КОНЦЕПЦІЇ ПРИРОДНОГО ПОХОДЖЕННЯ ЖИТТЯ НА ЗЕМЛІ

Тисячі шляхів ведуть до омани, до істини - тільки один.

Ж-Ж. Руссо

У концепції появи життя на Землі в історичному минулому дві точки зору. Згідно однієї походження життя - результат випадкового утворення одиничної «живої молекули», в будові якої був закладений весь план подальшого розвитку живого. Згідно іншої точки зору походження життя - результат закономірної еволюції матерії.

Остання концепція представляється найбільш наукової і розглянемо її детально. Широко поширеною і експериментально обґрунтовано є модель, що одержала за кордоном назву гіпотези Опаріна -В Холдейна - по імені вчених, які висунули подібні гіпотези, скоріш за все, незалежно один від одного. Спільність розвиваються вченими погляд полягає в прийнятті за вихідні тези твердження про те, що всі необхідні для виникнення життя біологічно значущі органічні сполуки можуть утворитися в абіогенних умовах, тобто без участі живого лише на основі фізико-хімічних закономірностей перетворення речовин Більшість сучасних фахівців також переконане, що виникнення життя в умовах первинної Землі є результат природної еволюції матерії. Для вивчення наукової проблеми походження життя необхідні відомості про фізико-хімічних умовах на ранній Землі. Таки дані пов'язані як з геологічної еволюцією планети, так і з еволюцією хімічних елементів Сонячної системи і сонячною активністю.

З великого числа хімічних елементів для життя необхідні тільки 16, а водень, вуглець, кисень і азот становлять майже 99% живої матерії В матеріальному плані для становлення життя потрібен перш за все вуглець Життя на Землі заснована на цьому елементі, хоча в принципі можна припустити існування життя і на кремнієвій основі. Вуглець має унікальну властивість, і наше життя називається вуглецевої, або органічної. Четирехваленгность вуглецю призводить до величезного числа його сполук, які вивчає органічна хімія. Вуглець утворює складні молекули, що представляють собою кільця і ланцюги, що забезпечують різноманітність органічних сполук. Амінокислоти - важливий для життя клас органічних сполук. У живих організмах вони використовуються для синтезу білків, рослини можуть синтезувати їх з простих речовин, а в тваринних організмів частина їх повинна надходити з їжею, тому їх називаю незамінними. З чотирьох нуклеотидів побудовані й інші великі молекули - нуклеїнові кислоти, теж входять до складу живої клітини. Кисень, водень і азот поряд з вуглецем можна віднести до основ живого Клітка складається на 70% з кисню, 17% - вуглецю, 10% - водню 3% - азоту. Вони належать до найбільш стійким і розповсюджені на Землі хімічних елементів, легко з'єднуються між собою, вступаю в реакції і мають малий атомним вагою. Їхні прості з'єднання легк розчиняються у воді. Органічні речовини присутні на Землі пр її освіті. Вони могли синтезуватися і на поверхні пилинок.

Сучасна теорія походження життя заснована на ідеї про те, що біологічні молекули могли виникнути в далекому геологічного минулого неорганічним шляхом. Для виникнення життя потрібні певні температури, вологість, тиск, рівень радіації, певна спрямованість розвитку Всесвіту і час. Земля підходить дл зародження життя. Її вік близько 5 млрд років. Температура поверхност в початковий період була 4000-8000 ° С, і по мірі охолодження Землі вуглець і більше тугоплавкі метали конденсованих і утворили земну кору. Первинна атмосфера Землі протягом 2 млрд років полягала, ймовірно, головним чином з водяної пари, И 2 , С0 2 , з невеликою домішка інших газів (Ин 3 , СН 4 , Н 2 3) при майже повній відсутності 0 2 (практично весь кисень , що міститься в атмосфері в даний час, являетс продуктом фотосинтезу). Відсутність у первісній атмосфері кисню було необхідною умовою виникнення життя, так як органічні речовини легше створюються в відновної середовищі. За відсутності кисню, який міг би їх зруйнувати, а також живих організмів, які використовували б їх в якості їжі, абиогенно утворилися органічні речовини накопичувалися в Світовому океані, що виник по заходів охолодження поверхні Землі внаслідок конденсації водяної паро і випадання опадів. У 1953 р Міллер експериментально встановив, чт при підводі енергії (наприклад, у формі електричних зарядів, ультрафіолетового випромінювання, радіоактивного випромінювання та тепла) до газово суміші, що містить вуглець, водень, кисень і азот, в відновно середовищі утворюються всі важливі продукти для побудови біоречовин: амінокислот, гидроокисей, цукрів, пуринових і піримідинових основ З ініціацією хімічних процесів на планеті Земля близько 4-4,5 млр років почалася фаза хімічної еволюції. Основним результатом першо стадії хімічної еволюції стала інтеграція простих атомів Н, С, И Р, ... у відносно складні органічні молекули, а молекул - в багато ще більш складні цінні молекули. Важливу роль в цих перетвореннях грали такі хімічні елементарні процеси, як гомогенні і гетерогенний каталіз, автокаталіз, бистабильность і коливання.

