Происхождение жизни на земле основные теории. Семь научных теорий о происхождении жизни
Вопрос о происхождении жизни является одним из наиболее трудных вопросов современного естествознания. Однако к нему во все времена был прикован большой интерес. Трудность получения ответа на этот вопрос состоит в том, что сложно точно воспроизвести процессы и явления, происходившие во Вселенной миллиарды лет назад. В то же время нынешнее многообразие форм и проявлений жизни на Земле приковывает к этой проблеме самое пристальное внимание. Сегодня выделяют следующие основные гипотезы происхождения жизни.
Креационизм
Согласно этой гипотезе жизнь и все населяющие Землю виды живых существ созданы Богом. Причем божественное сотворение мира произошло одномоментно, поэтому сам процесс создания жизни не доступен для наблюдений во времени. Кроме того, креационизм не дает ясного толкования происхождения самого Бога Творца и поэтому носит характер постулата. Знаменитый шведский естествоиспытатель К. Линней, а также выдающийся русский химик М. В. Ломоносов поддерживали данную догму возникновения жизни.
Гипотеза самопроизвольного зарождения
Эта гипотеза является разновидностью абиогенеза — происхождение жизни из неживого вещества. Данная гипотеза явилась альтернативой креационизму, когда накопленные знания людей о живой природе подвергли сомнению сотворение жизни Богом. Философы Древней Греции и естествоиспытатели средневековой Европы верили в появление живых организмов из неживой материи. Они считали и пытались доказать, что лягушки и насекомые заводятся в сырой почве, мухи — в гнилом мясе и т. д. Взгляды о самопроизвольном зарождении жизни были распространены практически до конца XVIII в. Только в середине XIX в. французский ученый Луи Пастер доказал, что бактерии вездесущи. При этом любые неживые объекты «заражаются» ими, если не проводить стерилизацию. Таким образом, Пастер подтвердил теорию биогенеза — жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни. Ученый окончательно опроверг концепцию самопроизвольного зарождения жизни.
Гипотеза панспермии
В 1865 г. немецкий ученый Г. Рихтер предложил гипотезу панспермии , согласно которой жизнь могла быть занесена на Землю из космоса вместе с метеоритами и космической пылью. Сторонником этой гипотезы был великий русский ученый, создатель современного учения о биосфере В. И. Вернадский. Современные исследования подтверждают высокую устойчивость некоторых микроорганизмов и их спор к радиации и низким температурам. В последнее время появились сообщения о том, что в метеоритах обнаружены следы органического вещества. При изучении ближайшей к Земле планеты Марс были найдены структуры, похожие на бактерии, и следы воды. Однако указанные находки не отвечают на вопрос о происхождении жизни.
Биохимическая гипотеза возникновения жизни является наиболее распространенной в настоящее время. Эту гипотезу предложили в 20-е гг. прошлого века русский биохимик А. И. Опарин и английский биолог Дж. Холдейн. Она легла в основу научных представлений о происхождении жизни.
Суть данной гипотезы заключается в том, что на ранних этапах развития Земли существовал продолжительный период абиогенеза. Живые организмы в нем участия не принимали. Для синтеза органических соединений источником энергии служило ультрафиолетовое излучение Солнца. Солнечная радиация не задерживалась озоновым слоем, потому что ни озона, ни кислорода в атмосфере древней Земли не было. Синтезированные аминокислоты, сахара и другие органические соединения в течение десятков миллионов лет запасались в древнем океане. Их накопление в итоге привело к образованию однородной массы, которая была названа Опариным «первичным бульоном». По мнению Опарина, именно в «первичном бульоне» и возникла жизнь.
Опарин считал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежит белкам. Именно белки способны образовывать коллоидные комплексы, притягивающие к себе молекулы воды. Такие комплексы, сливаясь друг с другом, формировали коацерваты — структуры, обособленные от остальной массы воды.
Коацерваты обладали некоторыми свойствами живого. Они могли избирательно поглощать из окружающего раствора вещества и увеличиваться в размерах — некое подобие питания и роста . При дроблении коацерватов образовывались новые капли, сохранявшие основные свойства исходного образования — подобие размножения . Но для превращения в первые живые организмы коацерватам не хватало биологических мембран и генетической информации, обеспечивающей воспроизводство.
Следующим шагом в зарождении жизни стало появление мембран. Они могли образовываться из липидных пленок, покрывающих поверхность водоемов. Далее к таким липидным образованиям присоединялись растворенные в воде белки. В результате поверхность коацерватов приобретала структуру и свойства биологической мембраны. Такая мембрана уже могла пропускать внутрь одни вещества и не пропускать другие.
Дальнейшее объединение коацерватов с нуклеиновыми кислотами привело к образованию саморегулирующихся и самовоспроизводящихся первых живых организмов — протобионтов . Эти примитивные первичные организмы были анаэробами и гетеротрофами, питавшимися веществами «первичного бульона». Таким образом, спустя 1 млрд лет, согласно этой гипотезе, завершилось зарождение жизни на Земле.
В настоящее время выделяют следующие основные гипотезы происхождения жизни: гипотезы креационизма, самопроизвольного зарождения, панспермии и биохимическую. Среди современных взглядов ученых на происхождение жизни важнейшее место занимает биохимическая гипотеза. Согласно ей, жизнь на Земле возникла за продолжительный отрезок времени в отсутствие кислорода при наличии химических веществ и постоянного источника энергии.
Жизнь на Земле никогда бы не зародилась, не будь у Земли безжизненного спутника, Луны. Эта новейшая теория происхождения жизни на Земле принадлежит британскому биологу Ричарду Лэтсу. 4 миллиона лет назад Луна находилась на гораздо более близкой к Земле орбите, и под влиянием ее притяжения приливы и отливы океанов были значительно сильнее, чем ныне. Это, в свою очередь, способствовало ежедневной смене концентрации соли в морской воде, что в конечном счете и привело к зарождению жизни, утверждает ученый. Если эта теория верна, то одновременно она исключает возможность жизни на Марсе. Дело в том, что самый большой спутник Марса, Фобос, слишком мал для того, чтобы порождать приливы и отливы, даже если на Марсе есть или была вода, что пока также не доказано, пишет газета "The Daily Telegraph".
Химики выдвинули новую теорию происхождения жизни на Земле - по их мнению, ее зарождению вполне могли поспособствовать древние вулканы. Газы, извергаемые вулканами, содержат много сульфида карбонила (химическая формула COS), а этот газ мог оказаться "клеем", с помощью которого склеились первые на Земле кирпичики жизни - органические молекулы.
Около 20 лет назад вокруг горячих вулканических источников, бьющих посреди океана, был обнаружен, существующий совершенно независимо от солнца, биоценоз. В начале 90-х годов, в Аризонской пустыне, группа исследователей сделала попытку создать искусственную, полностью изолированную от внешнего мира, биосферу.
В опытах, поставленных учеными, молекулы аминокислот в присутствии сульфида карбонила склеивались друг с другом, образуя молекулы простейших белков. Скорость реакции была достаточно высокой, и никаких особых условий для ее осуществления не потребовалось. Если на заре земной истории концентрация сульфида карбонила, выбрасываемого огромным количеством вулканов, была значительной, именно он мог быть катализатором зарождения жизни на Земле.
Это предполагает и новая теория Вектерцхойзера. Теория бульона предполагает, что химические предшественники жизни соединились в среде, имеющей три измерения. Однако вещества, которые движутся свободно в воздухе или в воде, не остаются надолго вместе. На поверхности - другое дело. Первые реакции должны были произойти на поверхности, имеющей не три, а два измерения, рассуждал Вектерцхойзер.
