Здравствуйте уважаемые читатели блога сайт! В сегодняшней статье хотелось бы поговорить об одной из теорий происхождения жизни. Это теория эволюции, о которой так много говорил Дарвин. Здесь можно прочесть о ДНК, о древних окаменелостях, о некоторых лабораторных опытах и т. д.
В результате химических реакций, примерно 3 800 миллионов лет назад, образовалось первое сложное соединение, которое способно самовоспроизводится.
По-прежнему, загадкой остается происхождение жизни на Земле . Ученные придерживаются мнения, что все формы жизни находятся в процессе постоянного и непрерывного развития, с тех пор как Чарлз Дарвин впервые описал процесс и .
С каждым последующим поколением слабые стороны отсеиваются, а сильные оттачиваются и выявляются все новые возможности. Один вид пращуров мог породить несколько форм жизни, после чего или находил собственную нишу в экосистеме, или вымирал.
Собственная ниша в экосистеме позволяла выжить и сохранить первоначальную форму, а в это время потомки этих видов прекрасно вписывались в другие ниши.
В результате образовалась сложная система родственных линий, которая сегодня связует все живущие на Земле организмы с их уже вымершими предками. Сегодня, в виде окаменелостей сохранились древние останки многих из исчезнувших видов.
В осадочных породах можно обнаружить окаменелости. Возраст этих окаменелостей определяют с помощью передовых методов радиоизотопного датирования.
Это позволило ученным воссоздать примерную картину жизни на Земле любого – примерную, потому как сохранилась лишь малая доля останков из всего многообразия когда-либо существовавшего животного и растительного мира.
И все же, ясно одно по найденным окаменелостям: между исчезнувшими и существующими организмами есть система родственных связей, которая напоминает дерево, а на этом дереве в течение времени появляются все новые ветви.
Многие из этих ветвей засыхают и отмирают (например, динозавры), а другие ветви вырастают и расцветают. Если проследить любую из этих ветвей до самого основания, то в конечном итоге, придем к единому стволу – прародителю всех когда-либо живших организмов, то есть источнику происхождения жизни.
Следы в горной породе.
К сожалению, это непросто сделать. Примерно 4 500 млн. лет, по современным оценкам, составляет возраст Земли. Как считают, древнейшим окаменелостям не более 590 млн. лет, это соответствует началу кембрийского геологического периода (кембрия).
Найденные в породах кембрия окаменелости, включают останки различных форм жизни. Например, таких как: произошедших от своих примитивных предков, моллюсков и червей.
По-другому говоря, они были где-то в середине эволюционного дерева. Неясным остается их происхождение, в так называемую, эпоху докембрия, это в связи с тем, что не осталось никаких органических останков в породах этого периода.
Легко объяснить причину этого. Окаменелостей мягкотелые организмы не оставляют, потому что, обычно, после смерти, они прежде чем их окружающие отложения превратятся в твердую породу, успевают полностью разложиться.
Вероятнее всего, что большинство живших в докембрийский период организмов, были слишком хрупкими, чтобы оставить четкие отложения. Этот период составляет 80% всей истории Земли.
Но это вовсе не означает, что они совсем не оставили никаких следов. Двое исследователей, в начале 1950-х годов, приступили к тщательному изучению пласта породы на берегах Верхнее в .
Этот пласт породы, известной как кремнистый сланец, был возрастом 2000 млн. лет. Ничего органического, на первый взгляд, в них не было, но ученные, несмотря на это, решили с помощью микроскопа исследовать небольшие образцы колец.
Удивительное открытие.
Ими были обнаружены несомненные признаки древней жизни. Это были останки крошечных организмов, которые напоминают микроскопичные одноклеточные, жившие и поныне, бактерии и водоросли.
Эти хрупкие организмы пропитались каким-то чудесным образом стекловидным кремнеземом, который затвердел и превратился в кремнистый сланец, в котором эти организмы сохранились, подобно мухам в янтаре. Эти любопытные белые кольца в породе оказались размытыми останками колоний этих организмов.
