Проблемы возникновения жизни и эволюции ее форм - Естествознание - Скачать бесплатно
МОСКОВСКАЯ АКАДЕМИЯ ЭКОНОМИКИ И ПРАВА
РЯЗАНСКИЙ ФИЛИАЛ
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
По курсу: «КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ»
Тема: “Проблемы возникновения жизни и эволюции ее форм.”
Проверил: к. ф. н. доцент
Агапов В. И.
Рязань 2002 г.
План
План 2
Введение 5
1. Что такое жизнь? Отличие живого от неживого. 6
2. Гипотезы и теории происхождения жизни. 9
3. Как появилась жизнь на Земле. 11
4. Эволюция форм биологической жизни на Земле. 14
Заключение 20
Литература 21
Введение
Проблема происхождения жизни приобрела сейчас неодолимое очарование для
всего человечества. Она не только привлекает к себе пристальное внимание
ученых разных стран и специальностей, но интересует вообще всех людей мира.
Сейчас считается общепризнанным, что возникновение жизни на Земле
представляло собой закономерный процесс, вполне поддающийся научному
исследованию. В основе этого процесса лежала эволюция соединений углерода
которая происходила во Вселенной задолго до возникновения нашей Солнечной
системы и лишь продолжалась во время образования планеты Земля – при
формировании ее коры, гидросферы и атмосферы.
С момента возникновения жизни природа находится в непрерывном развитии.
Процесс эволюции длится уже сотни миллионов лет, и его результатом является
то разнообразие форм живого, которое во многом до конца еще не описано и не
классифицировано.
Вопрос о происхождении жизни труден в исследовании, потому, что, когда
наука подходит к проблемам развития как создания качественно нового, она
оказывается у предела своих возможностей как отрасли культуры, основанной
на доказательстве и экспериментальной проверке утверждений.
Ученые сегодня не в состоянии воспроизвести процесс возникновения жизни с
такой же точностью, как это было несколько миллиардов лет назад. Даже
наиболее тщательно поставленный опыт будет лишь модельным экспериментом,
лишенным ряда факторов, сопровождавших появление живого на Земле. Трудность
- в невозможности проведения прямого эксперимента по возникновению жизни
(уникальность этого процесса препятствует использование основного научного
метода).
Вопрос происхождении жизни интересен не только сам по себе, но и тесной
связью с проблемой отличия живого от неживого, а также связью с проблемой
эволюции жизни.
В данной работе будут коротко освещены некоторые аспекты возникновения
жизни и процесса эволюции.
Что такое жизнь? Отличие живого от неживого.
Для понимания закономерностей эволюции органического мира на Земле
необходимо иметь общие представления об эволюции и основных свойствах
живого. Для этого необходимо охарактеризовать живые существа с точки зрения
их некоторых особенностей и выделить основные уровни организации жизни.
Когда-то считалось, что живое можно отличить от неживого по таким
свойствам, как обмен веществ, подвижность, раздражимость, рост,
размножение, приспособляемость. Но анализ показал, что порознь все эти
свойства встречаются и среди неживой природы, и поэтому не могут
рассматриваться как специфические свойства живого. В одной из последних и
наиболее удачных попыток живое характеризуется следующими особенностями,
сформулированными Б. М. Медниковым в виде аксиом теоретической биологии:
Все живые организмы оказываются единством фенотипа и программы для его
построения (генотипа), передающейся по наследству из поколения в поколение
(аксиома А. Вейсмана).
Генетическая программа образуется матричным путем. В качестве матрицы,
на которой строится ген будущего поколения, используется ген
предшествующего поколения (аксиома Н. К. Кольцова).
В процессе передачи из поколения в поколение генетические программы в
результате различных причин изменяются случайно и не направленно, и лишь
случайно такие изменения могут оказаться удачными в данной среде (1-ая
аксиома Ч. Дарвина).
Случайные изменения генетических программ при становлении фенотипа
многократно усиливаются (аксиома Н. В. Тимофеева-Ресовского).
Многократно усиленные изменения генетических программ подвергаются
отбору условиями внешней среды (2-ая аксиома Ч. Дарвина).