Третье измерение завоевывали уже организмы. Поверхность, где формировались предшественники жизни, должна была омываться водой. Все гипотезы о происхождении жизни, пишет Вектерцхойзер в «Science», можно разделить на три класса в зависимости от того, какой элемент жизни у них решающий, с чего все началось. Одни считают, что с клеточных мембран. Но тогда им надо объяснить, как клеточная пища проходила сквозь мембрану.
Другие считают, что первыми образовались нуклеиновые кислоты. Однако молекулы даже самых простых нуклеиновых кислот - довольно сложные соединения. Вектерцхойзер держится третьей точки зрения: жизнь началась с метаболизма, с обмена веществ. Другими словами, с повторяющегося цикла химических перемен. Это метаболизм «изобрел» и клеточную мембрану, и нуклеиновые кислоты, и весь генетический аппарат. Участвовали же в обмене веществ атомы углерода. В каждом цикле они соединялись по два (научно это называется циклом фиксации углерода). Побочным, поначалу «бесполезным» продуктом этого метаболизма оказались аминокислоты - строительные блоки будущих белков. Тотчас же они стали собственными катализаторами - ускорителями тех химических перемен, которые по преимуществу направляли их собственный синтез. Нуклеиновые кислоты тоже появились как побочные продукты и тоже обнаружили способность к самокатализу. Позже, подобно пчелиной матке в улье, они взвалили на себя ответственность за воспроизведение всей системы. Рано или поздно все эти химические перемены привели к тому, что некоторым взаимосвязанным веществам удалось укрыться в мембране, которую они постепенно соорудили, и ускользнуть из плена двух измерений в сферу трех. Вот тогда-то и родилась первая клетка. Такова схема. Но всякая схема, всякая теория может рухнуть от соприкосновения с экспериментом. Теория же Вектерцхойзера не рухнула, а наоборот, получила экспериментальную поддержку, да еще в самом важном звене - цикле фиксаций углерода. Бактерии, эти древнейшие существа, до сих пор сохраняют редкую способность, родившуюся вместе с ними, - синтезировать уксусную кислоту, простое вещество, в своей активной форме охотно вступающее в химические реакции. В основе уксусной кислоты лежат как раз два атома углерода, соединенные в ее молекуле. Но может ли где-нибудь сегодня идти такой синтез? Да, может - в горячих серных газах, вырывающихся на большой глубине из подводных вулканов. Как известно, там при температуре в сотни градусов привольно обитают бактерии, питающиеся серой, и там же полным-полно сульфидов металла. Подводные вулканы - вот где родилась жизнь! Океан, конечно, но не тот. Не бульон, а сверхкипяток. Вектерцхойзер раздобыл вулканические газы и стал их помешивать в присутствии железных и никелевых сульфидов. Синтез уксусной кислоты не заставил себя ждать! А она - самый вероятный кандидат на метаболизм, породивший жизнь. Уксусная кислота активна - в этом все дело.
Эксперимент, который начали профессор Дорон Ланцет Кроны и его студенты, Дэниела Сегр и Дафна Бен в Центре Генома Человека в Институте Науки Германии, основан на поиске альтернативы белкам и рибонуклеиновым кислотам, так как появление белков или само-копирующихся молекул рибонуклеиновой кислоты осталось загадочным. Они развили модель, основанную на молекулах липида, и предложили новый взгляд на происхождение жизни.
Липиды - масляные вещества, известные как главные компоненты мембран клеток. Липиды имеют две различных формы: гидрофильную (привлекающую воду), и гидрофобную (отражающую воду). Липиды с готовностью синтезируются при моделируемых «предбиологических» условиях, и из-за их двусторонней природы имеют тенденцию спонтанно формировать надмолекулярные структуры, состоящие из тысяч молекулярных единиц. Это иллюстрируется на минимальных сообществах липида – на мицеллах, которые даже доказали, что они способнык росту и размножению в воде, что напоминает о жизнедеятельности клетки.
Все же критический вопрос был оставлен без ответа: как минимальные сообщества липида могли нести и размножать информацию?
Модель, предложенная Ланцетом и коллегами предлагает решение. Они предполагают, что вначале липид-подобные составы существовали в очень большом разнообразии форм и размеров. Они показывают математически, что при существовавших условиях минимальные сообщества липида могли содержать почти так же много информации, как и рибонуклеиновые кислоты или белковая цепь. Информация была бы запасена в самом составе минимального сообщества, то есть в точном количестве каждого из его компонентов, что обеспечивало более точную передачу и сохранение информации, чем в последовательности молекулярных "гранул" на нити белка. Была представлена аналогия с духами: информация - аромат различается рецепторами, и запах в большей мере зависит от пропорции каждого компонента в смеси, чем в порядке, в котором ароматы добавлены.
Таким образом, авторы доказывают, что о гетерогенных минимальных сообществах липида можно думать как о примитивных геномах. Они далее демонстрируют, как капелька - минимальное сообщество липида, при росте и делении, могло проявлять форму наследования. Их машинные моделирования показывают, как геном был бы передан минимальным сообществам потомства. Критический аспект модели - то, как такое молекулярное наследование стало возможным. В современных клетках, передача информации, содержащейся в ДНК, облегчена белковыми катализаторами фермента. В ранней предбиологической эре катализ мог быть выполнен теми же самыми липид-подобными веществами, которые несли информацию. Молекулы, уже представленные в виде капельки, функционировали как молекулярный «комитет выбора», увеличивая вероятность передачи одних признаков, и уменьшая вероятность передачи других.
Группа Ланцета, разработала компьютеризированное моделирование, которое показывает, как, основанные исключительно на физико-химических принципах, капельки липида с определенным составом срастаются, вырастают, делятся, само-копируются, накапливают мутации, и вовлекаются в сложную эволюционную игру. Важно, что это - полные минимальные сообщества, с их сложными связями относительно маленьких молекул, которые копируются в дочерние капли.
Это отличается от предыдуших моделей, в которых копируется единственный длинный полимер рибонуклеиновой кислоты. Модель ученых делает очень немного химических предположений, но получает богатое молекулярное объяснение, проводящее параллель с современными процессами жизни. И поэтому имеет возможность стать тем давно разыскиваемым мостом, ведущим от неодушевленного мира до современного мира живых организмов.В XXI в. с целью прояснения проблемы возникновения жизни, исследователи проявляют повышенный интерес к двум объектам - к спутнику Юпитера, открытому еще в 1610 г. Г. Галилеем. Он находится на расстоянии от Земли, равном 671 000 км. Его диаметр составляет 3100 км. Он покрыт многокилометровым слоем льда. Однако под покровом льда находится океан, и в нем, возможно, сохранились простейшие формы древней жизни.
Другой объект - Восточное озеро, которое называют реликтовым водоемом. Находится оно в Антарктиде под четырехкилометровым слоем льда. Наши исследователи обнаружили его в результате глубоководного бурения. В настоящее время разрабатывается международная программа, ставящая своей целью проникнуть в воды этого озера, не нарушая его реликтовую чистоту. Возможно, что там существуют реликтовые организмы возрастом несколько миллионов лет.
Проявляется также большой интерес к обнаруженной на территории Румынии пещере, не имеющей доступа света. Когда же пробурили вход в эту пещеру, то обнаружили существование слепых живых организмов типа жучков, которые питаются микроорганизмами. Эти микроорганизмы используют для своего существования неорганические соединения, содержащие сероводород, поступающие изнутри дна этой пещеры. В эту пещеру не проникает свет, но там есть вода.
