Современные гипотезы возникновения жизни на Земле

Ценная информация о физических условиях на Марсе была получена советским космическим аппаратом  «Марс» и американскими посадочными станциями  «Викинг – 1» и  «Викинг – 2». Так, полярные шапки, испытывающие сезонные изменения, оказались состоящими из водного пара с примесью минеральной пыли и из твёрдой двуокиси углерода сухого льда). Но пока следов жизни на Марсе не найдено.

Изучение поверхности с борта искусственных спутников позволило предположить, что каналы и реки Марса могли возникнуть в результате растапливания под поверхностного водяного льда в зонах повышенной активности или внутреннего тепла планеты, или при периодических изменениях климата.

В конце шестидесятых годов ХХ века вновь возрос интерес к гипотезам панспермии. При изучении вещества метеоритов и комет были обнаружены  «предшественники живого» - органические соединения, синильная кислота, вода, формальдегид, цианогены.

Формальдегид обнаружен в 60 % случаев в 22 исследованных областях, его облака с концентрацией примерно 1000 молекул/см. куб. заполняют обширные пространства.

В 1975 году предшественники аминокислот найдены в лунном грунте и метеоритах.

Концепция стационарного состояния жизни.

По мнению В. И. Вернадского, нужно говорить об извечности жизни и проявлений её организмов, как мы говорим об извечности материального субстрата небесных тел, их тепловых электрических, магнитных свойств и их проявлений. Всё живое произошло от живого (принцип Реди).

Примитивные одноклеточные организмы могли возникнуть только в биосфере Земли, а также в биосфере Вселенной. По мнению Вернадского, естественные науки построены на предположении, что жизнь с её особыми качествами не принимает никакого участия в жизни Вселенной. Но биосферу нужно брать как целое, как единый живой космический организм (тогда и отпадает вопрос о начале живого, о скачке от неживого к живому).

Гипотеза «голобиоза».

Она касается прообраза доклеточного предка и его способностей.

Есть различные формы доклеточного предка –  «биоид»,  «биомонада», «микросфера».

Согласно биохимику П. Деккеру, структурную основу  «биоида» составляют жизнеспособные неравновесные диссипативные структуры, то есть открытие микросистемы с ферментативным аппаратом, катализирующим метаболизм «биоида».

Эта гипотеза трактует активность до клеточного предка в обменно–метаболическом духе.

В рамках гипотезы  «голобиоза» моделировали биохимики С. Фокс и К. Дозе свои биополимеры, способные к метаболизму – комплексному белковому синтезу.

Главный недостаток этой гипотезы – отсутствие генетической системы при таком синтезе. Отсюда предпочтение  «молекулярного прародителя» всякого живого, а не первичной протоклеточной структуры.

Гипотеза генобиоза.

Американский учёный Холдейн считал, что первичной была не структура, способная к обмену веществ с окружающей средой, а мокромолекулярная система, подобная гену и способная к репродукции, а потому и названным им  «голым геном». Общее признание данная гипотеза получила после открытия РНК и ДНК и их феноменальных свойств.

Согласно этой генетической гипотезе, в начале возникли нуклеиновые кислоты как матричная основа синтеза белков. Впервые её выдвинул в 1929 г. Г. Мёллер.

Экспериментально доказано, что несложные нуклеиновые кислоты могут реплицироваться и без ферментов. Синтез белков на рибосомах идет при участии т - РНК и р – РНК. Они способны строить не просто случайные сочетания аминокислот, а упорядоченные полимеры белком. Возможно, первичные рибосомы состояли только из РНК. Такие безбелковые рибосомы могли синтезировать упорядоченные пептиды при участии молекул т – РНК, которые связывались с р – РНК через спаривание оснований.

