Гипотезы происхождения жизни

Химический  состав  нашей  планеты  сформировался   в   результате космической эволюции вещества солнечной системы, в ходе которой возникли определённые  пропорции  количественных соотношений   атомов. Поэтому современные данные о соотношении атомов химических элементов оказываются важными. Космическое обилие кислорода и водорода выразилось в обилии воды и её многочисленных окислов.    Относительно    более    высокая распространённость углерода явилась одной из причин, определивших большую вероятность возникновения  жизни.  Обилие  кремния,  магния   и   железа поспособствовало  образованию  в  земной  коре  и   метеоритах   силикатов.

 Источниками сведений  о распространённости элементов служат  данные  о составе  Солнца,  метеоритов,  поверхностей  Луны и планет. Возраст метеоритов примерно соответствует возрасту земных пород, поэтому их  состав  помогает восстановить  химический  состав  Земли  в  прошлом  и  выделить  изменения, вызванные появлением жизни на Земле.

Научная постановка проблемы  возникновения  жизни  принадлежит  Энгельсу, считавшему, что жизнь  возникла  не  внезапно,  а  сформировалась  в  ходе эволюции материи. В этом же ключе высказался и К.А.Тимирязев (1843-1920): «Мы вынуждены допустить, что живая материя осуществлялась так  же,  как  и  все  остальные процессы, путём эволюции… Процесс этот, вероятно, имел место и при  переходе из неорганического мира в органический» (1912). [3]

 

 

 

 

 

2. Гипотеза происхождения жизни А.И. Опарина

Первую научную теорию относительно происхождения живых  организмов на Земле создал советский  биохимик А.И. Опарин (1894–1980). В 1924 г. он опубликовал работы, в которых изложил представления о том, как могла возникнуть жизнь на Земле. Согласно этой теории, жизнь возникла в специфических условиях древней Земли и рассматривается Опариным как закономерный результат химической эволюции соединений углерода во Вселенной. [5]

По Опарину, процесс, приведший  к возникновению жизни на Земле, может быть разделен на три этапа:

1. возникновение органических веществ;
2. образование из более простых органических веществ биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липидов и др.);
3. возникновение примитивных самовоспроизводящихся организмов.

 

Теория биохимической  эволюции имеет наибольшее количество сторонников среди современных  учёных. Земля возникла около пяти миллиардов лет назад; первоначально  температура её поверхности была очень высокой (до нескольких тысяч градусов). По мере её остывания образовались твёрдая поверхность (земная кора — литосфера). [5]

Атмосфера, первоначально  состоявшая из лёгких газов (водород, гелий), не могла эффективно удерживаться недостаточно плотной Землёй, и эти газы заменялись более тяжёлыми: водяным паром, углекислым газом, аммиаком и метаном. Когда температура Земли опустилась ниже 100ºС, водяной пар начал конденсироваться, образуя мировой океан. В это время, в соответствии с представлениями А.И. Опарина, состоялся абиогенный синтез, то есть в первичных земных океанах, насыщенных разными простыми химическими соединениями, «в первичном бульоне» под влиянием вулканического тепла, разрядов молний, интенсивной ультрафиолетовой радиации и других факторов среды начался синтез более сложных органических соединений, а затем и биополимеров. Образованию органических веществ способствовало отсутствие живых организмов — потребителей органики — и главного окислителя — кислорода. Сложные молекулы аминокислот случайно объединялись в пептиды, которые, в свою очередь, создали первоначальные белки. Из этих белков синтезировались первичные живые существа микроскопических размеров. [5]

Наиболее сложной проблемой  в современной теории эволюции является превращение сложных органических веществ в простые живые организмы. Опарин полагал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежит белкам. По-видимому, белковые молекулы, притягивая молекулы воды, образовывали коллоидные гидрофильные комплексы. Дальнейшее слияние таких комплексов друг с другом приводило к отделению коллоидов от водной среды (коацервация). На границе между коацерватом (от лат. coacervus — сгусток, куча) и средой выстраивались молекулы липидов — примитивная клеточная мембрана. Предполагается, что коллоиды могли обмениваться молекулами с окружающей средой (прообраз гетеротрофного питания) и накапливать определённые вещества. Ещё один тип молекул обеспечивал способность к самовоспроизведению. Система взглядов А.И. Опарина получила название «коацерватная гипотеза». [5]