Особый интерес вызывают микроорганизмы, открытые в последнее время американскими учеными при исследованииодного из соленых озер. Эти микроорганизмы п роя an я ют исключительную устойчивость к среде обитания. Они могут жить даже на чисто мышьяковистой среде.
Привлекают также большое внимание организмы, живущие в так называемых «черных курильщиках» (рис. 2.1).
Рис. 2.1. «Черные курильщики» дна океана (струи горячей воды показаны стрелками)
«Черные курильщики» - действующие на дне океанов многочисленные гидротермальные источники, приуроченные к осевым частям срединно-океанических хребтов. Из них в океаны под высоким давлением в 250 атм. поступает высокоминерализованная горячая вода (350 °С). Их вклад в тепловой поток Земли составляет порядка 20%.
Гидротермальные океанические источники выносят растворенные элементы из океанической коры в океаны, изменяя кору и внося весьма значительный вклад в химический состав океанов. Совместно с циклом генерации океанической коры в океанических хребтах и ее рециклирования в мантию, гидротермальное изменение представляет двухэтапную систему переноса элементов между мантией и океанами. Рециклированная в мантию океаническая кора, видимо, ответственна за часть мантийных неоднородностей.
Гидротермальные источники в срединно-океанических хребтах - среда обитания необычных биологических сообществ, получающих энергию из разложения соединений гидротермальных флюидов (черный цвет струи).
В океанической коре, видимо, находятся самые глубинные части биосферы, достигающие глубины 2500 м.
Гидротермальные источники вносят значительный вклад в тепловой баланс Земли. Под срединными хребтами мантия подходит наиболее близко к поверхности. Морская вода по трещинам проникает в океаническую кору на значительную глубину, вследствие теплопроводности нагревается мантийным теплом и концентрируется в магматических камерах.
Глубокое изучение перечисленных выше «особых» объектов, несомненно, приведет ученых к более объективному пониманию проблемы происхождения жизни на нашей планете и образованию ее биосферы.
Однако следует указать, что к настоящему времени экспериментально получить жизнь не удается.
Человечество за миллионы лет существования так и не смогло в точности разгадать, как зарождалась жизнь на нашей планете. Вместе с тем, возникновение жизни на Земле рассматривается в различных теориях. Рассмотрим кратко, существующие 2 основные версии появления живых существ. По одной из них - жизнь на Земле зародилась после проникновения из космоса органических элементов. Вторая теория настаивает на том, что живые существа формировались на поверхности планеты. Выдвигаются и второстепенные предположения. Предлагаем читателям познакомиться со всеми версиями.
Как появилась жизнь на Земле? Общая информация
Современные представления о возникновении жизни на Земле сильно отличаются друг от друга. Но существует одна широко признанная теория. Согласно ей, наша планета сформировалась из космической пыли. Пыльные облака из Галактики содержали в своём составе все химические элементы и постепенно спрессовывались, формируя шар. Он был раскалённым, окутанным клубами водяного пара. В облаках поднимающийся с молодой Земли пар постепенно охлаждался, превращаясь в воду. Атмосферная жидкость вновь возвращалась на поверхность планеты обильными, непрекращающимися дождями. Попадая на раскалённую земную твердь, влага становилась паром и поднималась в атмосферу. Этот процесс продолжался миллионы лет. За долгое время планета Земля потеряла большое количество собственной тепловой энергии. В результате её разжиженная поверхность по мере остывания стала затвердевать, образуя земную кору.
Спустя несколько миллионов лет поверхность планеты остыла ещё больше. Вода, поступающая на Землю из атмосферы (дожди, ливни), перестала испаряться. На поверхности формировались огромные лужи. Обилие воды сильно повлияло на дальнейшее развитие молодой Земли. На фоне продолжающегося понижения температуры и сильных ливней случился потоп. Вода, которая непрекращающимся потоком извергалась на Землю, стала неотъемлемой частью молодой планеты. Она накапливалась в глубоких впадинах и не успевала полностью испаряться. Появился доисторический океан.
В то время жизни на планете ещё не существовало, но ливневая вода стала постепенно размывать горы и скалы. Она стекала по ложбинам и ущельям бурными потоками, формируя русла рек и ручьёв. Ещё несколько миллионов лет ушло на то, чтобы на планете появились долины. Баланс воды в атмосфере и на Земле сильно изменился. Планета была ею пресыщена, а в облаках влаги становилось всё меньше.
Густые облака над планетой постепенно рассеивались, открывая путь на Землю солнечным лучам. Постоянные дожди прекратились, а Земля была практически полностью покрыта водами доисторического океана. Жидкость вымывала из верхних слоёв планеты много солей и растворимых минеральных веществ, унося их в море. Вода с поверхности водоёма постоянно испарялась, а пар превращался в атмосферные облака. Моря постепенно стали солёными. Наша планета в то время существовала в особых условиях, и на ней, по-видимому, сформировались вещества кристаллической формы. Они увеличивались в размерах, создавали новые кристаллы, присоединяли к себе составляющие иной структуры. Солнечные лучи совместно с мощными электрическими зарядами молний из атмосферы давали кристаллам энергию. Возможно, эти элементы и стали предками первых живых существ
Земли - прокариотов.
В различных теориях о том, как появилась жизнь на Земле, прокариоты описываются как прототип современных бактерий. В них не было ядра, а тип питания у первых обитателей Земли был анаэробным. Дышали они без участия кислорода (в то время он в атмосфере ещё отсутствовал). Питались прокариоты органическими соединениями, которые в свою очередь появились в результате сочетания нескольких благоприятных факторов (тепло от вулканических извержений, ультрафиолетовое солнечное излучение и грозовые разряды). Жизнеспособные организмы развивались во влажных участках планеты и на дне водоёмов. Прокариоты были защищены тончайшей бактериальной плёнкой. Одноклеточные простейшие микроорганизмы древнего земного мира, вероятно, появились из этих бактерий. Но есть и теории возникновения жизни на Земле, утверждающие, что древнейшие одноклеточные животные формировались и развивались независимо от бактерий.
Первобытная Земля и её характеристики
Исследователи со всего мира выдвигают самые невероятные и удивительные гипотезы жизни и возникновения жизни на Земле. Предположения научных умов планеты касаются, в том числе, и времени её существования. Большинство деятелей науки сходятся во мнении, что Земля образовалась больше 4 млрд лет назад. Как она выглядела тогда, без людей, животных, насекомых? Планета, на которой в самом начале развития не было свободного кислорода, возможно, была наполнена лишь свистом ветра и стуком метеоритных камней о поверхность. На Земле не было ни единой живой души, но сама планета жила, развивалась и менялась. Земная кора постоянно двигалась, на ней происходили серьёзные геологические процессы. По этой причине не сохранились горные породы, существовавшие в древности. А ведь по их структуре учёным, возможно, удалось бы узнать больше о том, почему на Земле есть жизнь.
В нашей статье собраны самые популярные и известные гипотезы возникновения жизни на Земле (таблица).