Эта находка, которая содержала органические останки образцов, стала открытием. Изучение пород возобновили ученные всего мира. Их ожидало удивительное вознаграждение, после изучения тех пород, которые они ранее считали лишенными окаменелостей.
В западной части Австралии была обнаружена древнейшая на сегодняшний день форма жизни, около 3 500 млн. лет. А вот ожидаемых результатов не дало изучение самых древних из известных нам пород – гнейсов Амитсока на юго-западе Гренландии, возрастом 3 800 млн. лет.
Никаких чудес.
В том, что найденные первобытные останки напоминают современные и , биологи не находят ничего удивительного. Простейшими формами жизни всегда считались такие одноклеточные организмы, и естественно, что они – наиболее примитивные ее формы.
Способ существования одноклеточных форм жизни легко выяснить благодаря их простоте. Биологи, вместо изучения механизма функционирования мышц и органов, исследуют, как исходные химические вещества превращаются в «кирпичики» жизни – сахар, жиры и белки.
Простая клетка.
Для раскрытия тайны возникновения жизни эти исследования особенно важны. Поскольку, следующее превращение, которое положило начало всего процесса – из неорганических живых веществ в живую материю, должно было иметь место.
Сама по себе бактерия – питающая простейшая клетка; это наполненная жидкостью, студенистая оболочка, перерабатывающая простые химические вещества, которые состоят из азота, углерода, кислорода и водорода, в сложные органические соединения: углеводы, дающие ей энергию (сахар) и необходимые белки для ее роста.
Строение ДНК.
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)
– органическое вещество, которое в конечном итоге управляет данными процессами. ДНК
, кроме того, обладает еще одним важным свойством: она может сама себя воспроизводить.
Каждая молекула ДНК напоминает винтовую лестницу, в которой цепочки из атомов образуют боковые стороны с перемычками («ступеньками»), расположенными через разные промежутки.
При необходимости, вся молекула может раздваиваться, причем перемычки разделяются посередине. После раздвоения спирали укороченные «ступеньки» притягивают другие вещества, которые, присоединяясь, образуют недостающие половинки «лестницы» — таким образом, из одной спирали получаются две.
Является сущностью жизни этот простой прием. Одноклеточный организм, благодаря ему, растет и воспроизводит себя, расщепляется посередине и при этом копирует свой внутренний химический процесс.
Размножающиеся клетки, в более сложных формах жизни, совместно формируют многоклеточные структуры, каждая структура, при этом, это лишь часть крайне сложного процесса. Генетический код – управляет всем процессом. Этот код заложен в молекуле ДНК и отличается у разных видов и особей.
Функции ДНК.
Механизмами являются все жизненные процессы (питье, еда, выведение продуктов жизнедеятельности из организма), которые служат для обеспечения деятельности ДНК.
ДНК является очень сложной молекулой, чем сложнее форма жизни, тем сложнее ее ДНК . Из тысячи атомов состоит структура самой простой ДНК, эти атомы сгруппированы в нуклеотиды – это соединения фосфатов, сахаров и азотистых оснований.
Так же достаточно сложной структурой является сам по себе каждый нуклеотид. И к другим органическим молекулам, таким как углеводы и белки, это тоже относится. Из цепей аминокислот (которых всего 20 различных видов), расположенных в определенной последовательности, состоят белки.
Простая цепь может состоять из 100 звеньев, а сложная цепь – из нескольких тысяч звеньев. Генетическим кодом данного организма определяется вся структура.
В самой простой клетке бактерии содержатся ДНК, углеводы и белки, без которых функционировать она не сможет. Из известных сегодня форм жизни – эти клетки наиболее примитивная форма.
Из этого можно сделать вывод, что они произошли из неживых структур, которые синтезировали эти важнейшие элементы жизни до того, как нашли им органическое применение.
«Первичный бульон».
Каким был наш мир 3 800 млн. лет назад, не знает никто. Ученные Халдейн и Опарин, в 20-е годы выдвинули теорию, согласно которой, в те далекие времена Земли почти полностью была лишена кислорода, и состояла из водорода, аммиака, воды, метана, окиси углерода и ряда других веществ.
