Возникновение жизни на Земле
Реферат
Возникновение жизни на земле
Выполнил:
Ученик 11 А класса
Средней- школы 146
Ястребов Никита
Учитель: Мошкова Е.Н.
2005
Содержание:
1.Введение.
2. Научный взгляд на жизнь.
3. Зарождение и развитие эволюционной идеи.
4.Заключение.
1.Введение.
С незапамятных времен происхождение жизни было загадкой для
человечества. С момента своего появления благодаря труду человек
начинает выделяться среди остальных живых существ. Но способность задать
себе вопрос «откуда мы?» человек получает сравнительно недавно-7-8 тыс.
лет. назад, в начале нового каменного века .
Это примитивное, но практичное отождествление окружающей природы
с одушевленностью человека имело серьезные последствия. Первые
примитивные формы веры в нереальные, сверхъестественные или божественные
силы, существовавшие уже 35-40 тыс. лет назад, расширяются и
укрепляются. Человек понимает, что он смертен, что одни рождаются, а
другие умирают, что он создает орудия труда, обрабатывает земли и
получает ее плоды. А что же лежит в основе всего, кто первосоздатель,
кто создал землю и небо, животных и растения, воздух и воду, день и ночь
и, наконец, самого человека?
2. Научный взгляд на жизнь.
Только в середине XVII в. тосканский врач Франческо Реди
(1626-1698) предпринимает первые опыты по самозарождению. В 1668 г. он
доказал, что белые черви, которые встречаются в мясе, являются личинками
мух; если мясо или рыбу закрыть, пока они свежие, и предотвратить доступ
мух, то они, хотя и сгниют, но не произведут червей.
Сегодня опыты Реди выглядят наивными, но они представляли собой
первый прорыв фронта мистических представлений о формировании живых
существ.
Опыты по самозарождению жизни проводит и шотландский ученый Т. Ниидам
(1713-1781), но их опровергает итальянец Л. Спалланцани (1729-1799) как
совершенно нечисто поставленные. Сам Спалланцани проводит опыты, которые
подтверждают выводы Реди о роли стерильности при подобных экспериментах.
Почти через двести лет после Реди в 1862 г. великий французский
ученый Луи Пастер (1822-1895) публикует свои наблюдения по проблеме
произвольного самозарождения.
Он доказывает, что внезапное возникновение («спонтанное самозарождение»
) микробов в различных видах гниющих настоек или экстрактов не есть
возникновение жизни. Гниение и брожение-это результат жизнедеятельности
микроорганизмов, чьи зародыши внесены извне. Микробы—сложно устроенные
организмы и могут производить себе подобные существа, т. е. живое
происходит от живого. Как ученый, который доверяет только результатам
научных опытов, Пастер не делает глубоких выводов о происхождении жизни.
Однако его исследования окончательно разрушили вековые предрассудки о
спонтанном самозарождении.
Независимо от этого после опытов Пастера решение проблемы
происхождения жизни стало чуть ли не невозможным. Приверженцы религии с
облегчением вздохнули. Разумеется, сам Пастер никогда не утверждал, что
жизнь не может возникнуть первично. Но большинство его современников
именно так истолковали его опыты, принимая их за доказательство того,
что жизнь не может возникнуть из неживой материи. В связи с этим
известный английский ученый Дж. Холдейн отмечает: «По целому ряду
исторических причин христианская церковь приняла именно эту последнюю
точку зрения, потому что она, по мнению церкви, подчеркивала контраст
между духом и материей».
Уже установлено достаточно фактов, которые показывают, что
физико-химические условия океана не противоречат идее земного
происхождения жизни. Процентное содержание отдельных металлов одинаково
у бактерий, губок, растений, животных и в океанской воде.
Однако вернемся к началу XX в. Все большее число ученых склонно
признать, что проблема возникновения жизни не может быть решена наукой.
Основания для такого мнения налицо: тысячелетнее господство религиозных
мифов о сотворении мира и наивные представления о самозарождении
заменяются умозрительными гипотезами и новыми мифами о космическом
посеве. В научной среде в начале века остро реагировали на всякую
умозрительную попытку объяснить мир вокруг нас. Знаменитый английский
физик Резерфорд часто говорил: «Только бездельник говорит о Вселенной в
моей лаборатории!» Но человечество (за исключением, может быть,
представителей традиционного британского эмпиризма) не только с помощью
поэтов и философов, но и добросовестных ученых стремилось познать
Вселенную и жизнь как ее детище.