Наступним кроком було утворення більших полімерів з малих органічних мономерів, знову ж без участі живих організмів. Мабуть, на первинній Землі освіту полімерів зі випадково послідовністю амінокислот або нуклеотидів могло відбувається при випаровуванні води в водоймах, що залишилися після відпливу. Якщо полімерних утворився, він здатний впливати на утворення інших полімерів. Складну хімічну еволюцію зазвичай висловлюють наступної узагальнено схемою: атоми -> прості з'єднання - "прості биоорганические з'єднання -> макромолекули -» організовані системи.

Наступним етапом після хімічної еволюції елементів була біохімічна еволюція. Життя як особлива форма існування матерії характеризується двома відмінними властивостями - самовос-виробництвом і обміном речовин з навколишнім середовищем. На властивості саморепродукції і обміну речовин будуються всі сучасні гіпотез виникнення життя. Найбільш широко визнані гіпотези следующе біохімічної еволюції життя - це коацерватная і генетична.

Коацерватная гіпотеза. У 1924 р радянський академік А. І. Опарін вперше сформулював основні положення концепції предбіологіче-ської еволюції і потім, спираючись на експерименти Бунгенберга де Йонга розвинув ці положення в коацерватной гіпотезі походження житт в книзі «Походження життя». Основу гіпотези становить твердження, що початкові етапи біогенезу були пов'язані з формуванням білкових структур. Перші білкові структури ( протобіонти , за термінологією Опаріна) з'явилися в період, коли молекули білків отграничивались від навколишнього середовища мембраною. Ці структури могли виникнути з первинного «бульйону» завдяки коацервації - мимовільного поділу водного розчину полімерів на фази з різною їх концентрацією Процес коацервації приводив до утворення мікроскопічних крапельок з високою концентрацією полімерів. Частина цих крапельок поглинав з середовища низькомолекулярні з'єднання: амінокислоти, глюкозу, примітивні каталізатори. Взаємодія молекулярного субстрату і каталізаторів вже означало виникнення найпростішого метаболізму всередині про-тобіонтов. Схема освіти коацерватной краплі наступна: молекул білка в розчині - "зближення молекул білка з втратою води -» освіту: коацерватной краплі. А. І. Опарін запропонував наступний перелік «свойст живого»: метаболізм , здатність до самовідтворення, мутабіл'ност'.

Володіли метаболізмом крапельки витягували з навколишнього середовища нові з'єднання і збільшувалися в об'ємі. Коли коацервати досягав розміру, максимально допустимого в даних фізичних умовах, він розпадалися на більш дрібні крапельки, наприклад, під дією хвиль, ка це відбувається при струшуванні судини з емульсією олії у воді. Дрібні крапельки знову продовжували зростати і потім утворювати нові покоління коацерватів. Поступове ускладнення протобионтов осуществлялос відбором таких коацерватних крапель, які мали право в кращому використанні речовини і енергії середовища. Відбір як основна причина вдосконалення коацерватів до первинних живих істот -В центральне положення в гіпотезі Опаріна.

Генетична гіпотеза. У англійського біолога Д. Холдейна «живими або напівживими об'єктами» називалися великі молекули, здатні до створення своїх копій. Живі тіла, що існують на Землі, представляю собою відкриті, саморегульовані і самовідтворюються системи побудовані з біополімерів - білків і нуклеїнових кислот. Речовин знайшло, тим самим, найважливіша властивість самовідтворення і вступив в нову фазу еволюції - фазу самоорганізації через самовідтворення. Тут велике значення мало утворення молекулярного мови біополімерів. Елементарна біологічна система - це хімічний мову. Про має алфавіт, що складається з різних видів нуклеотидів і амінокислот і дозволяє вибудовувати послідовності символів різної довжини -В одиниці мутації, кодування і рекомбінації. Виникали все складніші реплікативні системи, конкурували один з одним.