Табл. №1 «Гипотезы возникновения жизни на Земле»
| Название гипотезы | Краткое описание теории |
| Кометы и метеориты | Формирование ранних форм жизни на Земле происходило при участии твёрдых каменистых космических тел (комет, метеоритов). |
| Панспермия | Жизнь зародилась на планете благодаря перенесению спор живых микроорганизмов из одного космического тела на другое (то есть, на землю живые существа попали с другой космической единицы Вселенной). |
| Биогенез | Живые существа появились только от живых существ. |
| Творение Бога | Все формы жизни на Земле созданы Богом. |
| Органическое происхождение | Большое разнообразие видов на Земле появилось благодаря эволюции и видоизменениям простейших микроорганизмов. |
| Материалистические теории | К образованию жизни привели постепенные химические метаморфозы. |
| Глина | Первичным геном жизни, по мнению учёного А. Дж. Кернс-Смита, стала глина. Между её слоями развивались живые органические соединения, которые переняли у природного материала способ сохранения информации. |
| Спонтанное зарождение | Новые формы жизни происходят из других, уже существующих форм. |
| Эндосимбионт | Некоторые свободноживущие бактерии вступали в симбиоз и формировали эукариотическую клетку (с ядром). |
| Космогония | Первичная жизнь зародилась в космосе, а потом перешла на Землю и эволюционировала. |
По мнению учёного Стэнли Миллера, изучающего проблемы и этапы возникновения жизни на Земле, этапы развития жизни и её эволюция начались с появления новой функции у простейших органических молекул. В определённый момент времени одноклеточные микроорганизмы научились самостоятельно организовываться в более сложные структуры и воспроизводить самих себя. Теория Миллера имеет множество нераскрытых сторон. Например, что послужило толчком для самовоспроизведения молекул, как эти самые молекулы возникли, при каких условиях происходило их объединение в сложные структуры?
Предлагаем вниманию читателей несколько гипотез о появлении земной жизни.
10 гипотез появления жизни на планете Земля
Вопросы, касающиеся возникновения жизни на Земле и гипотезы, которые выдвигаются по этой теме, можно условно разделить на 10 категорий. Одна из популярных версий гласит, что жизнеспособные организмы были занесены на молодую планету из космоса. Доказательств у данной теории нет, как и у других вариантов происхождения живых земных существ. Но если взять за основу версию космического происхождения обитателей Земли, то получается, что во Вселенной существуют и другие планеты, на которых есть жизнь. Ведь те формы жизни, которые нам известны, удивительным образом приспособлены к обитанию именно в земных условиях (где есть кислород и вода). И если попали на поверхность Земли из космоса, то, вероятно, до этого развивались на иной планете в аналогичных условиях.
Другие научные деятели считают, что первые живые организмы зародились в глубинах земных морей.
Все современные представления о возникновении жизни на Земле достойны внимания. Возможно, какая-то из них действительно правдива.
Кометы и метеориты
Интересную теорию о появлении живых существ на Земле выдвинул исследователь технологического университета в Техасе, куратор палеонтологического музея в этом учебном учреждении и профессор геонауки - Санкар Чаттерджи. Учёный выступил на 125-й ежегодной встрече американского геологического общества с докладом о проведённых им исследованиях. Чаттерджи проанализировал большой объём информации о ранней геологической жизни планеты Земля, потом сопоставил известные данные с существующими теориями эволюции земной жизни. Проделанная работа позволила ему сделать свои выводы о том, как появилась жизнь на Земле. Это произошло при участии упавших на поверхность планеты метеоритов и комет.
По информации большинства геологов, наиболее интенсивные «бомбардировки» Земли кометами и метеоритами происходили около 4 млрд лет назад. Исследователь Чаттерджи полагает, что ранние формы жизни образовались в глубоких кратерах, которые оставляли после себя твёрдые космические тела. В своём докладе, представленном 31 октября в Денвере (Колорадо), исследователь отмечает, что с наибольшей вероятностью первые живые существа на нашей планете сформировались в период так называемой поздней бомбардировки метеоритами, которая происходила 3,8-4,1 млрд лет назад. В тот период на поверхность молодой Земли падало несколько тысяч комет. Теория, предложенная Чаттерджи, совпадает по многим пунктам с Моделью Ниццы. Последняя утверждает, что количество комет и метеоритов, упавших на Землю несколько миллиардов лет назад, сопоставимо с числом кратеров на Луне. Спутник Земли в тот период стал своего рода щитом для нашей планеты, не позволив космическим камням полностью её уничтожить.
По мнению некоторых учёных, к числу которых принадлежит и Санкар Чаттерджи, бесконечные падения на Землю камней из космоса поспособствовали зарождению первичных форм жизни в доисторическом океане и морях. По этой теме проводилось много исследований. Их результаты свидетельствуют о том, что запас воды на Земле гораздо больше, чем должен быть. Научные деятели связывают это всё с тем же падением метеоритов, прилетевших на планету с облака Оорта. Покрытые наледью кометы, пробив кратеры в земле, оставались в них, оттаивали, становясь дополнительным источником воды.
Панспермия
На протяжении многих веков люди пытаются разгадать тайну появления Земли, её истинную биографию. Теория панспермии объясняет, почему на Земле есть жизнь тем, что на планете сформировались идеальные условия для эволюции простейших бактерий/микроорганизмов. На поверхность планеты микробы попали вместе с мелкими космическими телами (метеороидами, астероидами). Согласно гипотезе панспермии, в космическом пространстве существуют особые формы жизни, сохраняющие жизнеспособность в безвоздушных пространствах, при низкой температуре, в условиях вакуума или радиации. Такие микроорганизмы называются экстремофилами. После разрушения малых тел солнечной Системы экстремофилы остаются в космической пыли и каменистых обломках, могут долго «путешествовать» по Галактике перед тем, как попадают на другую планету. Если на новом месте создаются оптимальные условия, космические организмы начинают эволюционировать.
Исследователи получают дополнительную информацию о появлении различных форм жизни на Земле при помощи космических зондов. Эти приборы исследуют внутренний состав комет, предоставляя данные, только подтверждающие теорию панспермии. Действительно, есть большая вероятность того, что жизнь на Землю была занесена из космоса.
Биогенез/абиогенез
Биогенез - гипотеза, утверждающая, что жизнь на нашей планете возникла от простейших живых существ («живое от живого»). Однако у этой теории возникновения жизни на Земле есть большое количество противников. Они придерживаются прямо противоположной гипотезы абиогенеза. В ней предполагается, что первые живые существа появились на планете вследствие естественных процессов. Неорганические материи подверглись воздействию химических реакций природного характера, вследствие чего приобрели способность к эволюции.
Основной строительный материал в клетках живых существ - аминокислоты. Их формирование происходит при участии природных химических процессов, которые не имеют никакого отношения к жизнедеятельности. Теория абиогенеза была подтверждена ещё в 1955 году американским учёным Мюллером-Юри. Исследователь провёл эксперимент, в ходе которого пропускал электрические разряды сквозь смесь паров и газа. В результате ему удалось получить несколько аминокислот и простейшие жирные кислоты (муравьиная кислота, мочевина, уксусная кислота).
Ранее свои предположения по поводу абиогенетического происхождения всего живого на Земле высказывал русский биохимик А. И. Опарин. В 1924 году он выразил мнение о том, что живые существа появились на планете в результате воздействия мощных электрических разрядов на земную атмосферу (4-4,5 млрд лет назад она как раз состояла из смеси газов и пара, в ней преобладал метан, аммиак, углекислый газ и вода в парообразном состоянии). Опарин предположил, что такие условия могли стать оптимальными для зарождения простейших органических соединений, необходимых для появления жизни. Спустя 31 год его теория была подтверждена американцем Миллером-Юри.
