Академия труда и социальных отношений
Домашняя работа
По теме:
О происхождении жизни
Выполнила:
Студентка 1-го курса
группы ЗС-БУ10-7
Холодная Юлия Андреевна
Москва 2010 г.
Оглавление
Ранние представления о происхождении жизни
Биохимическая революция по Опарину
Ранние представления о происхождении жизни
Очевидно, что мыслители древности не могли обойти эту проблему стороной. Фундаментальность и масштабность были характерными чертами их мышления. И, как следствие этого, во времена античности были предложены два противоположных подхода к решению проблемы. Один из них исходит из предпосылки, что жизнь создана сверхъестественным существом в определенный момент времени. Никаких естественных, объективных закономерностей в ее появлении нет. Жизнь-результат творчества Бога. Богословие процесс божественного сотворения мира принимает за абсолютную истину, которая может быть постигнута лишь через божественное откровение и веру. Такую концепцию происхождения жизни называют креационизмом. Она ведет к витализму - признанию наличия независимой от материального мира некой «жизненной силы», направляющей все процессы жизни.
Другой подход исходит из допущения, что под влиянием естественных факторов живое может возникнуть из неживого вещества в результате самопроизвольного зарождения. В природе наблюдается многократное спонтанное зарождение жизни из неживого вещества. Этой идеи придерживался Аристотель. Он считал, что определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм. «Таковы факты - живое может возникать не только путем спаривания животных, но и разложением почвы. Так же обстоит дело и у растений: некоторые развиваются из семян, а другие как бы самозарождаются под действием всей природы, возникая из разлагающейся земли или определенных частей растений».Аристотель полагал, что активное начало присутствует в солнечном свете, тине, гниющем мясе
Активным противником идеи спонтанного зарождения был итальянец Ф. Реди. На основе данных многочисленных экспериментов он пришел к выводу, что жизнь возникает только из предшествующей жизни. Такой подход называют концепцией биогенеза. В частности, Реди показал, что маленькие белые червячки, появляются на гниющем мясе из-за мух. Однако с открытием Левенгуком многообразных одноклеточных организмов сторонники теории самозарождения воспряли духом. Самозарождению подвержены простейшие существа, микроорганизмы. В 1860 году проблемой происхождения жизни заинтересовался Луи Пастер. Он провел ряд экспериментов, которые окончательно развенчали феномен самозарождения и доказали справедливость теории биогенеза.
Приняв теорию биогенеза, возникает вопрос: откуда взялся самый первый живой организм? Простой-ответ на этот вопрос дает теория стационарного состояния, принимая посылку, что жизнь существовала всегда, и нет необходимости выделения первого живого организма. Некоторые даже утверждают, что Земля никогда не возникала, а существует вечно. В силу этого виды живых организмов никогда не возникали, они просто всегда существовали. Появление жизни на Земле связывали и с космическими масштабами. Жизнь могла быть занесена на Землю из других уголков Вселенной. По-видимому, впервые такую идею выдвинул в 1865 году Г. Рихтер. По его мнению, жизнь является вечной, просторы космоса заселены ее зачатками, которые могут попасть на подходящую по условиям для жизни планету. Тогда эту идею поддерживали многие из великих ученых, в частности У. Томпсон и Г. Гельмгольц. Такая концепция, связанная с допущением существования в космическом пространстве вечных зародышей жизни, которые, попадая на поверхность планеты, зарождают на ней жизнь, называется паспермией.
Более подробно следует остановиться на теории происхождения жизни на Земле в далеком историческом прошлом в результате протекания различных физических и химических процессов. Современная наука исходит из идеи, что жизнь возникла в результате закономерных процессов, происходивших во Вселенной. Она возникла в результате долгой эволюции неживого вещества Вселенной и появилась на Земле в определенный момент ее эволюции. Миллиарды лет во Вселенной протекали процессы, в результате которых были созданы предпосылки для возможности реализации жизни.
По всей видимости, много миллионов лет на нашей планете имели место процессы химического синтеза органических соединений из неорганических. После этого на Земле шли процессы создания из органических соединений простейших биологических организмов, которые далее были подвержены процессу биологической эволюции. Так зарождалась и развивалась жизнь. Такую концепцию называют биохимической эволюцией.
В 1924 году А.И. Опарин разработал теорию возникновения жизни на Земле в результате длительной эволюции сначала химической, а затем биохимической стадии.
Биохимическая революция по Опарину
жизнь земля биогенез опарин
Первая естественно-научная теория происхождения жизни была разработана А.И. Опариным в 1924 году. В книге «Происхождение жизни» он высказал много оригинальных идей. Следует сказать, что тогда господствовало основанное на повседневном опыте убеждение, что органические вещества в природных условиях возникают только путем их синтеза живыми существами, то есть биогенно. Опарин осмелился утверждать, что лишь для современной эпохи характерна монополия биогенного синтеза органических соединений. По его мнению, на ранней Земле условия были иными, и была возможность небиогенного синтеза органического вещества.
Прежде всего, для возникновения жизни нужен углерод. Он обладает уникальным свойством создавать очень длинные молекулы, способные сворачиваться в очень маленькие клубки. При этом соединения углерода с водородом, кислородом, азотом, фосфором, серой и железом обладают замечательными каталитическими, строительными, энергетическими, информационными свойствами. Следователь но, эти химические элементы, как минимум, должны были присутствовать на Земле в период зарождения жизни.