При цьому спочатку виникли нуклеїнові кислоти як матрична основа синтезу білків. Вперше цю ідею висунув в 1929 р Меллер В кінці XX в. було відкрито цікаве явище. Існує вірусних білок-фермент з науковою назвою «(ДЗ-реплікази». Його функція -В будувати молекулу РНК з окремих нуклеотидів. (Нуклеотиди - пов мономери ДНК або РНК, які відіграють роль своєрідних букв при записі спадкової інформації.) У їх послідовності закодований амінокислотний склад білків. Щоб краще зрозуміти суть роботи ферменту уявіть собі робота, який не вміє читати, але може, дивлячись на текст, складати поруч точно такий же з окремих кубиків - букв. А якщо нс буде ніякого вихідного тексту, що робот состави т з букв? Вирішив перевірити. помістили вірусний фермент в рідкий розчин, де не був складних молекул РНК, а присутні тільки окремі нуклеотиди І сталося диво. Робот - фермент без будь-яких підказок почав видавати довгі осмислені тексти, тобто будувати великі молекули РНК на основі яких можна синтезувати білки. Лауреат Нобелівської премії з хімії Манфред Айген знову висунув гіпотезу про мимовільне зародження життя, яка була підтримана багатьма вченими Сценарій еволюції органічного світу став виглядати так. Спочатку по дією електричних розрядів блискавок в первинної земної атмосфер з'явилися молекули окремих нуклеотидів і амінокислот, з яких пр синтезувалися різні білки. У тому числі випадковим чином могл утворитися і Ор-реплікази. А вона вже з найпростіших нуклеотидів став створювати складні молекули РНК. Здатність нуклеїнових кисло служити матрицями при утворенні комплементарних ланцюгів (наприклад, синтез іРНК на ДНК) - найбільш переконливий аргумент в користей уявлень про провідне значення в процесі біогенезу наследственног апарату і, отже, на користь генетичної гіпотези походження життя. Гени спадковості розташовуються в ДНК і передача інформації йде в напрямку ДНК - РНК - білок. Зміна шляху передачі інформації РНК - білок - ДНК відбулося в результаті еволюції РНК. Тому можна зробити наступні висновки:

  • 1. Детальний аналіз механізмів відтворення нуклеїнових кислот і білків не дає ніяких підстав для гіпотези про існування підпр якихось сил або взаємодій, властивих тільки явищам життя.
  • 2. Кожна окрема система, що виникає в результаті мутації і відбору, непередбачувана щодо своєї структури; проте неминучим результатом є процес еволюції - це закон. Поява мутації з селективним перевагою відповідає нестійкості Тому що оптимізує процес еволюції в принципі неминучий, хот вибір конкретного шляху не детермінований.
  • 3. Нарешті, виявляється, що процес виникнення життя связа з появою ряду властивостей, причому всі ці властивості піддаються однозначному фізичній обгрунтування. Попередні умови для появи цих властивостей, мабуть, виконувалися крок за кроком, так що «виникнення життя», як і еволюцію видів, не можна представити у вигляді одноразового акту творення.

Виникнення протоклеток поклало початок біологічної еволюції речовини. Після того як вуглецеві з'єднання утворили «первинні бульйон», могли вже організуватися біополімери - білки і нуклеїнові кислоти, що володіють властивістю виробництва собі подібних. Механиз природного відбору діяв на самих ранніх стадіях зародження органічних речовин - з безлічі утворюються речовин сохраняліс стійкі до подальшого ускладнення. Як показує синергетика, дл виникнення життя енергія мала не менше значення, ніж речовина Деякі початкові стадії еволюції були пов'язані з виникненням механізмів, здатних поглинати і трансформувати хімічну енергію, як би виштовхуючи систему в сильно нерівноважні умови.

Таким чином, початок життя на Землі поклало поява нуклеїнових кислот, здатних до відтворення білків. Однак до сих пір залишаються неясними деталі переходу від складних органічних речовин до простих живих організмів. Теорія біохімічної еволюції пропонує лише загальну схему. Відповідно до неї на кордоні між коарцеватамі - згустками органічних речовин - могли вибудовуватися молекули складних вуглеводнів, що призводило до утворення примітивної клітинної мембрани забезпечує коацерватам стабільність. В результаті включення в коа-церват молекули, здатної до самовідтворення, могла виникнути примітивна клітина, здатна до зростання. Наступним кроком в організації жівог мало стати утворення мембран, які відмежовують суміші органічних речовин від навколишнього середовища. З їх появою і зарождаетс клітина - «одиниця життя», головне структурна відмінність живого від неживого.

Основні етапи біогенезу. Процес біогенезу включав три основних етапи: виникнення органічних речовин, поява складних полімерів (нуклеїнових кислот, білків, полісахаридів), освіта первинних живі організмів. Клітка - основна елементарна одиниця життя, здатна до розмноження, в ній протікають все головні обмінні процеси (біосинтез енергетичний обмін і ін.). Тому виникнення клітинної організаці означало появу справжнього життя і початок біологічної еволюції.