Есть нечто символичное в том, что основы современной теории
происхождения жизни заложены в один прекрасный майский день. 3 мая 1924
г. на собрании Русского ботанического общества молодой советский ученый
А. И. Опарин с дерзостью, присущей молодости, позволил себе с новой
точки зрения рассмотреть проблему возникновения жизни. Его доклад «О
возникновении жизни» стал исходной точкой нового взгляда на вечную
проблему «откуда мы пришли?». Пять лет спустя независимо от Опарина
сходные идеи были развиты английским ученым Дж. Холдейном. Общим во
взглядах Опарина и Холдейна является попытка объяснить возникновение
жизни в результате химической эволюции на первичной Земле. Оба они
подчеркивают огромную роль первичного океана как огромной химической
лаборатории, в которой образовался «первичный бульон», а кроме того, и
роль энзимов - органических молекул, которые многократно ускоряют
нормальный ход химических процессов. В дополнение к этому Холдейн
впервые высказывает идею, что первичная атмосфера на Земле, «вероятно,
содержала очень мало или вообще не содержала кислорода».
Согласно Дж. Берналу, «труд Опарина содержит в себе основы новой
программы химических и биологических исследований». Идеи Опарина
вдохновили многих ученых на новые целенаправленные исследования,
результаты которых начинают открывать тайну жизни - эту мучительную и
сладкую загадку для человека.
3. Зарождение и развитие эволюционной идеи
Первые проблески эволюционной мысли зарождаются в недрах
диалектической натурфилософии античного времени, рассматривавшей мир в
бесконечном движении, постоянном самообновлении на основе всеобщей связи
и взаимодействия явлений и борьбы противоположностей.
Исключительной заслугой учения Дарвина явилось то, что оно дало научное,
материалистическое объяснение возникновению высших животных и растений
путем последовательного развития живого мира, что оно привлекло для
разрешения биологических проблем исторический метод исследования. Однако
к самой проблеме происхождения жизни у многих естествоиспытателей и
после Дарвина сохранился прежний метафизический подход. Широко
распространенный в научных кругах Америки и Западной Европы
менделизм-морганизм выдвинул положение, согласно которому
наследственностью и всеми другими свойствами жизни обладают частицы
особенного генного вещества, сконцентрированного в хромосомах клеточного
ядра. Эти частицы будто бы когда-то внезапно возникли на Земле и
сохранили свое жизнеопределяющее строение в основном неизменным в
течение всего развития жизни. Таким образом, проблема происхождения
жизни, с точки зрения менделистов-морганистов, сводится к вопросу, как
могла сразу внезапно возникнуть наделенная всеми свойствами жизни
частица генного вещества.
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. Наиболее широко
признанные гипотезы коацерватная и генетическая.
Коацерватная гипотеза. В 1924 г. А. И. Опарин впервые сформулировал
основные положения концепции предбиологической эволюции и затем,
опираясь на эксперименты Бунгенберга де Йонга, развил эти положения в
коацерватной гипотезе происхождения жизни. Основу гипотезы составляет
утверждение, что начальные этапы биогенеза были связаны с формированием
белковых структур.
Первые белковые структуры (протобионты, по терминологии Опарина)
появились в период, когда молекулы белков отграничивались от окружающей
среды мембраной. Эти структуры могли возникнуть из первичного «бульона»
благодаря коацервации — самопроизвольному разделению водного раствора
полимеров на фазы с различной их концентрацией. Процесс коацервации
приводил к образованию микроскопических капелек с высокой концентрацией
полимеров. Часть этих капелек поглощали из среды низкомолекулярные
соединения: аминокислоты, глюкозу, примитивные катализаторы.
Взаимодействие молекулярного субстрата и катализаторов уже означало
возникновение простейшего метаболизма внутри протобионтов.
Обладавшие метаболизмом капельки включали в себя из окружающей среды
новые соединения и увеличивались в объеме. Когда коацерваты достигали
размера, максимально допустимого в данных физических условиях, они
распадались на более мелкие капельки, например, под действием волн, как
это происходит при встряхивании сосуда с эмульсией масла в воде. Мелкие
капельки вновь продолжали расти и затем образовывать новые поколения
коацерватов.
Постепенное усложнение протобионтов осуществлялось отбором таких
коацерватных капель, которые обладали преимуществом в лучшем
использовании вещества и энергии среды. Отбор как основная причина
совершенствования коацерватов до первичных живых существ — центральное
положение в гипотезе Опарина.