«Дискретность и целостность – два фундаментальных свойства организации
жизни на Земле. Живые объекты в природе относительно обособлены друг от
друга (особи, популяции, виды). Любая особь многоклеточного животного
состоит из клеток, а любая клетка и одноклеточные существа – из
определенных органелл. Органеллы состоят из дискретных высокомолекулярных
органических веществ, которые в свою очередь состоят из дискретных атомов и
элементарных частиц. В то же время сложная организация немыслима без
взаимодействия ее частей и структур – без целостности.»[1]
Целостность биологических систем качественно отличается от целостности
неживого, и прежде всего тем, что целостность живого поддерживается в
процессе развития. Живые системы – открытые системы, они постоянно
обмениваются веществами и энергией со средой. Для них характерна
отрицательная энтропия (увеличение упорядоченности), увеличивающаяся,
видимо, в процессе органической эволюции. Вероятно, что в живом проявляется
способность к самоорганизации материи.
«Среди живых систем нет двух одинаковых особей, популяция и видов. Эта
уникальность проявления дискретности и целостности живого основана на
замечательном явлении ковариантной редупликации.
Ковариантная редупликация (самовоспроизведение с изменениями),
осуществляемая на основе матричного принципа (сумма трех первых аксиом), -
это, видимо, единственное специфическое для жизни (в известной нам форме ее
существования на Земле) свойство. В основе его лежит уникальная способность
к самовоспроизведению основных управляющих систем (ДНК, хромосом и
генов).»[2]
«Жизнь – одна из форм существования материи, закономерно возникающая
при определенных условиях в процессе ее развития».[3]
Итак, что такое живое и чем оно отличается от неживого. Наиболее точное
определение жизни дал около 100 лет назад Ф. Энгельс: "Жизнь есть способ
существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему
существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел".
Наиболее точное определение жизни дал около 100 лет назад Ф. Энгельс:
"Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования
состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных
частей этих тел".[4] Термин "белок" тогда ещё не был определён вполне точно
и его относили обычно к протоплазме в целом. Сознавая неполноту своего
определения, Энгельс писал: "Наша дефиниция жизни, разумеется, весьма
недостаточна, поскольку она далека от того, чтобы охватить все явления
жизни, а, напротив, ограничивается самыми общими и самыми простыми среди
них... Чтобы получить действительно исчерпывающее представление о жизни,
нам пришлось бы проследить все формы её проявления, от самой низшей до
наивысшей".[5]
Кроме того, есть несколько фундаментальных отличий живого от неживого в
вещественном, структурном и функциональном планах. В вещественном плане в
состав живого обязательно входят высокоупорядоченные макромолекулярные
органические соединения, называемые биополимерами, - белки и нуклеиновые
кислоты (ДНК и РНК). В структурном плане живое отличается от неживого
клеточным строением. В функциональном плане для живых тел характерно
воспроизводство самих себя. Устойчивость и воспроизведение есть и в неживых
системах. Но в живых телах имеет место процесс самовоспроизведения. Не что-
то воспроизводит их, а они сами. Это принципиально новый момент.
Также живые тела отличаются от неживых наличием обмена веществ,
способностью к росту и развитию, активной регуляцией своего состава и
функций, способностью к движению, раздражимостью, приспособленностью к
среде и т. д. Неотъемлемым свойством живого является деятельность,
активность. «Все живые существа должны или действовать, или погибнуть. Мышь
должна находиться в постоянном движении, птица летать, рыба плавать и даже
растение должно расти».[6]
Жизнь возможна лишь при определённых физических и химических условиях
(температура, присутствие воды, ряда солей и т. д.). Однако прекращение
жизненных процессов, например при высушивании семян или глубоком
замораживании мелких организмов, не ведёт к потере жизнеспособности. Если
сохраняется неповрежденной структура, она при возвращении к нормальным
условиям обеспечивает восстановление жизненных процессов.
Однако строго научное разграничение живого и неживого встречает
определенные трудности. Так, например, вирусы вне клеток другого организма
не обладают ни одним из атрибутов живого. У них есть наследственный
аппарат, но отсутствуют основные необходимые для обмена веществ ферменты, и
поэтому они могут расти и размножаться, лишь проникая в клетки организма-
хозяина и используя его ферментные системы. В зависимости от того, какой
признак мы считаем важным, мы относим вирусы к живым системам или нет.
Итак, суммируя все выше сказанное, дадим определение жизни:
«Жизнь – процесс существования биологических систем (например, клетка,
организм растения, животного), основу которых составляет сложные
органические вещества и способные самовоспроизводиться, поддерживать свое
существование в результате обмена энергией, веществом и информацией со
средой.»[7]
2. Гипотезы и теории происхождения жизни.