Всі основні процеси, що визначають поведінку живого організму, протікають в клітинах. Тисячі хімічних реакцій відбуваються одночасно для того, щоб клітина могла отримати необхідні поживні речовини, синтезувати спеціальні біомолскули і видалити відходи Величезне значення для біологічних процесів в клітці мають ферменти Синтез білка здійснюється в клітці. Величина клітин - від мікрометр до більш одного метра. Клітини можуть бути диференційованими (нервовими, м'язовими і т.д.). Більшість з них мають здатність відновлюватися, але деякі, наприклад нервові, - немає або майже немає.

Розглянемо докладніше особливості еволюції на клітинному рівні організації життя (табл. 13.1). Найбільша відмінність існуючи не між рослинами, грибами і тваринами, а між організмами, що володіють ядром ( еукаріоти ) і не мають його ( прокаріоти ). Останні представлені нижчими організмами - бактеріями і синьо-зеленим водоростями (ціанобактерії, або ціаном), всі інші організми -В еукаріоти, які подібні між собою по внутріктеточной організації генетиці, біохімії і метаболізму. Різниця між прокаріотів і еукаріотів полягає ще і в тому, що перші можуть жити як в безкисневому (облігатні анаероби), так і в середовищі з різним вмістом кисню (факультативні анаероби і аероби), в той час як для еукаріотів за деяким винятком, обов'язкова присутність кисню. Ці відмінності мали істотне значення для розуміння ранніх стадій біологічної еволюції. Порівняння прокаріотів і еукаріотів за потребою в кисні призводить до висновку, що прокаріоти виникли в період коли вміст кисню в середовищі змінилося. На час же появи еукаріотів концентрація кисню була високою і відносно постійною. Перші фотосинтезуючі організми з'явилися близько 3 млрд років тому, а значна кількість даних про копалин еукаріот дозволяє сказати, що їх вік становить близько 1,5 млрд років. Можн припустити, що перша мікрофлора і перша мікрофауна появіліс 3,3-3,8 млрд років тому.

Таблиця 13.1

Загальна геохронологическая і стратиграфическая шкала Землі

Ера

період

Ізотопні датування, млн років

архей

Болес 3500

Зародження життя, поява прокаріотів. Панування бактерій і синьо-зелених водоростей. Поява зелених водоростей

протерозой

Карслі

2500-100

Розвиток нижчих рослин

Ріфей

1650-50

Поява еукаріотів, багатоклітинних рослин і тварин

Венд

650 (690) -20

Поява кишковопорожнинних, членистоногих, голкошкірих

палеозой

кембрій

570-20

Розвиток безхребетних, поява вищих рослин

ордовик

490-15

Поява перших хребетних - безщелепних

Силур

435-10

Вихід рослин і безхребетних на сушу

Девон

400-10

Панування риб, виникнення комах і амфібій, поява лісів з папороті іплаунів

карбон

345-10

Поширення лісів, розквіт амфібій, поява літаючих комах, виникнення рептилій

Перм

280-10

Поява голонасінних, поширення рептилій

мезозой

Триас

230-10

Поширення голонасінних, поява ссавців

Юра

190 (195) -5

Панування рептилій на суші, у воді і повітрі. Виникнення покритонасінних рослин і птахів

Мел

136-5

Розвиток квіткових рослин, розквіт комах, вимирання багатьох рептилій

кайнозой

палеоген

66-3

Розквіт ссавців і птахів

неоген

25-2

Виникнення сучасних сімейств ссавців, формування сучасної флори

четвер

тичних

1,8

Розвиток роду Homo

Першими мікроорганізмами могли бути бактерії або примітивні водорості. Надалі важливу роль почали відігравати трофічні зв'язку Підставою виникла трофічного ланцюга служили автотрофні рослини, які виробляли молекулярні структурні одиниці з вод і молекул газу під дією сонячного світла. Вони повільно змінював склад атмосфери. З неассімілірующіхся організмів шанс на виживання мали лише паразити на протофлоре. Так, з'явився принцип гетеро-трофі, під яким розуміють будь-який організм (травоїдний, м'ясоїдний або всеїдний), який харчується іншими організмами.