Творение Бога
Теория особого творения даёт совершенно иное описание тому, как появилась жизнь на Земле. Согласно ей, живых существ создал Бог (духовное, бестелесное существо). Первых людей планеты звали Адам и Ева. Мужчину Бог сотворил из земного праха, а потом взял у него одно ребро, чтобы создать женщину. Представители 3-х религий (христианство, мусульманство, евреи) считают, что первыми на Земле появились именно Ева с Адамом. Вселенная создавалась Вседержителем в течение 7-ми дней, а первых людей он создал на 6-й день. Седьмые сутки Бог сделал днём отдыха. Потом Властитель Вселенной наполнил созданных людей жизнью и отправил их работать в Эдемовом саду. Адам и Ева должны были ухаживать за растениями и деревьями. По центру сада произрастали 2 дерева - древо познания добра и древо жизни. Бог запретил людям вкушать плоды с древа познания, но те его не послушались. По сведениям из Корана, первым решился попробовать плоды дерева познания Адам. Бог был великодушен и простил грешников. Однако остаться в саду Эдема они больше не смогли. Создатель отправил их на Землю, сделав своими представителями.
Органическое происхождение
Современные представления о возникновении жизни на Земле отображены и в теории органического происхождения живых существ. Согласно этому учению, виды и формы жизни стали формироваться на планете около 3,5 млрд лет назад. Вероятнее всего, изначально процесс эволюции шёл медленно, постепенно. Впоследствии скорость совершенствования видов живых существ в рамках Вселенной увеличилась. Существующие на планете условия помогли живым микроорганизмам быстрее переходить из одного статического состояния к другому.
Органическая эволюция видов жизни на Земле происходила посредством изменения одного или нескольких генетических признаков рода. То есть, наследственные черты популяции сохранялись, но к ним присоединялись новые биохимические, анатомические или поведенческие характеристики. По сути, эволюционные процессы постепенно и привели к образованию широкого разнообразия живых существ на планете Земля.
Материалистические теории
Приверженцы материалистической теории считают, что жизнь на планете Земля появилась в результате постепенных химических преобразований, которые начались около 3,8 млрд лет назад.
Молекулярная эволюция затрагивала область белковых соединений, ДНК и РНК. Она начала развиваться как научное течение в 1960 году. Именно тогда учёные активно проводили исследования, касающиеся генетики популяций, эволюционной и молекулярной биологии. Данная область знаний получила активное развитие благодаря эволюции ферментативных функций, а также применении расхождений нуклеиновых кислот как «молекулярных часов».
Теория о глине
Учёный-химик А. Дж. Кернс-Смит из университета Глазго (Шотландия) в 1985 году выдвинул свою теорию о том, что жизнь на Земле возникла благодаря глине. Формируя свою гипотезу, он опирался на такие же предположения других деятелей науки. Исследователь предположил, что некие органические частицы, попав между двумя глиняными слоями, начинали активно взаимодействовать с природным материалом. Они перенимали у глины способ роста и сохранения информации. Учёный в своих докладах называл первичным глиняный ген. Кернс-Смит считал, что изначально глина и первые живые организмы существовали вместе, а потом в результате эволюции органических соединений разделились.
Гипотеза катастрофизма является не менее интересной. Она гласит, что эволюция видов на планете происходила в результате мощных, кратковременных катастрофических событий. Каждая катастрофа полностью разрушала существующую жизнь, а новые формы жизнедеятельности были уже не такими, как предыдущие.
Спонтанное зарождение жизни
Вплоть до 19-го века люди отвергали теории внезапного зарождения жизни. Они не верили, что живые существа могли появиться из неживых материй. Современные представления о возникновении жизни на Земле были им чужды, однако обитатели планеты верили в гетерогенез (когда новые формы жизни происходят от существующих в результате смены способа размножения). Версия о самозарождении живых существ сводилась к тому, что организмы более сложной структуры появились на планете в результате разложения органических соединений. Ещё Аристотель выводил в своих учениях простые истины о том, что мухи рождаются из испорченной пищи, тля - из капелек росы, оседающих на листьях растений, а крокодилы - из брёвен, перегнивающих на дне пресных водоёмов. Христианство отвергало теорию спонтанного зарождения жизни, однако она всё равно смогла просуществовать несколько веков.
Окончательное опровержение гипотезы о спонтанном зарождении живых организмов случилось в XIX веке. Учёный Луи Пастер проводил опыты, связанные с изучением появления микробов. Исследования нужны были для того, чтобы выработать схему борьбы с инфекционными заболеваниями. Доказательства, предоставленные Луи Пастером, были подтверждены научными фактами и подтверждали несостоятельность гипотезы о спонтанном появлении живых существ.
Эндосимбионт
В 1905 году российский учёный ботаник Константин Мережковский сформулировал свою теорию происхождения жизни на планете Земля. Он полагал, что некоторые из органелл изначально были свободноживущими, но потом объединились с другой клеткой как эндосимбионты. Эта информация позволяет предположить, что бактерии множественных форм вступили в симбиоз и сформировали эукариотическую клетку (с ядром). Симбиотические отношения также помогают осуществить горизонтальную передачу генетического материала между бактериями.
Космогония
Приверженцы теории космогонии утверждают, что первичная жизнь зародилась в космосе. Гипотеза имеет много слабых сторон. Например, многочисленные научные исследования в этом направлении до сих пор не смогли объяснить, как возникла Вселенная и Солнечная система. На сегодняшний день не существует никакой физической модели, которая бы рассказывала о ранних этапах развития Вселенной. Вообще космогонические теории возникновения жизни использовались людьми для объяснения однородности движения небесных тел и их составляющих компонентов. В соответствии с учениями космогонии, космическая материя заполнила всё пространство Земли задолго до появления на ней жизни, а затем стала эволюционировать.
Сколько лет на планете Земля существует человек?
Занимаясь исследованиями происхождения жизни на нашей планете, учёные уделяют особое внимание вопросу «сколько лет человечеству на Земле?». До недавнего времени считалось, что первые люди появились на планете около 2,4 млн лет назад. После обнаружения интересных археологических находок в Эфиопии предположения учёных изменились. Информация о том, сколько лет человечеству на Земле, оказалась неверной. Людской род - на несколько сотен тысяч лет старше, он появился около 2,8 млн лет назад.
Результаты нового исследования научных деятелей свидетельствуют о том, что предки современного человека (приматы из семейства гоминид) существовали на планете 2,8 млн лет назад. Эта цифра на 400 тысяч лет больше по сравнению с более ранними предположениями. Такой вывод учёные сделали после обнаружения фрагмента человеческой кости на раскопках в Эфиопии, в 2013 году. Найденный фрагмент - половина челюсти, на которой было 5 зубов. По его форме исследователи определили, что челюсть принадлежала представителю рода Homo, а не австралопитеку. Представитель музея естествознания в Берлине, Файзал Биби, отметил, что эта находка является подтверждением теории эволюции.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
БГПУ ИМ. М. ТАНКА
ФАКУЛЬТЕТ СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
КАФЕДРА ОСНОВ ДЕФЕКТОЛОГИИ
Реферат
по дисциплине «Естествознание»
на тему:
«Основные гипотезы о возникновении жизни на Земле».
Выполнила:
студентка Iкурса 101 группы
заочного отделения (бюджетная
форма обучения)
……… Ирина Анатольевна
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………..….1
1. КРЕАЦИОНИЗМ……………………………………………………….…….1
2. ТЕОРИЯ СТАЦИОНАРНОГО СОСТОЯНИЯ…………..……………….….2
3. ТЕОРИЯ САМОПРОИЗВОЛЬНОГО САМОЗАРОЖДЕНИЯ…………..…3
4. ТЕОРИЯ ПАНСПЕРМИИ…………………………………………...............7
5. ТЕОРИЯ А. И. ОПАРИНА……………...……………………………..……10
6. СОВРЕМЕННЫЕ ВОЗЗРЕНИЯ НА ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ…………………………………………………………………………....12
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………...……..14
ЛИТЕРАТУРА …………………………………………………………...……...15
ВВЕДЕНИЕ.