Очевидно, что жизнь возможна только при наличии определенных физико-химических условий у среды носителя жизни. Проблема происхождения жизни, по Опарину
Возраст Земли составляет примерно 4,5-5 миллиардов лет. В далеком прошлом состояние нашей планеты было мало похоже на нынешнее. Скорее всего, Земля была раскалена, температура ее поверхности была где-то в пределах 4000-8000°С. По мере того как Земля остывала, стали формироваться ее геосферные оболочки. Их формирование - очень сложный процесс, зависящий от многих факторов, в частности от скорости вращения Земли вокруг своей оси, ее радиоактивности. Так или иначе, главное состоит в том, что в результате различных процессов образовались земная кора, мантия и ядро. Важно то, что в состав коры входит углерод, то есть углерод расположен довольно близко к поверхности Земли. В приповерхностных же слоях коры преобладали атомы легких элементов типа водорода, гелия, азота и кислорода. Поверхность Земли была под властна вулканической активности, постоянным подвижкам. Вряд ли кто усомнится в том, что тогда одна «катастрофа» следовала за другой. Катастрофы рождали нечто новое. На поверхности Земли возникали складки и разрывы, приводящие к изменению химического состава вблизи поверхности. Обусловлено это дегазациейЗемли за счет изливания на ее поверхность мантийных расплавов. Именно благодаря дегазации появилась гидросфера Земли. Первичный океан конденсировался из паров материала мантии Земли, включая и пары воды. Океан тогда был достаточно кислым раствором.
В те времена атмосфера Земли была иной, чем наблюдаемая сей час. Гравитационное поле еще недостаточно плотной планеты не могло эффективно удерживать вблизи своей поверхности легкие атомы. Они постоянно улетучивались из атмосферы. Основными компонентами атмосферы были простейшие газы - азот, окись углерода, водяной пар и активно улетучивающийся из атмосферы водород. Что могло, вообще говоря, произойти в таких условиях? Из азота и окиси углерода с участием водорода легко могли возникнуть молекулы аммиака и метана дополнительно с молекулами воды. А.И. Опарин и несколько позже Дж.Б.С. Холдейн независимо постулировали, что первичная атмосфера Земли состояла из смеси молекул водорода, метана, аммиака и паров воды.
В отличие от современной, первичная атмосфера не должна была содержать кислород. По характеру она должна была быть восстановительной, а не окислительной средой. Восстановительный характер атмосферы тех времен подтверждается наличием в самых древних породах Земли металлов в восстановительной форме, например, как двухвалентное железо. Отсутствие кислорода в атмосфере, по-видимому, является необходимым условием для возникновения жизни. Эксперимент говорит, что органические соединения легче создаются в восстановительной, чем окислительной среде. Проще говоря, реакция синтеза органических веществ из неорганических может протекать лишь при условии отсутствия в системе молекул кислорода.
Таким образом, в условиях восстановительной среды могли синтезироваться различные, начиная с простейших, органические соединения при наличии источников энергии. Необходимость наличия источников энергии диктуется тем, что такие реакции, как правило, для своего протекания требуют затрат энергии. Получить эту энергию тогда было не сложно. Источниками энергии являлись ультрафиолетовое излучение Солнца, радиоактивное излучение Земли, электрические разряды молний в атмосфере, тепло вулканов и многое другое. При этом имелись суточные циклы типа освещения - затенения, нагревания - охлаждения, высыхания - увлажнения и т.д.
Первый эксперимент с целью проверки гипотезы Опарина был поставлен в 1953 году Стенли Миллером. Ему удалось синтезировать многие биологически важные вещества, в том числе ряд аминокислот. Этим однозначно было показано, что вещества биологической значимости могут быть синтезированы в небиологических условиях. Так возникла новая область исследования - предбиологическая химия. Последователи Миллера моделировали все большее число источников энергии, которые могли существовать во времена пер вичной атмосферы Земли. В 1960 году Дж. Оро удалось на этом пути синтезировать аденин, молекула которого входит в генетический алфавит. Далее были синтезированы рибоза и дезоксирибоза, то есть два сахара, которые входят в состав генетического материала.
К 1970 году стало очевидно, что все биологически значимые органические молекулы, или строительные блоки, такие, как аминокислоты, сахара и аденин, могли быть очень легко синтезированы при тех условиях, которые, наиболее вероятно, преобладали на поверхностипримитивной Земли. У нас есть все основания считать, что первой стадией добиологической эволюции был синтез мономерных органических соединений. Следующая стадия должна была состоять в создании из мономеров нуклеиновых кислот и белков. Однако здесь возникает проблема, которую Опарину разрешить не удалось. Проблема, связанная с объяснением качественно го перехода от неживого к живому. Эта проблема может быть разрешена лишь в рамках современной молекулярной биологии. Тем не менее, полезно ознакомиться и с идеями Опарина в этом вопросе.
Опарин полагал, что решающая роль в переходе неживое - живое принадлежит белкам. По его мнению, в водах первичного океана про исходило накопление созданных органических веществ, как в самом океане, так и на поверхности Земли. В результате вулканической деятельности на поверхность из расплавленных зон Земли в огромных количествах выносились соединения металлов с углеродом - карбиды. При их взаимодействии с водой образуются углеводородные соединения. Далее эти соединения попадали в океан, тем самым увеличивая в нем концентрацию простейшего органического вещества. В океане возникло нечто, что получило название «первичный бульон». Под первичным бульоном следует понимать просто смесь продуктов химической эволюции на ранней Земле. Именно в нем, по мнению Опарина, и возникла жизнь. Хочу обратить внимание на то, что эта идея вполне разумна, поскольку разнообразие находившихся в океане простейших органических соединений должно впечатлять в силу не малости площади поверхности Земли, доступности требуемой внешней энергии и масштабности времени, предоставленного для создания жизни.
Лучше всех о недостатках гипотезы Опарина образно сказал Фред Хойл. Он высказал мнение, что мысль о возникновении живого в результате описанных выше случайных взаимодействий молекул столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над местной свалкой, может привести к сборке «Боинга-747».