Существует пять научных концепций возникновения жизни:
1. Возникновение живого из неживого, подчиняясь определенным физическим и
химическим закономерностям - (абиотическая концепция);
2. Гипотеза «голобиоза» - концепция протобионта или биода, некоего
доклеточного предка, начальных «жизнеспособных» структур;
3. Гипотеза «генобиоза», т.е. поиска генома как реликтового предка всех
живых клеточных структур, считая, что именно РНК сыграла первостепенную
роль в ёе зарождении жизни;
4. Концепция стационарного состояния жизни - жизнь существовала всегда,
начала жизни не существует;
5. Внеземное происхождение жизни – жизнь была занесена на Землю из Космоса
(концепция панспермии).
В развитии учений о происхождении жизни существенное место занимает
теория, утверждающая, что все живое происходит только от живого - теория
биогенеза. Эту теорию в середине XIX века противопоставляли ненаучным
представлениям о самозарождении организмов (червей, мух и др.). Однако как
теория происхождения жизни биогенез несостоятелен, поскольку принципиально
противопоставляет живое неживому, утверждает отвергнутую наукой идею
вечности жизни.
Абиотическая концепция. Абиогенез - идея о происхождении живого из
неживого - исходная гипотеза современной теории происхождения жизни. В 1924
г. известный биохимик А.И.Опарин высказал предположение, что при мощных
электрических разрядах в земной атмосфере, которая 4-4,5 млрд.лет назад
состояла из аммиака, метана, углекислого газа и паров воды, могли
возникнуть простейшие органические соединения, необходимые для
возникновения жизни. Предсказание академика Опарина оправдалось. В 1955 г.
американский исследователь С.Миллер, пропуская электрические заряды через
смесь газов и паров, получил простейшие жирные кислоты, мочевину, уксусную
и муравьиную кислоты и несколько аминокислот. Таким образом в середине XX
века был экспериментально осуществлен абиогенный синтез белковоподобных и
др. органических веществ в условиях, воспроизводящих условия первобытной
Земли.
Гипотеза Опарина о возникновении жизни на Земле опирается на
представление о постепенном усложнении химической структуры и
морфологического облика предшественников жизни (пробионтов) на пути к живым
организмам. На стыке моря, суши и воздуха создавались благоприятные условия
для образования сложных органических соединений. В концентрированных
растворах белков, нуклеиновых кислот могут образовываться сгустки подобно
водным растворам желатина. А.И.Опарин назвал эти сгустки коацерватными
каплями или коацерватами.
Коацерваты - это обособленные в растворе органические многомолекулярные
структуры. Это еще не живые существа. Их возникновение рассматривают как
стадию развития преджизни. Наиболее важным этапом в происхождении жизни
было возникновение механизма воспроизведения себе подобных и наследования
свойств предыдущих поколений. Это стало возможным благодаря образованию
сложных комплексов нуклеиновых кислот и белков. Нуклеиновые кислоты,
способные к самовоспроизведению, стали контролировать синтез белков,
определяя в них порядок аминокислот. А белки-ферменты осуществляли процесс
создания новых копий нуклеиновых кислот. Так возникло главное свойство,
характерное для жизни - способность к воспроизведению подобных себе
молекул.
Сильная сторона абиогенетической гипотезы - ее эволюционный характер,
жизнь – закономерный этап эволюции материи. Возможность экспериментальной
проверки основных положений гипотезы. На коацерватных каплях можно
сымитировать доклеточные фазы зарождения жизни. Слабая сторона гипотезы
Опарина допускала воспроизводство протоживых структур в отсутствии
молекулярных структур генетического кода. Гипотеза Опарина предъявляет
особые требования к экспериментальному воспроизведению коацерватных
структур: «первичный бульон» с химически сложной структурой, элементы
биогенного происхождения (ферменты и коферменты).
Абиогенная гипотеза встречает решительный отпор ученых – сторонников идеи
вечности и безначальности биологической жизни. Русский ученый биохимик С.
П. Костычев в своей брошюре «О появление жизни на Земле» замечает, что
простейшие организмы посложнее всех фабрик и заводов, и случайное
возникновение жизни маловероятно, жизнь никогда «не создается из мертвой
материи».
В отношении самозарождения организмов необходимо отметить, что
Французская Академия наук еще в 1859 г. назначила специальную премию за
попытку осветить по-новому вопрос о самопроизвольном зарождении жизни. Эту
премию в 1862 г. получил знаменитый французский ученый, основоположник
современной микробиологии Луи Пастер. Своими опытами он доказал
невозможность самозарождения микроорганизмов.