Генетическая гипотеза. Согласно этой гипотезе, вначале возникли
нуклеиновые кислоты как матричная основа синтеза белков. Впервые ее
выдвинул в 1929 г. Г. Мёллер.
Экспериментально доказано, что несложные нуклеиновые кислоты могут
реплицироваться и без ферментов. Синтез белков на рибосомах идет при
участии транспортной (т-РНК) и рибосомной РНК (р-РНК). Они способны
строить не просто случайные сочетания аминокислот, а упорядоченные
полимеры белков. 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
комплементарных 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.
Основные этапы биогенеза. Процесс биогенеза включал три основных этапа:
возникновение органических веществ, появление сложных полимеров
(нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов), образование первичных живых
организмов.
Первый этап — возникновение органических веществ. Уже в период
формирования Земли образовался значительный запас абиогенных
органических соединений. Исходными для их синтеза были газообразные
продукты докислородной атмосферы и гидросферы (СН4, СО2, H2О, Н2, NH3,
NО2). Именно эти продукты используются и в искусственном синтезе
органических соединений, составляющих биохимическую основу жизни.
Экспериментальныйсинтез белковых компонентов — аминокислот в
попытках создать живое «в пробирке» начался с работ С. Миллера (1951—1957). С.Миллер провел серию
опытов по воздействию искровыми электрическими разрядами на смесь газов
СН4, NH3, H2 и паров воды, в результате чего обнаружил аминокислоты
аспарагин, глицин, глутамин. Полученные Миллером данные подтвердили
советские и зарубежные ученые.
Наряду с синтезом белковых компонентов экспериментально синтезированы
нуклеиновые компоненты — пуриновые и пиримидиновые основания и сахара.
При умеренном нагревании смеси цианистого водорода, аммиака и воды Д.
Оро получил аденин. Он же синтезировал урацил при взаимодействии
аммиачного раствора мочевины с соединениями, возникающими из простых
газов под влиянием электрических разрядов. Из смеси метана, аммиака и
воды под действием ионизирующей радиации образовывались углеводные
компоненты нуклеотидов — рибоза и дезоксирибоза. Опыты с применением
ультрафиолетового облучения показали возможность синтеза нуклеотидов из
смеси пуриновых оснований, рибозы или дезоксирибозы и полифосфатов.
Нуклеотиды, как известно, являются мономерами нуклеиновых кислот.
Второй этап — образование сложных полимеров. Этот этап возникновения
жизни характеризовался абиогенным синтезом полимеров, подобных
нуклеиновым кислотам и белкам.
С. Акабюри впервые синтезировал полимеры протобелков со случайным
расположением аминокислотных остатков. Затем на куске вулканической лавы
при нагревании смеси аминокислот до 100°С С. Фоке получил полимер с
молекулярной массой до 10000, содержащий все включенные в опыт типичные
для белков аминокислоты. Этот полимер Фоке назвал протеиноидом.
Искусственно созданным протеиноидам были характерны свойства, присущие
белкам современных организмов: повторяющаяся последовательность
аминокислотных остатков в первичной структуре и заметная ферментативная
активность.
В начальных процессах биогенеза большое значение имеет химический отбор,
который является фактором синтеза простых и сложных соединений. Одной'
из предпосылок химического синтеза выступает способность атомов и
молекул к избирательности при их взаимодействиях в реакциях. Например,
галоген хлор или неорганические кислоты предпочитают соединяться с
легкими металлами. Свойство избирательности определяет способность
молекул к самосборке, что было показано С. Фоксом в сложных макромолекул
характеризуется строгой упорядоченностью как по числу мономеров, так и
по их пространственному расположению.
Способность макромолекул к самосборке А. И. Опарин рассматривал в
качестве доказательства выдвинутого им положения, что белковые молекулы
коацерватов могли синтезироваться и без матричного кода.
Третий этап — появление первичных живых организмов. От простых
углеродистых соединений химическая эволюция привела к высокополимерным
молекулам, которые составили основу формирования примитивных живых
существ. Переход от химической эволюции к биологической характеризовался
появлением новых качеств, отсутствующих на химическом уровне развития
материи. Главными из них были внутренняя организация протобионтов,
приспособленная к окружающей среде благодаря устойчивому обмену веществ
и энергии, наследование этой организации на основе репликации
генетического аппарата (матричного кода).