Они предполагали, что горячей водой была покрыта большая часть поверхности Земли, а кипение этой воды поддерживалось магмой, расплавленной породой, которая находится под тонкой океанической .
По их гипотезе, такая смесь горячей воды и газов могла привести к образованию, так называемого, «первичного бульона», который богат необходимыми для синтеза жизни химическими элементами.
Инициирована реакция, могла быть вулканической деятельностью, электрическим разрядом молнии или интенсивным ультрафиолетовым излучением, который проходит через тонкий слой атмосферы. Американским ученым Стэнли Миллером, в 1953 году, опытным путем была проверена данная теория.
Стэнли Миллер создал модель первозданного мира, которая состояла из двух колб и стеклянных трубок. В одной из этих колб находился раствор, состав которого, теоретически, соответствовал морской воде. Смесью газов он заполнил пространство над жидкостью.
Эта смесь газов так же, теоретически, соответствовала предполагаемой атмосфере. Эта колба была соединена трубкой с другой колбой, которая имела два электрода для получения искры – миниатюрной модели молнии.
Еще одна трубка отходила от искровой камеры, эта трубка вела к первой колбе через конденсатор П-образный коллектор.
Когда в нижней колбе Миллер нагрел смесь, она закипела и превратилась в газ, потом поступила в камеру с искрой, а затем сконденсировалась и стекла обратно в нижнюю колбу. Этот процесс проводили непрерывно в течение недели, а после жидкость откачали для анализа.
Результаты были положительными. Смесь, которая получилась, содержала три аминокислоты – соединения, из которых образуются белки. Эту идею подхватили многие исследователи. Они провели подобные этим эксперименты, и в результате, получили еще больше аминокислот, и даже простые нуклеотиды – строительные блоки ДНК.
Удивительные результаты.
Результаты этих экспериментов считают убедительными и они дают основания полагать, что весь белок (и не только он) мог быть синтезирован на протяжении нескольких миллиардов лет. ДНК, предположительно, тоже могла быть создана вместе с ее тысячами строго расположенных атомов.
Она, однажды возникнув, могла репродуцировать себя, создавать свои собственные белки и другие сложные органические вещества и развиваться в функциональную самовоспроизводящуюся форму жизни, такую как клетка бактерии.
Могло произойти нечто возможное, но математическая вероятность создания такого сложного вещества, как ДНК или белок, бесконечно мала в «первичном бульоне», в результате случайного соединения химических элементов.
На примере обезьяны с пишущей машинкой можно показать эту вероятность. Например, если дать обезьяне достаточное количество бумаги и позволить в течение нескольких лет печатать наобум, она сможет воспроизвести некоторые слова, но вероятность создания ею литературного шедевра практически равна нулю. По этому примеру, со словом можно сравнить аминокислоту, но шедевром, несомненно, является ДНК.
Сегодня данная теория признана многими ученными, которые продолжают поиск механизмов способствующих соединению аминокислот в белки без управления со стороны ДНК.
Если будет найден такой механизм, человечество сделает важный шаг на пути к пониманию загадки образования ДНК и, следовательно, к тому, чтобы выяснить происхождение жизни на Земле.
Это статья об эволюционной теории происхождения жизни, которую, конечно же еще полностью не заполнили, и которую можно много оспаривать, но мы этого делать не будем 😉
История жизни на Земле скрывает много тайн. Будут ли они когда-нибудь раскрыты, покажет будущее развитие науки.
Мы ограничимся культурно-историческим рассмотрением всех гипотез возникновения жизни на Земле. В рамках же естественнонаучной концепции особое внимание уделим конструктивно-теоретическим моделям теории биохимической эволюции.