На следующей стадии химической эволюции появились матрицы, определявшие последовательность молекул т – РНК, а тем самым и последовательность аминокислот, которые связываются молекулами т – РНК. Способность нуклеиновых кислот служить матрицами при образовании комплиментарных цепей (например, синтез и – РНК на ДНК) – наиболее убедительный аргумент в пользу представлений о ведущем значении в процессе биогенеза наследственного аппарата и, следовательно, в пользу генетической гипотезы происхождения жизни.

3. Как появилась жизнь на Земле

Современная концепция возникновения жизни на Земле является результатом широкого синтеза естественных наук, многих теорий и гипотез, выдвинутых исследователями разных специальностей.

Для возникновения жизни на Земле важна первичная атмосфера (планеты ).

Первичная атмосфера Земли содержала метан, аммиак, водяной пар и водород. Воздействую на смесь этих газов электрическими зарядами и ультрафиолетовым излучением, ученым удалось получить сложные органические вещества, входящие в состав живых белков. Элементарными  «кирпичиками» живого являются такие химические элементы, как углерод, кислород, азот и водород.

В живой клетке, по весу содержится 70 % кислорода, 17 % углерода, 10% водорода, 3% азота, затем идут фосфор, калий, хлор, кальций, натрий, магний, железо.

Итак, первый шаг на пути возникновения жизни заключается в образовании органических веществ из неорганических. Он связан с наличием химического  «сырья», синтез которого может произойти при определённом излучении, давлении, температуре и влажности.

Возникновению простейших живых организмов предшествовала длительная химическая эволюция. Из небольшого числа соединений (в результате естественного отбора) возникли вещества со свойствами, пригодными для жизни. Соединения, возникшие на основе углерода, образовали  «первичный бульон» гидросферы. Содержащие азот и углерод вещества возникли в расплавленных глубинах Земли и выносились на поверхность при вулканической деятельности.

Второй шаг в возникновении соединений связан с возникновением в первичном океане Земли биополимеров: нуклеиновых кислот, белков. Если предположить, что в этот период все органические соединения находились в первичном океане Земли, то сложные органические соединения могли образоваться на поверхности океана в виде тонкой плёнки и на прогреваемом солнцем мелководье. Анаэробная среда облегчала синтез полимеров из неорганических соединений. Несложные органические соединения начали объединяться в крупные биологические молекулы.

Образовались ферменты – белковые вещества – катализаторы, которые способствуют возникновению или распаду молекул. В результате активности ферментов возникли  «первоэлементы» жизни – нуклеиновые кислоты, сложные полимерные вещества, состоящие из мономеров.

Мономеры в нуклеиновых кислотах расположены таким образом, что несут определенную информацию, код,

заключающийся в том, что каждой аминокислоте, входящей в белок, соответствует определённый белок из 3 нуклеотидов (триплет). На основе нуклеиновых кислот могут строиться белки и происходить обмен с внешней средой веществом и энергией.

Симбиоз нуклеиновых кислот образовал  «молекулярно – генетические системы управления».

На этой стадии молекулы нуклеиновых кислот приобрели свойства самовоспроизведения себе подобных, стали управлять процессом образования белковых веществ.

У истоков всего живого стояли ревертаза и матричный синтез с ДНК на РНК, эволюция р – РНК – овой молекулярной системы в ДНК – овую. Так возник  «геном биосферы».

Жара и холод, молний, ультрафиолетовая реакция, атмосферные электрические заряды, порывы ветра и водяные струи – всё это обеспечивало начало или затухание биохимических реакций, характер их протекания, генные  «всплески».

К концу биохимической стадии появились такие структурные образования, как мембраны, ограничивающие смесь органических веществ от внешней среды.

Мембраны сыграли главную роль в построении всех живых клеток. Тела всех растений и животных состоят из клеток.

Живое содержание клетки – протоплазма.

Современные учёные пришли к выводу, что первые организмы на Земле были одноклеточными прокариотами. По своему строению они напоминали бактерии или сине – зелёные водоросли, существующие в настоящее время.