Важно подчеркнуть, что в настоящее время жизнь на Земле не может возникнуть
абиогенным путем. Еще Дарвин в 1871 г. писал: "Но если бы сейчас ... в
каком-либо теплом водоеме, содержащем все необходимые соли аммония и
фосфора и доступном воздействию света, тепла, электричества и т.п.,
химически образовался белок, способный к дальнейшим все более сложным
превращениям, то это вещество немедленно было бы разрушено и поглощено, что
было невозможно в период возникновения живых существ". Жизнь возникла на
Земле абиогенным путем. В настоящее время живое происходит только от живого
(биогенное происхождение). Возможность повторного возникновения жизни на
Земле исключена.
Теория панспермии. Наряду с теорией абиогенного происхождения жизни
существуют и другие гипотезы. Так, в 1865 г. немецкий врач Г.Рихтер
выдвинул гипотезу космозоев (космических зачатков), в соответствии с
которой жизнь является вечной и зачатки, населяющие мировое пространство,
могут переноситься с одной планеты на другую. Сходную гипотезу в 1907 г.
выдвинул известный шведский естествоиспытатель С.Аррениус, предположив, что
во Вселенной вечно существуют зародыши жизни - гипотезу панспермии. Он
описывал, как с населенных другими существами планет уходят в мировое
пространство частички вещества, пылинки и живые споры микроорганизмов. Они
сохраняют свою жизнеспособность, летая в пространстве Вселенной за счет
светового давления. Попадая на планету с подходящими условиями для жизни,
они начинают новую жизнь на этой планете. Эту гипотезу поддерживали многие,
в том числе русские ученые С. П. Костычев, Л. С. Берг и П. П. Лазарев.
Данная гипотеза не предполагает никакого механизма для объяснения
первичного возникновения жизни и переносит проблему в другое место
Вселенной. Либих считал, что «атмосферы небесных тел, а также вращающихся
космических туманностей можно считать как вековечные хранилища оживленной
формы, как вечные плантации органических зародышей», откуда жизнь
рассеивается в виде этих зародышей во Вселенной. Подобным образом мыслили
Кельвин, Гельмгольц.
Для обоснования панспермии обычно используют наскальные рисунки с
изображением предметов, похожих на ракеты или космонавтов, или появления
НЛО. Полеты космических аппаратов разрушили веру в существование разумной
жизни на планетах солнечной системы, которая появилась после открытия
Скипарелли каналов на марсе в 1877 г.
Ловелл насчитал на Марсе 700 каналов. Сеть каналов охватывала все
материки. В 1924 г. каналы были сфотографированы, и большинство ученых
увидели в них доказательство существования разумной жизни. Фотоснимки 500
каналов зафиксировали и сезонные изменения цвета, которые подтвердили идеи
советского астронома Г. А. Тихова о растительности на Марсе, поскольку
озера и каналы имели зеленый цвет. 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 твердой 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 60-х годов вновь возрос интерес к гипотезам панспермии. При
изучении вещества метеоритов и комет были обнаружены многие
«предшественники живого» - органические соединения, синильная кислота,
вода, формальдегид, цианогены. Формальдегид, в частности, обнаружен в 60%
случаев в 22 исследованных областях, его облака с концентрацией примерно 1
тысяча молекул в кубическом сантиметре заполняют обширные пространства. В
1975 г. предшественники аминокислот найдены в лунном грунте и метеоритах.
Концепция стационарного состояния жизни. По мнению В. И. Вернадского,
нужно говорить об извечности жизни и проявлений ее организмов, как мы
говорим об извечности материального субстрата небесных тел, их тепловых,
электрических, магнитных свойств и их проявлений. Далек от научных исканий
вопрос о начале жизни, как и вопрос о начале материи, теплоты,
электричества, магнетизма, движения. Все живое произошло от живого (принцип
Реди). Примитивные одноклеточные организмы могли возникнуть только в
биосфере Земли, а шире, в биосфере Вселенной. По мнению Вернадского,
естественные науки построены на предположении, что жизнь с ее 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» касается прообраза доклеточного предка и его
способностей. Есть различные формы доклеточного предка – «биоид»,
«биомонада», «микросфера». Согласно биохимику П. Деккера, структурную
основу «биоида» составляют «жизнеподобные» «»неравновесные диссипативные
(от лат. «dissipate») структуры, т. е. открытие микросистемы с
ферментативным аппаратом, катализирующим метаболизм биоида. Эта гипотеза
трактует активность доклеточного предка в обменно-метаболическом духе.