Проблема происхождения жизни на Земле и возможности ее существования в других областях Вселенной издавна привлекала внимание как ученых и философов, так и простых людей. За последние годы интерес к этой "вечной проблеме" значительно возрос.
Это обусловлено двумя обстоятельствами: во-первых, значительными успехами в лабораторном моделировании некоторых этапов эволюции материи, приведшей к зарождению жизни, и, во-вторых, стремительным развитием космических исследований, делающих все более реальным непосредственный поиск каких-либо форм жизни на планетах Солнечной системы, а в будущем и за ее пределами.
Происхождение жизни - один из самых таинственных вопросов, исчерпывающий ответ на который вряд ли когда-нибудь будет получен. Множество гипотез и даже теорий о возникновении жизни, объясняющих различные стороны этого явления, неспособны пока что преодолеть существенное обстоятельство - экспериментально подтвердить факт появления жизни. Современная наука не располагает прямыми доказательствами того, как и где возникла жизнь. Существуют лишь логические построения и косвенные свидетельства, полученные путем модельных экспериментов, и данные в области палеонтологии, геологии, астрономии и т. п.
Теории, касающиеся возникновения жизни на Земле, разнообразны и далеко не достоверны. Наиболее распространенными теориями возникновения жизни на Земле являются следующие:
1. Жизнь была создана сверхъестественным существом (Творцом) в определенное время (креационизм).
2. Жизнь существовала всегда (теория стационарного состояния).
3. Жизнь возникала неоднократно из неживого вещества (самопроизвольное зарождение).
4. Жизнь занесена на нашу планету извне (панспермия).
5. Жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам (биохимическая эволюция).
1. КРЕАЦИОНИЗМ.
Креационизм (от лат. creaсio - создание) - философско-методологическая концепция, в рамках которой всё многообразие органического мира, человечества, планеты Земля, а также мир в целом, рассматриваются как намеренно созданные неким сверхсуществом (Творцом) или божеством. Никаких научных подтверждений этой точки зрения нет: в религии истина постигается через божественное откровение и веру. Процесс сотворения мира мыслится как имевший место лишь единожды и поэтому недоступный для наблюдения.
Теории креационизма придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религиозных учений (особенно христиане, мусульмане, иудеи). Согласно этой теории, возникновение жизни относится к какому-то определённому сверхъестественному событию в прошлом, которое можно вычислить. В 1650 году архиепископ Ашер из г. Арма (Ирландия) вычислил, что Бог сотворил мир в октябре 4004 г. до н. э. и закончил свой труд 23 октября в 9 часов утра, создав человека. Ашер получил эту дату, сложив возраст всех людей, упоминающихся в Библейской генеалогии, от Адама до Христа («кто кого родил»). С точки зрения арифметики, это разумно, однако при этом получается, что Адам жил в то время, когда, как показывают археологические находки, на Ближнем Востоке уже существовала хорошо развитая городская цивилизация.
Традиционное иудейско-христианское представление о сотворении мира, изложенное в Книге Бытия, вызывало и продолжает вызывать споры. Однако существующие противоречия не опровергают концепцию творения. Гипотеза творения не может быть ни доказана, ни опровергнута и будет существовать всегда вместе с научными гипотезами происхождения жизни.
Креационизм мыслится как Божье Творение. Однако в настоящее время некоторые рассматривают его и как результат деятельности высокоразвитой цивилизации, создающей различные формы жизни и наблюдающей за их развитием.
2. ТЕОРИЯ СТАЦИОНАРНОГО СОСТОЯНИЯ.
Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень незначительно. Согласно этой версии, виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности - либо изменение численности, либо вымирание.
По современным оценкам, основанным на учете скоростей радиоактивного распада, возраст Земли исчисляется 4,6 млрд. лет. Более совершенные методы датирования дают все более высокие оценки возраста Земли, что позволяет сторонникам теории стационарного состояния полагать, что Земля существовала всегда.
Сторонники этой теории не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводят в качестве примера представителя кистеперых рыб - латимерию (целаканта). Считалось, что кистепёрая рыба (целакант) представляет собой переходную форму от рыб к земноводным и вымерла 60-90 млн. лет назад (в конце мелового периода). Однако это заключение пришлось пересмотреть, когда в 1939 году у побережья о. Мадагаскар был выловлен 1-й живой целакант, а затем и другие экземпляры. Таким образом, целакант не является переходной формой.
Были найдены и многие другие, считавшиеся вымершими, животные, например, лингула - маленькое морское животное, якобы вымершее 500 миллионов лет назад, живо и сегодня и как другие "живые ископаемые": солендон - землеройка, туатара - ящерица. За миллионы лет они не претерпели никаких эволюционных изменений.
Ещё один пример заблуждения это археоптерикс - существо, связующее птиц и пресмыкающихся, переходная форма на пути превращения рептилий в птиц. Но в 1977 году в штате Колорадо были обнаружены окаменелости птиц, возраст которых соизмерим и даже превышает возраст останков археоптерикса, т.е. он не является переходной формой.
Сторонники теории стационарного состояния утверждают, что только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми останками, можно сделать вывод о вымирании, да и в этом случае весьма вероятно, что он окажется неверным. Используя палеонтологические данные для подтверждения теории стационарного состояния, ее сторонники интерпретируют появление ископаемых остатков в экологическом аспекте.
Так, например, внезапное появление какого-либо ископаемого вида в определенном пласте они объясняют увеличением численности его популяции или его перемещением в места, благоприятные для сохранения остатков.
Большая часть доводов в пользу этой теории связана с такими неясными аспектами эволюции, как значение разрывов в палеонтологической летописи, и она наиболее подробно разработана именно в этом направлении.
Гипотезу стационарного состояния иногда называют гипотезой этернизма (от лат. еternus – вечный). Гипотеза этернизма была выдвинута немецким учёным В. Прейером в 1880 г.
Взгляды Прейера поддерживал академик Владимир Иванович Вернадский (1864 – 1945), автор учения о биосфере. Вернадский считал, что жизнь - такая же вечная основа космоса, которыми являются материя и энергия. «Мы знаем, и знаем это научно, - твердил он, - что Космос без материи, без энергии не может существовать. И достаточно ли материи и без выявления жизни - для построения Космоса, той Вселенной, который доступный человеческому уму?». На этот вопрос он ответил отрицательно, ссылаясь именно на научные факты, а не на личные симпатии, философские или религиозные убеждения. «...Можно говорить о вечности жизни и проявлений ее организмов, как можно твердить о вечности материального субстрата небесных тел, их тепловых, электрических, магнитных свойств и их проявлений. С этой точки зрения таким же далеким от научных поисков будет вопрос о начале жизни, как и вопрос о начале материи, теплоты, электрики, магнетизма, движения».
Исходя из представления о биосфере как о земном, но одновременно и космическом механизме, Вернадский связывал ее образование и эволюцию с организованностью Космоса. «Для нас становится понятным, - писал он, - что жизнь есть явление космическое, а не сугубо земное». Эту мысль Вернадский повторял многократно: «...начала жизни в том Космосе, который мы наблюдаем, не было, поскольку не было начала этого Космоса. Жизнь вечна, поскольку вечный Космос».
3. ТЕОРИЯ САМОПРОИЗВОЛЬНОГО ЗАРОЖДЕНИЯ.