Для существования первых  «живых молекул», прокариотов необходим как для всего живого, приток энергии извне. Каждая клетка – маленькая  «энергетическая станция». Непосредственным источником энергии для клеток служит АТФ и другие соединения, содержащие фосфор. Энергию клетки получают с пищей, они способны не только тратить, но и запасать энергию.

Учёные предполагают, что на Земле возникло множество первых комочков живой протоплазмы. Около 2 млрд. лет тому назад в живых клетках появилось ядро. Из прокариотов возникли эукариоты. Их на Земле насчитывается 25 – 30 видов. Самые простые из них – амёбы. У эукариотов существует в клетке оформленное ядро с веществом, содержащим код синтеза белка.

К этому времени наметился  «выбор» растительного или животного образа жизни. Различия этих образов жизни связано со способом питания и возникновением фотосинтеза, который заключается в создании органических веществ (например, сахаров из углекислоты и воды при использовании энергии света).

Благодаря фотосинтезу, растения вырабатывают органические вещества, за счет которого происходит наращивание массы растений, и вырабатывают большое количество органических веществ.

С возникновением фотосинтеза в атмосферу Земли стал поступать кислород, и образовалась вторичная атмосфера Земли с высоким содержанием кислорода.

Появление кислорода и интенсивное развитие наземных растений – величайший этап в развитии жизни на Земле. С этого момента началось постепенное видоизменение и развитие живых форм.

Жизнь со всеми её проявлениями произвела глубочайшие изменения в развитии нашей планеты. Совершенствуясь в процессе эволюции, живые организмы всё шире распространялись по планете, принимая большое участие в перераспределении энергии и веществ в земной коре, а также в воздушной и водной оболочках Земли.

Возникновение и распространение растительности привели к коренному изменению состава атмосферы, первоначально содержащей очень мало свободного кислорода, и состоящей главным образом из двуокиси углерода и, вероятно, метана и аммиака.

Растения, ассимилирующие углерод из двуокиси углерода, привели к созданию атмосферы, содержащей свободный кислород и лишь следы углекислого газа. Свободный кислород в составе атмосферы служил не только активным химическим агентом, но также источником озона, преградившего путь коротким ультрафиолетовым лучам к поверхности Земли (озоновый экран).

Одновременно углерод , веками скапливавшийся в остатках растений, образовал в земной коре энергетические запасы в виде залежи органических соединений (каменный уголь, торф).

Развитие жизни в Мировом океане привело к созданию осадочных пород, состоящих из скелетов и других остатков морских организмов.

Эти отложения, их механическое давление, химические и физические превращения изменили поверхность земной коры. Всё это свидетельствовало о наличии на Земле биосферы, в которой развертывались и продолжаются поныне жизненные явления.

4. Эволюция форм биологической жизни на Земле

Как же возникло то разнообразие, которое мы наблюдаем в живой природе? Ведь когда – то 2 – 3 млрд. лет тому назад жизнь была представлена довольно однообразными существами.

Идея эволюции живой природы возникла в Новое время как противопоставление креацианизму (от лат. «создание») - учению о сотворении мира богом из ничего и неизменности созданного творцом мира.

Согласно креацианизму, возникновение жизни относится к определённому событию в прошлом, которое можно вычислить.

В 1650 году архиепископ Ашер из Ирландии вычислил, что Бог сотворил мир в октябре 4004 года до н. э., а в 9 часов утра октября и человека. Это число он получил из возрастов и родственных связей всех упомянутых в Библии лиц.

Фундаментальную роль в мировоззрении того времени играли также телеологии - учения, по которому всё в природе устроено целесообразно и всякое развитие является осуществлением заранее предопределённых целей.

Теология приписывает процессам и явлениям природы цели, которые устанавливаются богом (Х. Вольф), или являются внутренними причинами природы (Аристотель, Лейбниц).

В преодолении идей креацианизма и телеологии важную роль сыграла концепция ограниченной изменчивости видов в пределах относительно узких подразделений (от одного единого предка под влиянием среды – трансформизм.