А. И. Опарин с сотрудниками показал, что устойчивым обменом веществ с
окружающей средой обладают коацерваты. При определенных условиях
концентрированные водные растворы полипептидов, полисахаридов и РНК
образуют коацерватные капельки объемом от 10-7 до 10-6 см3 которые имеют
границу раздела с водной средой. Эти капельки обладают способностью
ассимилировать из окружающей среды вещества и синтезировать из них новые
соединения.
Хотя микросферы не содержат нуклеиновых кислот и в них отсутствует ярко
выраженный метаболизм, они рассматриваются в качестве возможной модели
первых самоорганизующихся структур, напоминающих примитивные клетки.
Клетки — основная элементарная единица жизни, способная к размножению, в
ней протекают все главные обменные процессы (биосинтез, энергетический
обмен и др.). Поэтому возникновение клеточной организации означало
появление подлинной жизни и начало биологической эволюции.
Эволюция одноклеточных организмов.
До 1950-х годов не удавалось обнаружить следы докембрийской жизни на
уровне одноклеточных организмов, поскольку микроскопические остатки этих
существ невозможно выявить обычными методами палеонтологии. Важную роль
в их обнаружении сыграло открытие, сделанное в начале XX в. Ч. Уолкотом.
В докембрийских отложениях на западе Северной Америки он нашел слоистые
известняковые образования в виде столбов, названные позднее
строматолитами. В 1954 г. было установлено, что строматолиты формации
Ганфлинт (Канада) образованы остатками бактерий и сине-зеленых
водорослей. У берегов Австралии обнаружены и живые строматолиты,
состоящие из этих же организмов и очень сходные с ископаемыми
докембрийскими строматолитами. К настоящему времени остатки
микроорганизмов найдены в десятках строматолитов, а также в глинистых
сланцах морских побережий.
Самые ранние из бактерий (прокариоты) существовали уже около 3,5 млрд.
лет назад. К настоящему времени сохранились два семейства бактерий:
древние, или археобактерии (галофильные, метановые, термофильные), и
эубактерии (все остальные). Таким образом, единственными живыми
существами на Земле в течение 3 млрд. лет были примитивные
микроорганизмы. Возможно, они представляли собой одноклеточные существа,
сходные с современными бактериями, например клостридиями, живущими на
основе брожения и использования богатых энергией органических
соединений, возникающих абиогенно под действием электрических разрядов и
ультрафиолетовых лучей. Следовательно, в эту эпоху живые существа были
потребителями органических веществ, а не их производителями.
Гигантский шаг на пути эволюции жизни был связан с возникновением
основных биохимических процессов обмена — фотосинтеза и дыхания и с
образованием клеточной организации, содержащей ядерный аппарат
(эукариоты). Эти «изобретения», сделанные еще на ранних стадиях
биологической эволюции, в основных чертах сохранились у современных
организмов. Методами молекулярной биологии установлено поразительное
единообразие биохимических основ жизни при огромном различии организмов
по другим признакам. Белки почти всех живых существ состоят из 20
аминокислот. Нуклеиновые кислоты, кодирующие белки, монтируются из
четырех нуклеотидов. Биосинтез белка осуществляется по единообразной
схеме, местом их синтеза являются рибосомы, в нем участвуют и-РНК и
т-РНК. Подавляющая часть организмов использует энергию окисления,
дыхания и гликолиза, которая запасается в АТФ.
Рассмотрим подробнее особенности эволюции на клеточном уровне
организации жизни. Наибольшее различие существует не между растениями,
грибами и животными, а между организмами, обладающими ядром (эукариоты)
и не имеющими его (прокариоты). Последние представлены низшими
организмами — бактериями и сине-зелеными водорослями (цианобактерии, или
цианен), все остальные организмы — эукариоты, которые сходны между собой
по внутри--клеточной организации, генетике, биохимии и метаболизму.
Различие между прокариотами и эукариотами заключается еще и в том, что
первые могут жить как в бескислородной (облигатные анаэробы), так и в
среде с разным содержанием кислорода (факультативные анаэробы и аэробы),
в то время как для эукариотов, за немногим исключением, обязателен
кислород. Все эти различия имели существенное значение для понимания
ранних стадий биологической эволюции.
Сравнение прокариот и эукариот по потребности в кислороде приводит к
заключению, что прокариоты возникли в период, когда содержание кислорода
в среде изменилось. Ко времени же появления эукариот концентрация
кислорода была высокой и относительно постоянной.