Именно 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 ученый Холдейн считал, что первичной
была не структура, способная к обмену веществ с окружающей средой, а
макромолекулярная система, подобная гену и способная к репродукции, а
потому и названным им «голым геном». Общее признание гипотез «генобиоза»
получили после открытия РНК и ДНК и их феноменальных свойств. В начале 80-х
гг. была установлена способность РНК к самопродукции в отсутствии белковых
ферментов. Второй момент – открытие у РНК автокаталитических функций.
Именно объединение двух функций – каталитической и информационно-
генетической – привело к тому, что макромолекулярная система стала
способной к саморепродукции. Древняя РНК совмещала в себе черты фенотипа и
генотипа, была подвержена как генетическим преобразованиям, так и
естественному отбору, т. е. она эволюционировала.
Итак, РНК сыграла первостепенную роль в зарождении жизни. Но мы же
знаем, что современный геном биосферы именно ДНК, а не РНК. Но как это
объяснить, Ревертаза и матричный синтез с ДНК на РНК явились компонентами
единого для всего живого доклеточного предка. Но эволюция последнего шла в
сторону современной ДНК и утраты им самостоятельных каталитических функций.
РНК является той первичной информационной молекулой, которая стояла у
истоков жизни. Вот так решает современная наука вопрос о прообразе
доклеточного предка живой материи.
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.
Именно воздействуя 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 процентов кислорода, 17
процентов углерода, 10 процентов водорода, 3 процента азота, затем идут
фосфор, калий, хлор, сера, кальций, натрий, магний, железо. Итак, первый
шаг на пути к возникновению жизни заключается в образовании органических
веществ из неорганических. Он связан с наличием химического «сырья», синтез
которого может произойти при определенном излучении, давлении, температуре,
влажности. Возникновению простейших живых организмов предшествовала
длительная химическая эволюция. Из сравнительно небольшого числа соединений
(в результате естественного отбора) возникли вещества со свойствами,
пригодными для жизни. Соединения, возникшие на основе углерода, образовали
«первичный бульон» гидросферы. По мнению ученых, 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 упорядоченных
сложных веществ – биополимеров: нуклеиновых кислот, белков. Как
осуществлялось формирование биополимеров?
Если предположить, что в этот период все органические соединения
находились в первичном океане Земли, то более сложных органические
соединения могли образоваться на поверхности океана в виде тонкой пленки и
на прогреваемом солнцем мелководье. Бескислородная среда облегчала синтез
полимеров из неорганических соединений. Кислород как сильнейший окислитель
разрушал бы возникающие молекулы. Сравнительно 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 важнейшие «первоэлементы жизни» - нуклеиновые кислоты,
сложные полимерные вещества (состоящие из мономеров). Мономеры в
нуклеиновых клетках расположены таким образом, что несут определенную
информацию, код, заключающийся в том, что каждой аминокислоте, входящей в
белок, соответствует определенный набор из трех нуклеотидов, так называемый
триплет нуклеиновой кислоты. На основе нуклеиновых кислот уже могут
строиться белки и происходить обмен с внешней средой веществом и энергией.
Симбиоз нуклеиновых кислот образовал «молекулярно-генетические системы
управления».
Эта стадия, по-видимому, была отправной, переломной в возникновении
жизни на Земле. 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 РНК-овой молекулярной системы в ДНК-овую. Так
возник «геном биосферы».
Жара и холод, молнии, ультрафиолетовая реакция, атмосферные
электрические заряды, порывы ветра и водяные струи – все это обеспечивало
начало или затухание биохимических реакций, характер их протекания, генные
«всплески». К концу биохимической стадии появились такие структурные
образования, как мембраны, отграничивающие смесь органических веществ от
внешней среды.
Мембраны сыграли главную роль в построении всех живых клеток. Тела всех
растений и животных состоят из основных единиц жизни – клеток. Живое
содержание клетки – протоплазма. Современные ученые пришли к выводу, что
первые организмы на Земле были одноклеточными прокариотами – организмами,
лишенными ядра («карио» - в переводе с греческого «ядро»). По своему
строению они напоминают ныне бактерии или сине-зеленые водоросли.
Для существования первых «живых» молекул, прокариотов необходим, как
для всего живого,
|