Трансформизм в основе своей имеет представления об изменении и превращении органических форм происхождении одних организмов от других. Среди естествоиспытателей и философов – трансформистов ХVII – XVIII вв. известны Ж. Бюффон, Р. Гук, Д. Дидро, Э. Дарвин, И. Гёте и д.р.

Все трансформисты признавали изменчивость видов организмов под действием изменений окружающей среды.

В становлении идеи эволюции органического мира существенную роль сыграла систематика. К. Линней впервые применил бинарную номенклатуру и построил искусственную классификацию растений и животных. Заслуга Линнея в том, что через создание искусственной системы он подвёл биологию к необходимости рассмотрения колоссального эмпирического материала с позиций общих теоретических принципов.

Большую роль в становлении и развитии идеи эволюции живой природы сыграла эмбриология, для которой в Новое время было характерно противостояние преформизма и эпигенеза.

Таким образом, в XII – XIII вв. возникла идея исторических изменений наследственных признаков организмов, необратимого исторического развития живой природы – идея эволюции органического мира.

Эволюция от лат  «развёртывание» - историческое развитие природы. В ходе эволюции:

·                   возникают новые виды, т.е. увеличивается разнообразие форм организмов;

·                   организмы адаптируются, т.е. приспосабливаются к изменениям условий внешней среды;

·                   В результате эволюции, постепенно повышается общий уровень организации живых существ: они усложняются и совершенствуются. Переход от представления о трансформации видов к идее эволюции исторического развития видов предполагал:

·                   Рассмотрение процесса образования видов в его истории, учёт конструктивной роли фактора времени в историческом развитии организмов;

·                   Развитие идей о возникновении качественно нового в таком историческом процессе.

Первые эволюционные теории были созданы двумя великими учёными XIX века – Ж. Ламарком и Ч. Дарвином.

В 1809 году вышла книга Ламарка «Философия зоологии», в которой была изложена первая целостная теория эволюции органического мира.

Ламарк полагал, что историческое развитие организмов имеет не случайный, а закономерный характер и происходит в направлении постепенного и неуклонного совершенствования.

Ламарк включил в своё учение качественно новое понимание роли среды в развитии органических форм, трактуя внешнюю среду как важный фактор, условия эволюции.

По – своему идея эволюции органического мира развивалась в теории катастроф.

Французский биолог Ж. Кювье писал:  «Жизнь не раз потрясала на нашей земле страшными событиями. Бесчисленные живые существа становились жертвой катастроф: одни обитатели суши, были поглощены потопами, другие, населявшие недра вод, оказались на суше вместе с внезапно приподнятым дном моря, сами их расы навеки исчезли, оставив на свете лишь немногие остатки, едва различимые для натуралистов».

Против учения катастрофизма выступили сторонники другой концепции эволюции, которые исходили из представлений о тождественности современных и древних геологических процессов – концепции униформизма.

Геологическая эра Земли от её образования до зарождения жизни называется катархей.

Катархей (от греч. «ниже древнейшего») – эра, когда была безжизненная Земля, окутанная ядовитой для живых существ атмосферой, лишенной кислорода. Гремели вулканические извержения, сверкали молнии, жесткое ультрафиолетовое излучение пронизывало атмосферу и верхние слои воды. Под влиянием этих явлений из смеси паров сероводорода, аммиака, угарного газа начинают синтезироваться первые органические соединения. Возникают свойства, характерные для жизни.

Такая картина эры катархея существовала около 5 – 3,5 млрд. лет назад.

Вернадский считал, что биосфера геологически вечна, т. е. жизнь на Земле существует столько же времени, сколько и сама Земля как планета.

Архей – древнейшая геологическая эра Земли (3,5 – 2,6 млрд. лет назад). Ко времени архея относится возникновение первых прокариот (бактерий и сине – зелёных водорослей) – организмов, которые в отличие от эукариот не обладают оформленным клеточным ядром и типичным хромосомным аппаратом.