Виникнення містить кисень атмосфери, що почалося 2 млрд років тому, глибоко змінило умови існування життя. Для живі істоти тієї далекої епохи кисень був високотоксичним газом, котори в результаті процесу окислення міг привести до руйнування органічно молекул. Мутація і відбір допомогли подолати і цю смертельну загрозу: У виникли живі організми, забезпечені спочатку примітивними органами а згодом зябрами і легкими, отримали розвиток високоефективні механізми обміну речовин для атмосфери, що містить кисень.

Власне біологічна еволюція починається з виникнення клітинної організації і надалі йде по шляху вдосконалення будови і функцій клітини, освіти багатоклітинній організації поділу живого на царства рослин, тварин, грибів з последующе їх диференціацією на види.

Основні положення природничо-наукової теорії походження життя наступні:

  • 1. Органічні речовини сформувалися з неорганічних йод дією фізичних факторів середовища.
  • 2. Органічні речовини взаємодіяли, утворюючи все більш складні речовини, в результаті чого виникли ферменти і самовідтворюються-щіеся системи - вільні гени.
  • 3. Вільні гени з'єднувалися з іншими високомолекулярними органічними речовинами.
  • 4. Навколо них стали утворюватися білково-ліпідні мембрани.
  • 5. Виникли клітини.
  • 6. З автотрофніорганізмів розвинулися гетеротрофні.

Питання про закономірний або випадковий характер виникнення живих істот є найважчим для прийняття різних концепцій походження життя. У гіпотезі Опаріна життя розглядається ка закономірний результат еволюції матерії у Всесвіті. Альтернативні гіпотези походження, які заперечують це положення, постулює або зумовлений (американський біофізик Кеньон), або випадковий характер виникнення первинних організмів.

Якщо група атомів у присутності джерела енергії утворює якусь стабільну структуру, то вона має тенденцію до збереження структури Сама рання форма конкуренції полягала у відборі стабільних фор і відкиданні нестабільних. В цьому немає нічого таємничого.

Одна з головних причин кризи в рішенні проблеми походження життя - відсутність чіткої межі між трьома поняттями: життя, живе і частина живого. Причому дуже важко одночасно вивчати структуру і функцію: коли вивчається структура (фізико-хімічними методами), то зникає функція, і навпаки.

Таким чином, можна вважати що вік найдавніших організмів клітин без ядер, але мають нитки ДНК, схожих на бактерії і синьо-зелені водорості, становить близько 3-3,5 млрд років. Близько 2 млрд років тому в клітці з'являється ядро. Одноклітинні організми з ядро називаються найпростішими. Їх 25-30 тис. Видів. Найпростіші з них -амеби, інфузорії з віями. Приблизно 1 млрд років тому з'явилися перші багатоклітинні організми і стався вибір растітельног і тваринного способу життя.

Таким чином, емпіричні факти і теоретичні концепції науки досить переконливо показують, що сучасному рівню научног знання відповідає абіогенний характер виникнення і розвитку життя. В рамках цієї концепції іредбіологіческая еволюція має тр фази: перша - фаза елементарних полімерів, коли відбувається абіогенний синтез найпростіших органічних сполук; друга фаза - полімеризація, яка призводить до утворення попередників нинішніх живі клітин; третя - біохімічна фаза, в якій відбувається виникнення генетичного коду, біосинтез закодованих білків і перехо до біологічної еволюції.

Основні етапи розвитку життя на Землі представлені в табл. 13.2.

Таблиця 13.2

Основні етапи розвитку життя на Землі

Реальна шкала часу

Відносна шкала часу

Етапи розвитку життя

3,5-4 млрд Л.М.

1 січень

Процеси, що призвели до утворення органічних молекул

1 лютий

Свідоцтва існування перших бактерій

1 березень

бактеріальні колонії

3 млрд Л.М.

1 квітень

Нитчасті фотосинтезирующие водорості

1 травня

Зростання різноманітності бактерій

2,5 млрд Л.М.

1 червня

Висока різноманітність бактерій

2 млрд Л.М.

1 липня

Розвиток складноорганізованих клітин

1,5 млрд Л.М.

1 вересня

Перші клітини, характерні для живих і вищих рослин

1 млрд Л.М.

1 жовтня

Зростання різноманітності життєвих форм в морях, поява всіх типів безхребетних

500 млн Л.М.

1 листопада

Початок освоєння суші, перші Челюстноротих риби, розвиток хребетних

300 млн Л.М.

1 грудня

Розвиток ссавців, динозаври, амфібії

Реальна шкала часу

Відносна шкала часу

Етапи розвитку життя

100 млн Л.М.

панування ссавців

11 млн л. н.

31 грудня 8 год

Початок еволюції людини

5 млн л. н.

16 ч

Викопні рештки людей

23 ч 59 хв 58 с

Початок промислової революції

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >