковую роль в сказаниях и легендах, являясь предвестниками ударов судьбы и разрушений.

Угроза со стороны комет не является только мифом. Современная наука выяснила, что гигантское столкновение кометы с Землей произошло во времена динозавров, а в 1994 году человечество нервно наблюдало, как комета Shoemaker-Levy 9 врезалась в Юпитер.

Из-за такой зловещей репутации кажется невероятным утверждать, что эти огромные скопления обломков, занимающие гигантские пространства, могли принести на нашу планету первые образцы жизни, без которой невозможно сейчас представить Землю. С начала 1960-х годов ученые обсуждают гипотезу о том, что кометы и другие осколки космических катаклизмов, на которых находились сложные органические молекулы, занесли их в нашу атмосферу и океан, сделав в конце концов планету обитаемой. Этой гипотезы сейчас придерживается все большее число исследователей.

Некоторые из этих неземных органических веществ являются сложными замкнутыми образованиями (некие оболочки), обладающие свойством пропускать внутрь другие молекулы, что является простейшим клеточным процессом обмена веществ. Другие молекулы могли абсорбировать часть солнечного ультрафиолетового излучения, таким образом защищая менее устойчивые и тонко организованные молекулы, и преобразовывая световую энергию в химическую пищу.

Первые акты драмы под названием «Зарождение жизни на Земле» были сыграны более 4-х миллиардов лет назад, когда холодное, темное межзвездное образование столкнулось с вращающимся диском раскаленного газа и пыли, из которого образовалась в конце-концов наша Солнечная система. Земля была «слеплена» не намного позже Солнца -- около 4,5 миллиардов лет назад и прошло немало времени, прежде чем на ней появилась вода и другие вещества, необходимые для зарождения жизни.

Многие ученые даже сейчас считают, что в те далекие времена Земля была горячей, безводной и стерильной, но лишь совсем недавно стало ясно, что космический «мусор» бомбардировал молодую планету, создавая катаклизмы, равные взрыву бессчетного числа атомных бомб. И, возможно, Луна -- это осколок Земли, оторвавшийся от нее при столкновении с другим «обломком» размером с Марс. Столкновения подобного рода -- обычное дело в те далекие времена -- несомненно уничтожали жизнь, зародившуюся ранее.

Некоторые исследователи «приближают» момент появления жизни на Земле, некоторые, наоборот, отодвигают момент появления ее первых признаков вглубь времен. Ископаемые микроорганизмы, найденные в древних скалах Австралии и Южной Африки, демонстрируют, что космическая жизнь определенно присутствовала на Земле 3,5 миллиарда лет назад. Даже в еще более древних скалах в Гренландии, возрастом в 3,9 миллиарда лет, найдены молекулы, содержащие углерод, которые могли принадлежать только живым организмам.

Однако всего лишь 100 миллионов лет назад на Земле образовались сносные условия для появления простейших форм жизни. Чтобы за столь небольшой промежуток времени смогло развиться великое разнообразие форм жизни, необходимо, чтобы процесс стартовал с готовых зародышевых форм, и таких зародышей на Земле в те времена было огромное количество, о чем убедительно говорят их многочисленные останки.

Эта сложная органика постоянно появлялась на Земле, как бы ожидая, когда наступят, наконец, подходящие условия.

Начало начал

Первые одноклеточные организмы планеты, возможно, впервые появились на сцене жизни благодаря серии химических преобразований, которые постепенно привели к появлению углеродобогатых молекул, например, аминокислот. При подходящих условиях, аминокислоты могли бы образовать белковые цепочки -- простейшие формы жизни. Один из первых исследователей, который в начале 1950-х годов высказал теорию скачка от простых соединений к сложным аминокислотам, был Stanley L. Miller, аспирант Harold C. University (Chicago). Miller «прогонял» искры, играющие роль молний через примитивную «атмосферу» несложных богатых водородом молекул, помещенных в стеклянной колбе. Но успех принесла другая серия экспериментов, когда колба была частично наполнена жидкостью, имитирующей океанскую воду. Через несколько недель «икрометания» в воде появился набор органических молекул, и среди них -- аминокислоты.