Гипотеза Опарина была лишь первым шагом в развитии биохимических  представлений о возникновении  жизни. Следующим шагом стали  эксперименты американского биолога Ж. Леба (1859—1924) в 1912 г. Он первым получил из смеси газов  под действием электрического разряда простейший компонент белков - аминокислоту глицин. Возможно, кроме глицина он получил и другие  аминокислоты, но в то время еще не было методов, позволяющих определить их малые количества. [3]

Открытие Ж. Леба прошло незамеченным, поэтому первый абиогенный синтез органических веществ (т.е. идущий без участия живых организмов) из

случайной смеси газов  приписывают американским ученым С.Миллеру (1930-2007) и Г. Юри (1893-1981). В 1953 г. они поставили эксперимент по программе, намеченной Опариным, и получили под действием электрических разрядов напряжением  до 60 тыс. В, имитирующих молнию, из водорода, метана, аммиака и паров воды под давлением в несколько Паскалей при t=80С сложную смесь из многих десятков органических веществ. Среди них преобладали органические (карбоновые) кислоты – муравьиная, уксусная и  яблочная, их альдегиды, а также аминокислоты (в том числе глицин и аланин). Опыты Миллера и Юри были многократно проверены на смесях разных газов и при разных источниках энергии (солнечный свет, ультрафиолетовое и радиоактивное излучение и просто тепло). Органические вещества возникали во всех случаях. [3]

Полученные Миллером и Юри результаты побудили ученых различных стран заняться исследованиями возможных путей предбиологической эволюции. В 1957 году в Москве состоялся первый Международный симпозиум по проблеме происхождения жизни. По данным, полученным в последнее время нашими учеными, простейшие органические вещества могут возникать и в космическом пространстве при температуре, близкой к абсолютному нулю. В принципе Земля могла бы получить абиогенные органические вещества и как приданое при возникновении. В результате океан превратился в сложный раствор органических веществ (т.н. первичный океан), которым в принципе могли бы питаться анаэробные бактерии (организмы, способные жить и развиваться при отсутствии свободного кислорода и получающие энергию для жизнедеятельности за счет расщепления органических или неорганических веществ). Кроме аминокислот в нем были и предшественники нуклеиновых кислот – пуриновые основания, сахара, фосфаты и др. [3]

Однако низкомолекулярные  органические вещества еще не жизнь. Основу жизни представляют биополимеры – длинные молекулы белков и нуклеиновых кислот, слагающиеся из звеньев – аминокислот и нуклеотидов. Реакция полимеризации первичных звеньев в водном растворе не идет, так как при соединении друг с другом двух аминокислот или двух нуклеотидов отщепляется молекула воды. Реакция в воде пойдет в обратную сторону. Скорость расщепления (гидролиза) биополимеров будет больше, чем скорость их синтеза. В цитоплазме наших клеток синтез биополимеров - сложный процесс, идущий с затратой энергии АТФ (АТФ - аденозинтрифосфорная кислота). Чтобы он шел, нужны ДНК, РНК и белки, которые сами являются результатом этого процесса. Ясно, что биополимеры не могли возникнуть сами в первичном океане. [3]

Возможно, первичный синтез биополимеров шел при замораживании первичного океана или же при нагревании сухого его остатка.  Американский

исследователь С.У. Фокс (1958-1981), нагревая до 130°С сухую смесь аминокислот, показал, что в этом случае реакция полимеризации идет (выделяющаяся вода испаряется) и получаются искусственные протеиноиды, похожие на белки, имеющие до 200 и более аминокислот в цепи. Растворенные в воде, они обладали свойствами белков, представляли питательную среду для бактерий и даже катализировали (ускоряли) некоторые химические реакции, как настоящие ферменты. Возможно, они возникали в предбиологическую эпоху на раскаленных склонах вулканов, а затем дожди смывали их в первичный океан. Есть и такая точка зрения, что синтез биополимеров шел непосредственно в первичной атмосфере и образующиеся соединения выпадали в первичный океан в виде частиц пыли.