Так как биологическое время – возраст обладает «стрелой времени», направленной от прошлого к будущему и описывается триадой: рождение – старение – гибель, то эволюционная идея возникла уже в мифологии и сформировалась в античной натурфилософии в теорию самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества, при этом предполагалось многократное зарождение на основе наивного трансформизма путем случайного сочетания отдельных органов (Эмпедокл, 495-435 до н.э.), внезапном превращении видов (Анаксимен, 384-322 до н.э.). Аристотель (384-322 до н.э.) оформил теорию самопроизвольного зарождения жизни в теорию постепенного развития живых форм (от простого к сложному), которая пересекается в средние века с теорией креационизма.
Креационизм (созидание, творение) – содержит тезис о божественном творении мира и человека. Согласно этой теории жизнь – результат сверхъестественных событий в прошлом. Многие ученые в эстетике мышления фактически объединяют эволюционную идею с креационизмом. Нам представляется оправданной эстетика мышления российского философа ХХ века Мераба Мамардашвили, приводящая к пересечению сакрального и секулярного мышления в «точке встречи, которой мы помыслили мысль, которую невозможно иметь волей или желанием мысли. Она помыслится или не помыслится. И если помыслится, если мы в этой точке пересечения в полноте собранного бытия, она мимо нас не пройдет. Тогда мы достойны этой мысли или говоря иначе, достойны дара. Дар не вытекает из наших заслуг, мы достойны его, лишь когда он с нами случится и это путь по дуге, а не по горизонтали, поскольку мы сцеплены и сращены с высшим, сверхсознательным».
В ХVII веке возникла теория биогенеза , которая сводится к утверждению, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни, т. е. «живое от живого.» Она была сформирована итальянским врачом и биологом Ф. Реди и известна в литературе как «принцип Реди». Французский биолог Луи Пастер в 1862 году убедительными опытами доказал невозможность самопроизвольного зарождения простейших организмов в современных условиях и утвердил принцип «все живое из живого». Эстетика мышления основателя современной микробиологии и иммунологии Л. Пастера явно пересекается с креационизмом в следующем высказывании: «Чем более я занимаюсь изучением природы, тем более я останавливаюсь в благоговейном изумлении перед делами Творца. Я молюсь во время работ своих в лаборатории».
Принцип дополнительности эволюционных идей с креационизмом характерен и для принципа развития Ж.Б. Ламарка (1744-1829), который постулировал следующие положения: организмы изменчивы; виды (и другие таксономические категории) условны и постепенно преобразуются в новые виды; общая тенденция исторических изменений организмов – постепенное совершенствование их организации (градация), движущей силой которой является изначальное (заложенное Творцом) стремление природы к прогрессу. Для ламаркизма характерны два дополняющих друг друга признака: телеологизм – как присущее организмам стремление к совершенствованию, организмоцентризм – признание организма в качестве элементарной единицы эволюции.
Чарльз Дарвин (1809 - 1882), обобщив отдельные эволюционные идеи, создал стройную развернутую теорию эволюции. Движущими силами эволюции он считал наследственную изменчивость и естественный отбор, а в качестве элементарной единицы эволюции организм каждого вида, т. е. фактически отдельных особей. Выживающие особи дают начало следующему поколению, и таким образом «удачные» положительные изменения передаются следующим поколениям. Очень часто теорию естественного отбора Чарльза Дарвина противопоставляют креационизму. Однако обратимся к эстетике мышления Чарльза Дарвина: «Мир покоится на закономерностях и в своих проявлениях представляется, как продукт разума – это указание на его Творца».
«Бог, воистину dues ex machine, позволяет перескочить пропасть между живым и мертвым, природой и духом, сохранив при этом и пропасть».Бог (Творец) – это сложная, творческая конструкция нашего ума, демонстрирующая способность цивилизующего человечества мыслить абстрактно. В средние века теория креационизма оформляется в конфессиональных философских теологиях и религиях, в основе которых лежит тезис: «Бог познается только через веру», тем самым религия отделила веру в божественное творение мира от науки, т. е. от научного метода познания мира, опирающегося на совокупность эмпирических и теоретических методов. В то же время добро и зло получают в религии священную санкцию и человек обретает внутренний покой и свет для труда в нашем несовершенном мире. Наиболее ярко это выражено в следующем поучение М.В. Ломоносова: «Не здраво рассудителен математик, ежели он хочет Божественную волю измерить циркулем. Таков же богословия учитель, если он думает, что по Псалтарю можно научиться астрономии и химии».