Новые данные ставят под сомнение, если не опровергают, теорию Миллера (Miller), но его «суповая теория» образования зачаточной жизни планеты в теплом океане все еще имеет много последователей. Некоторые ученые недавно, спасая эту теорию, переместили «суповой горшок» на океанское дно, где, как они говорят, скопления минералов, извергающихся из горячих источников на дне океана, могли сами «сложиться» в молекулы -- предшественники жизни. Но все растущая группа исследователей видит в качестве источника сложных органических молекул -- зародышей жизни -- Космос. Пионером был Juan Oro (Хьюстонский Университет), который в 1961 году взял на себя смелость предположить, что источником жизни является Космос. Sherwood Chang в NASA снова вернулся к этой теории в 1979 году. И, наконец, в 1990 году Christopher R. Chyba из Института поиска инопланетного интеллекта (SETI) (Mountain View, California) был первым пропагандистом идеи о том, что небольшие кометы, метеориты и межпланетные частицы пыли доставили на нашу планету воду и атмосферные газы из Космоса.

Не все ученые согласны с тем, что земные океаны были образованы частицами льда, попавшими на Землю с космической пылью, но большинство считает, что образование океанов произошло по крайней мере не без участия потока материи из Космоса. По оценкам специалистов на поверхность Земли ежедневно попадают сотни тонн космической пыли. Эти небольшие пылинки, самая большая из которых не больше песчинки -- сор солнечной системы, который мы видим иногда как искры в ночном небе. Все больше данных сейчас говорит о том, что кроме газа и воды, сделавшими планету пригодной для жилья, кометы и их «сородичи» высеивали на Землю готовые органические молекулы, формируя «первичный бульон» -- зародыш органики, идентичной той, которую мы сегодня видим в живых организмах.

Последние исследования знаменитых комет Halley, Hale-Bopp и Hyakutake привели к заключению, что частички льда этих комет нашпигованы органическими молекулами. В 1986 году специальные камеры-ловушки на борту космических кораблей Giotto и Vega захватили образцы темного материала кометы Halley, который имеет сходство с углеподобным керогеном, обнаруженным при масспектральном анализе в некоторых метеоритах (были обнаружены богатые углеродом молекулы). Позднее, при исследовании оболочки и хвоста комет Hyakutake и Hale-Bopp с помощью наземных телескопов, были обнаружены многие специфические органические вещества, включая метан и этан. В течение ближайших 20 лет планируется запуск нескольких космических зондов с целью изучения состава других комет.

Когда комета, двигаясь из областей, где царит космический холод, приближается к Солнцу, она интенсивно разогревается, вода в каких-то ее областях вскипает, и комета выбрасывает в пространство (силы притяжения в зоне кометы очень слабые) газ и пыль, которые, попадая в поле тяготения Земли (как, впрочем и поле тяготения других планет), падают на ее поверхность. Ученые NASA для сбора частиц космической пыли, попадающих в верхние слои атмосферы, используют самолеты специальной авиации, например, ER2, потолок которых вдвое превышает потолок типичного коммерческого реактивного лайнера. На высоте 62.000 футов (около 20.000 метров) космическая пыль налипает на покрытые маслом пластиковые пластины внутри коллекторов, расположенных под крыльями самолета. Анализ этих частиц показал, что некоторые из них содержат до 50% органического углерода -- это больше, чем на любом другом известном сегодня межзвездном объекте. Даже при содержании в среднем около 10% углеродной органики, космическая пыль приносит на Землю около 30 тонн органических веществ каждый день. Созданные по большей части из металлов и скальных пород некоторые метеориты несут такую органику как нуклеотиды, кетоны, бензохитоны, угольные кислоты, амины и амиды. Сейчас из метеоритов выделено огромное количество сложных органических веществ. Из них 70 видов различных аминокислот привлекли наибольшее внимание. Только 8 из этих 70 аминокислот входят в группу из 20 аминокислот, участвующих в создании белков в живых клетках на Земле. Именно они являются внеземными источниками несущими в себе те особенности, которые характерны для земной жизни.