Первые фотосинтезирующие организмы появились около 3 млрд. лет назад.
Это были анаэробные бактерии, предшественники современных
фотосинтезирующих бактерий. Предполагается, что именно они образовали
самые древние среди известных строматолитов. Обеднение среды
органическими азотистыми соединениями вызывало появление живых существ,
способных использовать атмосферный азот. Такими организмами, способными
существовать в среде, полностью лишенной органических углеродистых и
азотистых соединений, являются фотосинтезирующие азотфиксирующие
сине-зеленые водоросли. Эти организмы осуществляли аэробный фотосинтез.
Они устойчивы к продуцируемому ими кислороду и могут использовать его
для собственного метаболизма. Поскольку сине-зеленые водоросли возникли
в период, когда концентрация кислорода в атмосфере колебалась, вполне
допустимо, что они — промежуточные организмы между анаэробами и
аэробами.
С уверенностью предполагается, что фотосинтез, в котором источником
атомов водорода для восстановления углекислого ' газа является
сероводород (такой фотосинтез осуществляют современные зеленые и
пурпурные серные бактерии), предшествовал более сложному двустадийному
фотосинтезу, при котором атомы водорода извлекаются из молекул воды.
Второй тип фотосинтеза характерен для цианей и зеленых растений.
Фотосинтезирующая деятельность первичных одноклеточных имела три
последствия, оказавшие решающее влияние на всю дальнейшую эволюцию
живого. Во-первых, фотосинтез освободил организмы от конкуренции за
природные запасы абиогенных органических соединений, количество которых
в среде значительно сократилось. Развившееся посредством фотосинтеза
автотрофное питание и запасание готовых питательных веществ в
растительных тканях создали затем условия для появления громадного
разнообразия автотрофных и гетеротрофных организмов. Во-вторых,
фотосинтез обеспечивал насыщение атмосферы достаточным количеством
кислорода для возникновения и развития организмов, энергетический обмен
которых основан на процессах дыхания. В-третьих, в результате
фотосинтеза в верхней части атмосферы образовался озоновый экран,
защищающий земную жизнь от губительного ультрафиолетового излучения
космоса,
Еще одно существенное отличие прокариот и эукариот заключается в том,
что у вторых центральным механизмом обмена является дыхание, у
большинства же прокариот энергетический обмен осуществляется в процессах
брожения. Сравнение метаболизма прокариот и эукариот приводит к выводу
об эволюционной связи между ними. Вероятно, анаэробное брожение возникло
на более ранних стадиях эволюции. После появления в атмосфере
достаточного количества свободного кислорода аэробный метаболизм
.оказался намного выгоднее, так как при окислении углеводов в 18 раз
увеличивается выход биологически полезной энергии в сравнении с
брожением. Таким образом, к анаэробному метаболизму присоединился
аэробный способ извлечения энергии одноклеточными организмами.
В эволюции одноклеточной организации выделяются промежуточные ступени,
связанные с усложнением строения организма, совершенствованием
генетического аппарата и способов размножения.
4. Заключение.
Жизнь представляет собой особую форму существования и движения
материи с двумя характерными признаками: самовоспроизведением и
регулируемым обменом веществ с окружающей средой. Все современные
гипотезы происхождения жизни и попытки ее моделирования «в пробирке»
исходят из этих двух фундаментальных свойств живой материи.
Экспериментально удалось установить основные этапы, по которым могла
возникать 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
идет по пути совершенствования строения и функций клетки, образования
многоклеточной организации, разделения живого на царства растений,
животных, грибов с последующей их дифференциацией на виды.
И все же, как ни была бы сомнительна любая из теорий о развитии
жизни на земле, каждая теория имеет право на существование раз имеет
сторонников. Но человечество не остановится на этом - оно будет искать
единственно правильную теорию, даже если нужно будет разрушить то, что
есть. Человечество поставило перед собой мучительную и сладкую загадку,
теперь появилась проблема на нее ответить.
Список использованной литературы:
1. www.lib.ru
2. А. И. Опарин "Происхождение жизни" Москва 1954
3. А. Б. Георгиевский "Дарвинизм" Москва 1985
4. Т. Николов "Долгий путь жизни" Москва 1986
5. Г. А. Гурев "Чарлз Дарвин и атеизм" Ленинград 1975