Появление жизни на Земле пытались объяснить и занесением ее из других космических миров. В 1865 году немецкий врач Г. Рихтер выдвинул гипотезу космозоев (космических зачатков), в соответствие с которой жизнь является вечной и зачатки, населяющие мировое пространство могут переносится с одной планеты на другую. Возникла теория стационарного состояния , согласно которой жизнь существовала всегда, опирающаяся в определенной степени и на «принцип Реди». Эта гипотеза была поддержана многими ученными XIX века – У. Томпсоном, Г. Гельмгольцем и другими. Теорию стационарного состояния в определенной степени разделял и наш великий ученый В.И. Вернадский, считавший, что жизнь на Земле появилась одновременно с появлением Земли.
Теория стационарного состояния в модели Рихтера пересекается с теорией панспермии , которую в 1907 году выдвинул известный шведский естествоиспытатель С. Аррениус: «Во Вселенной вечно существуют зародыши жизни, которые движутся в космическом пространстве под давлением световых лучей; попадая в сферу притяжения планеты, они оседают на ее поверхности и закладывают на этой планете начало живого». Конструктивно – теоретические возможности панспермии подтверждаются рядом экспериментов: обнаружением следов органических соединений в метеоритном и кометном веществах, предшественников аминокислот в лунном грунте, следов микроорганизмов в метеорите предположительно марсианского происхождения. Очевидно, что эти открытия второй половины XX века будут расширены по мере освоения человеком космического пространства.
Однако в рамках естественнонаучного принципа глобальной эволюции теория стационарного состояния не продуктивна, а теория панспермии так же не предлагает ни какого механизма для объяснения первичного возникновения жизни; она просто переносит проблему возникновения жизни в какое-то другое место Вселенной.
Итак в рамках эволюционных «стрел времени» на основе принципа дополнительности остаются две взаимоисключающие, а возможно дополняющие друг друга, по крайней мере в эстетике мышления, теория креационизма и теория биохимической эволюции. На наш взгляд, в пересечении этих теорий представляется неоправданным как вера в религиозный фанатизм, так и в научный абсолютизм. Нам представляется, что чувство «религиозной веры в высшее, сверхсознательное и преклонения» перед гармонией природы на Земле и в Космосе и убеждения что в «концептуальном фонде (как и в генофонде) Земли» все элементы значимы и важны является основой не только духовной, но и материальной культуры человеческой цивилизации.
В пользу неслучайного характера процесса как зарождения, так и развития жизни говорит антропный принцип, сформулированный в 70-е годы XX века. Его сущность заключается в том, что даже незначительное отклонение значения любой из фундаментальных констант приводит к невозможности появления во Вселенной высокоупорядоченных структур. Например, увеличение постоянной Планка на 10% лишает протон возможности объединиться с нейтроном, то есть становиться невозможным нуклеосинтез. А уменьшение постоянной Планка на 10% привело бы к образованию устойчивого ядра 2 He, следствием чего явилось бы выгорание всего водорода на ранних стадиях расширения Вселенной, либо коллапс звезд на более поздних стадиях. Наука столкнулась с большой группой фактов, раздельное рассмотрение которых создает впечатление о необъяснимых совпадениях, граничащих с чудом. (более подробно: Barron J.D., Tipler F.J. The antropic cosmological principle, Oxford, 2-nd., ed., 1986). По мнению ученого-физика Дж. Уилера: «Фактор, дающий жизнь, лежит в центре всего механизма и конструирует мир».
В то же время конструктивно-теоретические модели биохимической эволюции опираются на гипотезу, что жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам. Тем самым мы ставим оправданно или нет законы физики и химии в центр «всего механизма, конструирующего мир».