Аминокислоты существуют в двух зеркально симметричных формах (лево- и правосторонние). Мало что известно о причинах, по которым в живых организмах на Земле встречаются, в основном, левосторонние аминокислоты. Одно из возражений против теории Миллера состоит в том, что в его экспериментах порождались лево- и правосторонние аминокислоты в одинаковых количествах. Этот факт выдвигает на первый план именно космическое происхождение земных аминокислот, так как исследование экстрактов с двух различных метеоритов (1993) показали, что на них левосторонних аминокислот больше, чем правосторонних. Некоторые ученые считают, что преимущественное распространение левосторонних аминокислот на Земле -- дело случая, однако исследования космических наборов аминокислот показывает, что левосторонние аминокислоты имели в самом начале органической эволюции на Земле некоторое количественное преимущество.

Аминокислоты, возможно, наиболее важные углеродосодержащие молекулы, пришедшие к нам, но не они приносят на Землю наибольшее количество углерода. Наибольшее его количество присутствует в молекулах керогена -- вещества, составленного частично из полициклических ароматических углеводородов. Эта смесь хорошо известна на Земле как канцерогенные вещества, которые присутствуют в саже, гамбургерах, приготовленных на гриле, автомобильных выхлопах и т.п. Эти специальные углеводороды были причиной больших волнений, когда они были обнаружены и на марсианском метеорите ALH 8001, который, как считают некоторые ученые, является, подтверждением происхождения ископаемых микробов, обнаруженных на Марсе.

Космический холод или огненная буря

Хотя и ясно, что кометы, метеориты и космическая пыль переносят интересные молекулы на Землю, определить, где эти молекулы были созданы -- это, несомненно, более сложная и захватывающая задача. Некоторые ученые полагают, что органика, попадающая на Землю с некоторыми метеоритами, образовалась в результате реакций в воде, находящейся в жидкой фазе, которая «фильтровалась» через породившие ее кометы или астероиды. Но эти реакции едва ли могут объяснить происхождение углеродосодержащих молекул, замороженных в темных межзвездных облаках.

Ученые все больше и больше убеждаются, что кометный лед -- это остатки темного облака, которое столкнулось с раскаленной солнечной туманностью -- гигантским вращающемся диском, состоящем из раскаленного газа и пыли, которые породили солнце и планеты более 4-х миллиардов лет назад. Лед, который является составной частью комет, остался в течение всего этого времени неизменным, потому что сохранил космически низкую температуру, находясь на периферии системы. Другие ученые все еще пытаются доказать, что сложная органика возникла внутри раскаленной туманности. В соответствии с этой теорией лед с материнского облака вскипал, сложные молекулы распадались и были затем воссозданы сами по себе в дикой пляске формирования планет.

Молекулы, прошедшие через «огонь и дым» формирования звездной, системы должны нести на себе изотопный след, общий для всех планет и других объектов, составляющих Солнечную систему. Оказывается совсем наоборот. Большинство кометной пыли переобогащено редкими элементами такими как дейтерий (изотоп водорода с одним дополнительным нейтроном в ядре). Такое переобогащение дейтерием -- это результат реакций, которые происходят при температурах космического холода около абсолютного нуля температур, когда свободной энергии недостаточно, чтобы «разорвать» тяжелый изотоп на части. В просторах Космоса скорее реализуется обратный процесс.

Действительное происхождение большинства комет и метеоритов -- это результат столкновения межзвездного замороженного гигантского облака и огнедышащей туманности. Десятки исследователей обнаружили поразительное сходство между специфическими молекулами и степенью обогащенности дейтерием в кометах и в наблюдаемых частицах межзвездного льда. В дополнение к этому внутренний момент количества движения (так называемый спин) атомов водорода в воде, обнаруженной на комете Hale-Borr подтверждает, что лед был сформирован в глубоком космосе и никогда не разогревался более, чем до 25 градусов по абсолютной шкале температур Кельвина (-4000F или -2400C).