Эта теория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне и Египте в качестве альтернативы креационизму, с которым она сосуществовала. Религиозные учения всех времен и всех народов приписывали обычно появление жизни тому или другому творческому акту божества. Весьма наивно решали этот вопрос и первые исследователи природы. Аристотель (384 – 322 гг. до н. э.), которого часто провозглашают основателем биологии, придерживался теории спонтанного зарождения жизни. Даже для такого выдающегося ума древности, каким являлся Аристотель, принять представление о том, что животные - черви, насекомые и даже рыбы - могли возникнуть из ила, не представляло особых затруднений. Напротив, этот философ утверждал, что всякое сухое тело, становясь влажным, и, наоборот, всякое мокрое тело, становясь сухим, родят животных.
Проблема жизни и живого является объектом исследования многих естественных дисциплин, начиная с биологии и завершая философией, математикой, рассматривающих абстрактные модели феномена живого, а также физикой, определяющей жизнь с позиций физических закономерностей.
Вокруг этой главной проблемы концентрируются все другие более частные проблемы и вопросы, а также строятся философские обобщения и выводы.
В соответствии с двумя мировоззренческими позициями — материалистической и идеалистической — еще в древней философии сложились противоположные концепции происхождения жизни: креационизм и материалистическая теория происхождения органической природы из неорганической.
Сторонники креационизма утверждают, что жизнь возникла в результате акта божественного творения, свидетельством чего является наличие в живых организмах особой силы, управляющей всеми биологическими процессами.
Сторонники происхождения жизни из неживой природы утверждают, что органическая природа возникла благодаря действию естественных законов. Позднее эта концепция была конкретизирована в идее самозарождения жизни.
Концепция самозарождения , несмотря на ошибочность, сыграла позитивную роль; опыты, призванные ее подтвердить, представили богатый эмпирический материал для развивающейся биологической науки. Окончательный отказ от идеи самозарождения произошел только в XIX в.
В XIX в. также была выдвинута гипотеза вечного существования жизни и ее космического происхождения на Земле. Было высказано предположение, что жизнь существует в космосе и переносится с одной планеты на другую.
В начале XX в. идею космического происхождения биологических систем на Земле и вечности существования жизни в космосе развивал русский ученый академик В.И. Вернадский.
Гипотеза академика А.И. Опарина
Принципиально новая гипотеза происхождения жизни была изложена академиком А.И. Опариным в книге «Происхождение жизни », опубликованной в 1924 г. Он выступил с утверждением, что принцип Реди , вводящий монополию биотического синтеза органических веществ, справедлив лишь для современной эпохи существования нашей планеты. В начале же своего существования, когда Земля была безжизненной, на ней происходили абиотические синтезы углеродистых соединений и их последующая предбиологическая эволюция.
Суть гипотезы Опарина заключается в следующем: зарождение жизни на Земле — длительный эволюционный процесс становления живой материи в недрах неживой. Произошло это путем химической эволюции, в результате которой простейшие органические вещества образовались из неорганических под влиянием сильнодействующих физико-химических процессов.
Появление жизни он рассматривал как единый естественный процесс, который состоял из протекавшей в условиях ранней Земли первоначальной химической эволюции, перешедшей постепенно на качественно новый уровень — биохимическую эволюцию.
Рассматривая проблему возникновения жизни путем биохимической эволюции, Опарин выделяет три этапа перехода от неживой материи к живой.
Первый этап — химическая эволюция. Когда Земля была еще безжизненной (около 4 млрд лет назад), на ней происходили абиотический синтез углеродистых соединений и их последующая предбиоло- гическая эволюция.
Для этого периода эволюции Земли были характерны многочисленные вулканические извержения с выбросом огромного количества раскаленной лавы. По мере остывания планеты водяные пары, находившиеся в атмосфере, конденсировались и обрушивались на Землю ливнями, образуя огромные водные пространства (первичный океан). Эти процессы продолжались многие миллионы лет. В водах первичного океана были растворены различные неорганические соли. Кроме того, в океан попадали и различные органические соединения, непрерывно образующиеся в атмосфере под действием ультрафиолетового излучения, высокой температуры и активной вулканической деятельности.
Концентрация органических соединений постоянно увеличивалась, и, в конце концов, воды океана стали «бульоном » из белковопо- добных веществ — пептидов.
Второй этап — появление белковых веществ. По мере смягчения условий на Земле, под воздействием на химические смеси первичного океана электрических разрядов, тепловой энергии и ультрафиолетовых лучей стало возможным образование сложных органических соединений — биополимеров и нуклеотидов, которые, постепенно объединяясь и усложняясь, превращались в протобионтов (доклеточных предков живых организмов). Итогом эволюции сложных органических веществ стало появление коацерватов , или ко- ацерватных капель.
Коацерваты — комплексы коллоидных частиц, раствор которых разделяется на два слоя: слой, богатый коллоидными частицами, и жидкость, почти свободную от них. Коацерваты обладали способностью поглощать различные вещества, растворенные в водах первичного океана. В результате внутреннее строение коацерватов менялось в сторону повышения их устойчивости в постоянно меняющихся условиях.
Теория биохимической эволюции рассматривает коацерваты как предбиологические системы, представляющие собой группы молекул, окруженные водной оболочкой.
Так, например, коацерваты способны поглощать вещества из окружающей среды, вступать во взаимодействие друг с другом, увеличиваться в размерах и т.д. Однако в отличие от живых существ ко- ацерватные капли не способны к самовоспроизводству и саморегулированию, поэтому их нельзя отнести к биологическим системам.
Третий этап — формирование способности к самовоспроизводству, появление живой клетки. В этот период начал действовать естественный отбор, т.е. в массе коацерватных капель происходил отбор ко- ацсрватов, наиболее устойчивых к данным условиям среды. Процесс отбора шел в течение многих миллионов лет. Сохранившиеся ко- ацерватные капли уже обладали способностью к первичному метаболизму — главному свойству жизни.
Вместе с тем, достигнув определенных размеров, материнская капля распадалась на дочерние, сохраняющие особенности материнской структуры.
Таким образом, можно говорить о приобретении коацерватами свойства сам о вое производства — одного из важнейших признаков жизни. По сути дела, на этой стадии коацерваты превратились в простейшие живые организмы.
Дальнейшая эволюция этих предбиологических структур была возможна только при усложнении обменных процессов внутри ко- ацервата.
Внутренняя среда коацервата нуждалась в защите от воздействий окружающей среды. Поэтому вокруг коацерватов, богатых органическими соединениями, возникли слои липидов, отделившие ко- ацерват от окружающей его водной среды. В процессе эволюции липиды трансформировались в наружную мембрану, что значительно повысило жизнеспособность и устойчивость организмов.
Появление мембраны предопределило направление дальнейшей биологической эволюции по пути все более совершенной авторегуляции, завершившейся образованием первичной клетки — археклет- ки. Клетка — элементарная биологическая единица, структурно-фун- кциональная основа всего живого. Клетки осуществляют самостоятельный обмен веществ, способны к делению и саморегулированию, т.е. обладают всеми свойствами живого. Образование новых клеток из неклеточного материала невозможно, размножение клеток происходит только благодаря делению. Органическое развитие рассматривается как универсальный процесс клеткообразования.
В структуре клетки выделяют: мембрану, отграничивающую содержимое клетки от внешней среды; цитоплазму, представляющую собой соляной раствор с растворимыми и взвешенными ферментами и молекулами РНК; ядро, содержащее хромосомы, состоящие из молекул ДНК и присоединенных к ним белков.
Следовательно, началом жизни следует считать возникновение стабильной самовоспроизводящейся органической системы (клетки) с постоянной последовательностью нуклеотидов. Только после возникновения таких систем можно говорить о начале биологической эволюции.