В отложениях архея найдены остатки нитчатых водорослей. В этот период появляются гетеротрофные организмы не только в море, но и на суше. Образуется почва.

В атмосфере снижается содержание метана, аммиака, и водорода, начинается накопление углекислого газа и кислорода.

Протерозой (от греч «первичная жизнь») – огромный по продолжительности этап исторического развития Земли (2,6 млрд. – 570 млн. лет назад).

Возникновение многоклеточности – важный ароморфоз в эволюции жизни.

Конец протерозоя назавают  «веком медуз» - очень распространённых в это время представителей кишечнополостных. Палеозой (от греч. «древняя жизнь» - геологическая эра 570 – 230 млн. лет) со следующими периодами: кембрий (570 – 500 млн. лет), ордовик (500 – 440 млн. лет), силур (440 – 410 млн. лет), девон ( 410 – 350 млн. лет), карбон (350 – 285 млн. лет), пермь (285 – 230 млн. лет).

Для развития жизни в раннем палеозое (кембрий, ордовик, силур) характерно интенсивное развитие наземных растений и выход на сушу животных. Фауна раннего палеозоя: головоногий моллюск, трилобиты – примитивные ракообразные, одиночные кораллы.

Наступивший в конце силура горообразовательный период изменил климат и условия существования организмов. В результате поднятия суши и сокращения морей климат девона был более континентальный.

В девоне появились пустынные и полупустынные области; на суше появились первые леса из гигантских папоротников, хвощей и плаунов. Новые группы животных начинают завоёвывать сушу, но их отрыв от водной среды не был ещё окончательным.

К концу карбона появились первые пресмыкающиеся. Они достигли значительного разнообразия из – за засушливого климата и похолодания. Так, в палеозое произошло завоевание суши многоклеточными растениями и животными.

Мезозой (с греч  «средняя жизнь») – это геологическая эра (230 – 67 млн. лет) со следующими периодами: триас (230 – 195 млн. лет), юра (195 – 137 млн. лет), мел (137 – 67 млн. лет). Мезозой называют эрой пресмыкающихся. Их расцвет, широчайшая дивергенция и вымирание происходят в эту эру. В мезозое усиливается засушливость климата. Вымирает множество сухопутных организмов, у которых отдельные этапы жизни связаны с водой: большинство земноводных, папоротники, хвощи и плауны.

В триасе среди растений сильного развития достигают голосеменные, среди животных – пресмыкающиеся. В триасе появляются растительноядные и хищные динозавры. Весьма разнообразны в эту эру морские пресмыкающиеся. Помимо ихтиозавров, в морях юры появляются плезиозавры. В юре пресмыкающиеся начали осваивать и воздушную среду. Летающие ящеры просуществовали до конца мела. В юре от пресмыкающихся возникли и птицы.

Во второй половине мела возникли сумчатые и плацентарные млекопитающие. Приобретение живорождения, теплокровности, были теми ароморфозами, которые обеспечили прогресс млекопитающих.

Геологическая эра, в которой мы живём, называется кайнозой.

Кайнозой (от греч. «новая жизнь») – это эра (67 млн. лет – наше время) расцвета цветковых растений, насекомых, птиц и млекопитающих.

Кайнозой делится на 2 неравных периода: третичный 9 67 – 3 млн. лет) и четвертичный (3 млн. лет – наше время). В первой половине третичного периода широко распространены леса тропического и субтропического типа. В течение третичного периода от насекомоядных млекопитающих обособляется отряд приматов.

Широкое распространение получают и общие предковые формы человекообразных обезьян и людей.

К концу третичного периода встречаются представители всех современных семейств животных и растений.

В это время начинается великий процесс остепнения суши, который привёл к вымиранию одних древесных и лесных форм и к выходу других на открытое пространство. В результате сокращения лесных площадей одни из форм антропоидных обезьян отступали вглубь лесов, другие опустились с деревьев не землю и стали завоёвывать открытые пространства. Потомками их являются люди, возникшие в конце третичного периода.