Но если лед комет -- это межзвездное образование, то естественно предположить, что и органические молекулы, законсервированные в нем, как в лучшем на свете холодильнике, тоже прибыли в формирующуюся Солнечную систему из межзвездного пространства. Астрономические наблюдения показывают, что космос пересекают огромное количество самых различных органических компонентов, особенно их много в тех областях Космоса, которые заняты межзвездными облаками. Например, десятки исследователей обнаружили, что полициклические ароматические углеводороды являются наиболее обильным классом, несущим углеродонагруженные компоненты во Вселенной, в своих молекулах они несут 20% общего галактического углерода.

Место «производства» органических соединений, которыми нашпигованы попадающие на Землю микроскопические частицы пыли и льда находится от нас на расстоянии сотен световых лет. Эта стало ясно из данных, полученных астрономическими обсерваториями, изучающими космические облака, такие, как Туманность Орла, на основании спектрального анализа излучений, приходящих на Землю от таких облаков.

Облака в лаборатории

Сравнивая спектры инфракрасного излучения межзвездных облаков и частиц льда с их собратьями -- аналогичными частицами льда, созданными в лабораторных условиях, воспроизводящих условия Космоса, ученые различных научных центров во всем мире пришли к выводу, что космический лед наморожен на сердцевину, состоящую из кремния или углерода. Кроме воды, каждая частичка льда содержит до 10% несложных молекул, таких как двуокись углерода, окись углерода, метан, метанол, аммоний и т.п.

Ученые хотели понять, каким образом в этих льдинках, нашпигованных несложными химическими соединениями, происходят реакции, которые преобразуют их в более сложные компоненты, наблюдающиеся в метеоритах.

Один из исследователей, специалист по химическим процессам при сверхнизких температурах, решил создать «межзвездное» облако в лабораторных условиях.

Из металлической камеры размером приблизительно 20 х 20 х 20 см был выкачан воздух и проведено глубокое захолаживание, что имитировало условия в Космосе. Легкая струйка газа, состоящего из простых молекул, упомянутых выше, распылялась из медной трубочки и намерзала, как леденец на палочке, на маленький диск, который играл роль сердцевины космических частиц. Для завершения имитации космических условий небольшая ультрафиолетовая лампа облучала камеру слабым ультрафиолетом.

В экспериментах было обнаружено, что даже в условиях экстремально низких температур и давлений космического пространства ультрафиолетовое излучение разрывает химические связи исходных несложных соединений.

Но в Космосе, когда атомы и молекулы находятся в малом объеме льда и малоподвижны из-за крайне низкой температуры, процесс разрывания связей может сопровождаться обратным процессом их рекомбинации в неожиданные соединения, образование которых было бы невозможно, если бы сегменты могли свободно перемещаться.

Повсюду в Космосе, где можно наблюдать ледяные крупицы, происходит образование сложных комплексов, особенно в областях образования новых звезд, где ультрафиолетовое излучение наиболее интенсивно. В экспериментальном облаке, созданном в камере, экспериментаторы «купали» намерзающую частицу льда в ультрафиолетовом излучении, эквивалентном тому, которое получает частичка льда в Космосе за тысячи лет.

Когда ученые начали в своей камере эксперимент с кусочком льда, содержащем метанол и аммиак в тех же пропорциях, что и в космических частицах льда, то вскоре обнаружили, что там образовались сложные вещества, такие как кетоны, нитрилы, эфиры и алкоголи, которые были найдены в метеоритах. Были обнаружены даже молекулы HMT -- гексаметилентетрамин. Это шестиуглеродная молекула, особенностью которой является способность образовывать аминокислоты в теплой «подкисленной» воде. В образовавшейся смеси были обнаружены даже молекулы, содержащие цепочки из 15 атомов углерода.

Некоторые из полученных компонентов представляют собой серьезную заявку на право быть первыми представителями ранних форм жизни. Некоторые из органических молекул, обнаруженных в лабораторном «межзвездном облаке», при контакте с водой образуют капсулоподобные формы. Эти капсулы невероятно похожи на те, которые были получены 10 лет назад из экстракта метеорита, упавшего в местечке Murchison в Австралии. Экстракты из метеорита были смешаны с водой и самопроизвольно собрались в сферические структуры-капсулы, подобные клеточным мембранам. Было также выяснено, что эти капсулы являются составными элементами огромного количества сложных органических молекул.