Возможность абиогенного синтеза биополимеров была экспериментально доказана в середине XX в. В 1953 г. американский ученый С. Миллер смоделировал первичную атмосферу Земли и синтезировал уксусную и муравьиную кислоты, мочевину и аминокислоты путем пропускания электрических зарядов через смесь инертных газов. Таким образом было продемонстрировано, как под действием абиогенных факторов возможен синтез сложных органических соединений.
Несмотря на теоретическую и экспериментальную обоснованность, концепция Опарина имеет как сильные, так и слабые стороны.
Сильной стороной концепции является достаточно точное эспериментальное обоснование химической эволюции, согласно которой зарождение жизни является закономерным результатом предбиологической эволюции материи.
Убедительным аргументом в пользу этой концепции является также возможность экспериментальной проверки ее основных положений.
Слабой стороной концепции является невозможность объяснения самого момента скачка от сложных органических соединений к живым организмам.
Одну из версий перехода от предбиологической к биологической эволюции предлагает немецкий ученый М. Эйген. Согласно его гипотезе возникновение жизни объясняется взаимодействием нуклеиновых кислот и протеинов. Нуклеиновые кислоты являются носителями генетической информации, а протеины служат катализаторами химических реакций. Нуклеиновые кислоты воспроизводят себя и передают информацию протеинам. Возникает замкнутая цепь — гиперцикл, в котором процессы химических реакций самоускоряются за счет присутствия катал и заторов.
В гиперциклах продукт реакции одновременно выступает и катализатором, и исходным реагентом. Подобные реакции называются автокаталитическими.
Другой теорией, в рамках которой можно объяснить переход от предбиологической эволюции к биологической, является синергетика. Закономерности, открытые синергетикой, позволяют прояснить механизм возникновения органической материи из неорганической в терминах самоорганизации через спонтанное возникновение новых структур в ходе взаимодействия открытой системы с окружающей средой.
Замечания к теории происхождения жизни и возникновении биосферы
В современной науке принята гипотеза абиогенного (небиологического) происхождения жизни под действием естественных причин в результате длительного процесса космической, геологической и химической эволюции — абиогенеза, основой которой явилась гипотеза академика А. И. Опарина. Абиогенезная концепция не исключает возможности существования жизни в космосе и ее космического про- исхожления на Земле.
Однако, исходя из современных достижений науки, к гипотезе А.И. Опарина напрашиваются следующие уточнения.
Жизнь не могла возникнуть на поверхности (или около нее) воды Океана, поскольку в те далекие времена Луна находилась много ближе к Земле, чем в настоящее время. Приливные волны должны были быть огромной высоты, большой разрушительной силы. Про- тобионты в этих условиях просто не могли образоваться.
Из-за отсутствия озонового слоя под воздействие жесткого ультрафиолетового излучения протобионты так же не могли существовать. Это говорит о том, что жизнь могла появиться только в толще воды.
Из-за особых условий жизнь могла появиться только в воде первичного Океана, но не на поверхности, а на дне в тонких пленках органического вещества, адсорбированного поверхностями кристаллов пирита и апатитов, видимо, около геотермальных источников. Поскольку, установлено, что органические соединения образуются в продуктах извержения вулканов, а вулканическая деятельность под Океаном в древности была весьма активной. Растворенного кислорода в древнем Океане, способного окислить органические соединения, не было.
Сегодня считается, что протобионты представляли собой молекулы РНК, но не ДНК, так как доказано, что процесс эволюции шел от РНК к белку, а затем к образованию молекулы ДНК, у которой С-Н связи были более прочными, чем С-ОН связи у РНК. Однако понятно, что молекулы РНК не могли возникнуть в результате плавного эволюционного развития. Вероятно, имел место скачек со всеми чертами самоорганизации вещества, механизм которого к настоящему времени не ясен.
Первичная биосфера в толще воды, вероятно, была представлена богатым функциональным разнообразием. И первое появление жизни должно было произойти не в виде какого-то одного вида организма, а в совокупности организмов. Сразу должны были появиться многие первичные биоценозы. Они состояли из простейших одноклеточных организмов, способных выполнять все без исключения функции живого вещества в биосфере.
Эти простейшие организмы были гетеротрофами (питались готовыми органическими соединениями), были прокариотами (организмами без ядра), были анаэробами (использовали дрожжевое брожение как источник энергии).
Из-за особых свойств углерода жизнь появилась именно на этой основе. Однако никакие современные данные не противоречат вероятности появления жизни не только на углеродной основе.
Некоторые будущие направления изучения происхождения жизни
В XXI в. с целью прояснения проблемы возникновения жизни, исследователи проявляют повышенный интерес к двум объектам - к спутнику Юпитера, открытому еще в 1610 г. Г. Галилеем. Он находится на расстоянии от Земли, равном 671 000 км. Его диаметр составляет 3100 км. Он покрыт многокилометровым слоем льда. Однако под покровом льда находится океан, и в нем, возможно, сохранились простейшие формы древней жизни.
Другой объект - Восточное озеро , которое называют реликтовым водоемом. Находится оно в Антарктиде под четырехкилометровым слоем льда. Наши исследователи обнаружили его в результате глубоководного бурения. В настоящее время разрабатывается международная программа, ставящая своей целью проникнуть в воды этого озера, не нарушая его реликтовую чистоту. Возможно, что там существуют реликтовые организмы возрастом несколько миллионов лет.
Проявляется также большой интерес к обнаруженной на территории Румынии пещере, не имеющей доступа света. Когда же пробурили вход в эту пещеру, то обнаружили существование слепых живых организмов типа жучков, которые питаются микроорганизмами. Эти микроорганизмы используют для своего существования неорганические соединения, содержащие сероводород, поступающие изнутри дна этой пещеры. В эту пещеру не проникает свет, но там есть вода.
Особый интерес вызывают микроорганизмы, открытые в последнее время американскими учеными при исследовании одного из соленых озер. Эти микроорганизмы п роя an я ют исключительную устойчивость к среде обитания. Они могут жить даже на чисто мышьяковистой среде.
Привлекают также большое внимание организмы, живущие в так называемых «черных курильщиках» (рис. 2.1).
Рис. 2.1. «Черные курильщики» дна океана (струи горячей воды показаны стрелками)
«Черные курильщики» — действующие на дне океанов многочисленные гидротермальные источники, приуроченные к осевым частям срединно-океанических хребтов. Из них в океаны под высоким давлением в 250 атм. поступает высокоминерализованная горячая вода (350 °С). Их вклад в тепловой поток Земли составляет порядка 20%.
Гидротермальные океанические источники выносят растворенные элементы из океанической коры в океаны, изменяя кору и внося весьма значительный вклад в химический состав океанов. Совместно с циклом генерации океанической коры в океанических хребтах и ее рециклирования в мантию, гидротермальное изменение представляет двухэтапную систему переноса элементов между мантией и океанами. Рециклированная в мантию океаническая кора, видимо, ответственна за часть мантийных неоднородностей.
Гидротермальные источники в срединно-океанических хребтах — среда обитания необычных биологических сообществ, получающих энергию из разложения соединений гидротермальных флюидов (черный цвет струи).
В океанической коре, видимо, находятся самые глубинные части биосферы, достигающие глубины 2500 м.
Гидротермачьные источники вносят значительный вклад в тепловой баланс Земли. Под срединными хребтами мантия подходит наиболее близко к поверхности. Морская вода по трещинам проникает в океаническую кору на значительную глубину, вследствие теплопроводности нагревается мантийным теплом и концентрируется в магматических камерах.
Глубокое изучение перечисленных выше «особых» объектов, несомненно, приведет ученых к более объективному пониманию проблемы происхождения жизни на нашей планете и образованию ее биосферы.
Однако следует указать, что к настоящему времени экспериментально получить жизнь не удается.