В течении четвертичного периода вымирают мамонты, саблезубые тигры, гигантские ленивцы, большерогие торфяные олени и др. животные.

Большую роль в вымирании крупных млекопитающих сыграли древние охотники.

Около 10 тыс. лет назад в умеренно тёплых областях Земли наступила  «неолитическая революция», связанная с переходом человека от собирательства и охоты к земледелию и скотоводству.

Это определило видовой состав органического мира, который существует и в настоящее время.

Заключение

Из того, что мы знаем о происхождении жизни на Земле ясно, что процесс возникновения живых организмов из простых органических соединений был крайне длительным. Чтобы на Земле зародилась жизнь, понадобился длившийся много миллионов лет эволюционный процесс, в течение которого сложные молекулярные структуры, прежде всего, нуклеиновые кислоты и белки, прошли отбор на устойчивость, на способность к воспроизведению себе подобных.

Жизнь как особая форма существования материи характеризуется двумя отличительными свойствами – самовоспроизведением, и обменом веществ с окружающей средой.

На свойствах саморепродукции и обмена веществ строятся все современные гипотезы возникновения жизни.

Экспериментально удалось установить основные этапы, по которым могла возникнуть жизнь на Земле: синтез простых органических соединений, синтез полимеров, близких к нуклеиновым кислотам и белкам, образование первичных живых организмов (протобионтов).

Собственно биологическая эволюция начинается с образования клеточной организации и в дальнейшем идёт по пути совершенствования строения и функций клетки, образования многоклеточной организации, разделения живого на царства растений, животных, грибов, с последующей их дифференциацией на виды.

Теория эволюции даёт возможность понять стратегию взаимоотношения человека и окружающей живой природы, позволяет ставить вопрос о разработке принципов управляемой эволюции.

Отдельные элементы такой управляемой эволюции просматриваются уже сегодня, например, в попытках непростого промыслового использования, а хозяйственного управления эволюцией отдельных видов животных и растений.

Изучение процессов эволюции важно для охраны окружающей среды. Человек, вторгаясь в природу, ещё не научился предвидеть и предупреждать нежелательные последствия своего вмешательства.

Ещё В. И. Вернадский верил в силу человеческого разума, в то, что всё активнее вторгаясь в природные эволюционные процессы, он сумеет направить эволюцию живого таким образом, чтобы сделать планету ещё прекраснее и богаче.

Сегодня, эволюционная теория позволяет интегрировать достижения всех биологических дисциплин (определяя направления каждой из них), завтра – станет основой оптимальной стратегии взаимоотношения развивающегося человечества и Земли.

Литература

1.                  А. В. Яблоков, Юсуфов А. Г. Эволюционное учение (Дарвинизм). М, «Высшая школа», 1989 г.

2.                 А. Б. Георгиевский . Дарвинизм. М., «Просвещение», 1985г.

3.                 Е. А. Веселов. Дарвинизм. Государственное учебно–педагогическое издательство министерства просвещения; М, 1965 г.

4.                 О. В. Агапова, В. И. Агапов Лекции по концепциям современного естествознания. Вузовский курс. Рязань, 2000 г.

5.                 А. А. Горелов Концепции современного естествознания М., Мысль, 1997 г.

6.                 Концепции современного естествознания. Серия  «Учебники и учебные пособия». Ростов н \ Д, 1997 г.

7. Н. Н. Иорданский Эволюция органического мира. М., Владос, 2002 г.

8. В. И. Вернадский Начало и вечность жизни. М., Республика, 1989 г.

9. А. И. Опарин Жизнь, её природа, происхождение и развитие. М., «Просвещение», 1962 г.

10. Советский Энциклопедический Словарь. М., Советская энциклопедия, 1982 г.

11. С. Х. Карпенков Концепция современного естествознания М., «Высшая школа», 2000г.

12. Т. Я. Дубнищева Концепция современного естествознания, М.,  «Высшая школа», 2000г.

Страницы: 1, 2