Чтобы возникла такая самоорганизация, молекулы, как правило, должны содержать не менее дюжины атомов углерода и, кроме того, должны быть амфифиликами (водолюбивыми). Это означает, что «головки» выстраиваются в сторону воды, а хвосты -- внутрь мембраны. Такие капсулы, полученные как из метеоритов, так и из облака в лаборатории, флюроисцируют, значит, внутри них находится еще какой-то органический материал. маркетинг решение расход прибыльность

Из всех компонентов, которые образовались в космоподобных условиях, именно эти имеют наибольшее биологическое значение.

В условиях космического пространства, в малом объеме и под воздействием радиации углеводороды преобразуются в огромное количество самых различных соединений, которые ученые и наблюдают на богатых углеродом метеоритах. Среди этих соединений наиболее важными представляются такие комплексы, как алкоголи, эфиры и, что наиболее существенно, -- хиноны (бензохиноны). Последние являются незаменимыми компонентами в любых живых системах, обеспечивая их механизмом передачи энергии. Например, активные ингредиенты в алоэ и хне -- это хиноны.

Кроме того, способность этих молекул изменять свою структуру в результате внешних воздействий (например, передавать избыточный электрон) играет важную роль в преобразовании света в химическую энергию -- в фотосинтезе. Именно эта способность, вместе со свойством адсорбировать ультрафиолетовую радиацию, является разгадкой наиболее интригующей части в сценарии развития жизни на Земле на самых первых её фазах, так как ультрафиолетовая радиация смертельно опасна для таких изящных молекул, как аминокислоты. Межзвездные хиноны, видимо, играют такую же роль экранов, сохраняющих зародышевую жизнь в Космосе, как и озоновый слой атмосферы Земли, который поглощает значительную долю смертоносного для жизни ультрафиолетового излучения, исходящего от Солнца.

Заключение

Теперь мы знаем, как из лабораторных исследований, так и из данных, полученных в обсерваториях, что, казалось бы, губительные для жизни условия глубокого Космоса, являются источником сложных органических соединений, которые ежедневно метеориты и космическая пыль приносят на нашу и, видимо, другие планеты в Космосе.

Рассматривая появление жизни на планете под таким ракурсом, мы видим, что снабжение Земли аминокислотами, хинонами, водолюбивыми капсулами и другими компонентами межзвездной органики создают достаточно условий для пышного расцвета жизни или, по крайней мере, для облегчения ее появления. Возможно, из космических аминокислот и были построены первые протеины и «водолюбивые» соединения, которые, за счет «встроенных» в них хинонов, обладали способностью поглощать свет.

Естественно предположить, что молекулы, буквально свалившиеся с неба, были первым космическим десантом, с которого началась жизнь на Земле. Так что аминокислоты из Космоса, попавшие в первичный бульон в достаточном количестве, сделали возможным этот первый шаг зарождения жизни.

Со временем эти простые реакции, видимо, стали основой тех реакций, которыми сейчас управляют протеины в реакциях сложного биологического синтеза.

Попав в условия, в которых оказалось возможным довести эту сложную биохимию до конца, эти зародыши даровали Земле возможность эволюции.

Конечно, огромная пропасть лежит между даже самым сложным органическим комплексом и генетическим кодом, метаболизмом и самовоспроизводством, которые являются краеугольными камнями в жизненных процессах, на что и ушли миллионнолетия эволюции планеты.

Но если описанный способ зарождения жизни на Земле справедлив, то естественно предположить, что аналогичная ситуация уже не раз возникала в Космосе и неоднократно приводила к возникновению и развитию жизни на других планетах.

Необъятная распространенность сложных органических молекул в Космосе в сочетании с открытием планет в других звездных системах еще больше убеждает, что наша планета не единственная, на которой могли образоваться подходящие условия не только для возникновения жизни, но и её полного расцвета.

планета жизнь молекула космос

Список использованных источников

http://www.spectr.org/1999/016/life.htm

Размещено на Allbest.ru