Следующий предполагаемый этап возникновения жизни – протоклетки. А.И. Опарин показал, что в стоящих растворах органических веществ образуются коацерваты – микроскопические «капельки», ограниченные полупроницаемой оболочкой – первичной мембраной. В коацерватах могут концентрироваться органические вещества, в них быстрее идут реакции, обмен веществ с окружающей средой, и они даже могут делиться, как бактерии. Подобный процесс наблюдал при растворении искусственных протеиноидов Фокс, он назвал эти шарики микросферами. [3]

В протоклетках вроде коацерватов или микросфер шли реакции полимеризации нуклеотидов, пока из них не сформировался протоген –первичный ген, способный катализировать возникновение определенной аминокислотной последовательности - первого белка. Вероятно, первым таким белком был предшественник фермента, катализирующего синтез ДНК или РНК. Те протоклетки, в которых возник примитивный механизм наследственности и белкового синтеза, быстрее делились и забрали в себя все органические вещества первичного океана. На этой стадии шел уже естественный отбор на скорость размножения; любое усовершенствование биосинтеза подхватывалось, и новые протоклетки вытесняли все предыдущие. [3]

Последние этапы возникновения  жизни – происхождение рибосом и транспортных РНК, генетического кода и энергетического механизма клетки с использованием АТФ – еще не удалось воспроизвести в лаборатории. Все эти структуры и процессы имеются уже у самых примитивных микроорганизмов, и принцип их строения и функционирования не менялся за всю историю Земли. Поэтому заключительный этап происхождения жизни мы можем пока реконструировать только предположительно – до тех пор, пока его не удастся воссоздать в экспериментах.

Пока можно лишь утверждать, что на возникновение жизни в земном варианте потребовалось относительно мало времени – менее одного млрд. лет. Уже 3,8 млрд. лет назад существовали первые микроорганизмы, от которых произошло все многообразие форм земной жизни.

Жизнь возникла на земле абиогенным путем. В настоящее время живое

происходит только от живого (биогенное происхождение). Возможность повторного возникновения жизни на земле исключена. [3]

Современная наука еще  далека от исчерпывающего объяснения, как конкретно неорганическое вещество достигло высокого уровня организации, характерного для процессов жизнедеятельности. Тем не менее, ясно, что это был многоступенчатый процесс, в ходе которого уровень организации вещества шаг за шагом повышался. Восстановить конкретные механизмы этого ступенчатого усложнения — задача будущих научных исследований. Эти исследования идут по два основным направлениям:

1. сверху вниз: анализ биообъектов и изучение возможных механизмов образования их отдельных элементов;
2. снизу вверх: усложнение «химии» — изучение всё более сложных химических соединений.

Пока добиться полноценного соединения этих двух подходов не удалось. Тем не менее, биоинженеры уже сумели «по чертежам», то есть, по известному генетическому коду и структуре белковой оболочки собрать из биологических молекул простейший живой организм — вирус. Тем самым доказано, что для создания живого организма из неживой материи не требуется сверхъестественного воздействия. Так что необходимо лишь ответить на вопрос, как этот процесс мог пройти без участия человека, в естественной среде. [5]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Жизнь — одно из сложнейших явлений природы. С глубокой древности она воспринималась как таинственная и непознаваемая — вот почему по вопросам её происхождения всегда шла острая борьба между материалистами и идеалистами. Некоторые приверженцы идеалистических взглядов считают жизнь духовным, нематериальным началом, возникшим в результате божественного творения. Материалисты же, напротив, полагают, что жизнь на Земле возникла из неживой материи путем самозарождения (абиогенез) или была занесена из других миров, т.е. является порождением других живых организмов (биогенез).

По современным научным  представлениям, жизнь — это процесс  существования сложных систем, состоящих  из больших органических молекул  и неорганических веществ и способных  самовоспроизводиться, саморазвиваться  и поддерживать свое существование в результате обмена энергией и веществом с окружающей средой. Таким образом, биологическая наука стоит на материалистических позициях. Однако вопрос о происхождении жизни еще окончательно не решен. [4]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

1. Т.Я.Дубнищева «Концепция современного естествознания» учебник., М., 2000г.
2. Йосип Клечек Вселенная и земля – М. Артия 1985
3. http://www.bestreferat.ru/referat-38669.html
4. http://evrika.tsi.lv/index.php?name=site&page=71
5. http://www.genon.ru/GetAnswer.aspx?qid=7fce1440-ec75-4692-a3bb-daaaa08f200e