Первые три этапа относят к периоду химической эволюции, с четвёртого начинается биологическая эволюция. Представление о химической эволюции подтверждены рядом экспериментов. Начало этой работы было положено в 1953 г. С. Миллером и Г. Юри, которые при воздействии искрового заряда на газовую смесь из метана, и паров воды получили набор малых органических молекул, впервые показав возможность абиогенного синтеза органических соединений в системах, имитирующих предположительный состав первичной земной атмосферы.
Сложные процессы
химической эволюции, которая переходит
в биохимическую и биологическую эволюцию,
могут быть выражены в виде простой
последовательности: атомы
простые молекулы
сложные макромолекулы и ультрамолекулярные
системы (пробионты)
одноклеточные организмы.
Первые клетки считаются прообразом всех живых организмов растений, животных, бактерий.
Однако в этом физико-химическом конструировании всего живого естественно присутствует антропный принцип, т.е. вера в неслучайный характер процесса как зарождения, так и развитие жизни на Земле. Кроме того не снимается и возможность пересечения теории биохимической эволюции земной материи с теорией панспермии. Сама теория биохимической эволюции приобрела научный характер теоретического конструирования моделей, подтверждённый экспериментально геохронологической историей Земли только в 20 веке после раскрытия молекулярно-генетического уровня биологического уровня материи и становления эволюционной химии.
Теория биохимической эволюции опирается на понятие абиогенеза – образования органических соединений, распространённых в живой природе вне организма, без участия ферментов.
Все многочисленные гипотезы, которые выдвигались в 60-80-е годы 20 века, имели чётко выраженные противостояние по вопросу о характеристиках протобиологической системы, т. е. доклеточного предка. Проблема состояла в том, что между химической формой материи, которая ещё не жизнь, и биологической формой материи, которая уже есть жизнь, существует предбиотическая структура, связанная с переходом от физико-химической эволюции к биологической. Необходимо было найти некую доклеточную структуру, способную эволюционировать, чтобы она была подвержена генетическим преобразованиям и естественному отбору. В итоге обозначились две гипотезы – коацервантная и генетическая.
Основу коацервантной гипотезы составляет утверждение, что начальные этапы биогенеза были связаны с формированием белковых структур из «первичного океана» благодаря коацервации – самопроизвольному разделению водного раствора полимеров на фазы с различной концентрацией. Основные положения этой гипотезы впервые были сформулированы А. И. Опариным в 1924 году (см.: Опарин А.И. Жизнь, её природа, происхождение и развитие. М., 1968). Отбор как основная причина совершенствования коацервантов до первичных живых существ – важнейшее положение гипотезы Опарина.
В рамках коацервантной гипотезы возник методологический принцип, получивший название голобиоза , т.е. первичности структур типа клеточной, наделенной способностью к элементарному обмену веществ, в том числе и к ферментному катализу.
Однако, если
опираться на равновесную термодинамику,
то молекулы живых существ не возникают
спонтанно, для их образования требуется
сложный механизм непрерывного и
согласованного действия «нагревателя»
и «холодильника» в соответствии со
вторым началом термодинамики. Вероятность
того, что белковая молекула, состоящая,
из аминокислот 20 видов, будет случайно
сформирована по определённому образцу
равна
Число стоящее в знаменателе, слишком велико, чтобы его можно было охватить разумом. «Вероятность - как утверждает астроном Фрёйд Хойл, вопиюще мала, до того мала, что это было бы немыслимо даже в случае, если вся Вселенная состояла из органического бульона». Однако, если перейти к неравновесной термодинамике, то энтропия излучения S изл. много больше энтропии вещества S вещ. (S изл >> S вещ.), то вероятность образования упорядоченных структур от кристаллов до белков и нуклеиновых кислот резко возрастает.
Однако, для этого вряд достаточно только естественного отбора, который направлен на очищение генофонда популяции от «бракованных» генов, видоизменение происходит только в рамках существующего генетического материала, как адаптивная реакция на изменение окружающей среды.
Выдвигается на первый план генетическая гипотеза, согласно которой вначале возникли нуклеиновые кислоты как матричная основа синтеза белков. Впервые эту гипотезу выдвинул в 1929 году американский генетик Г. Меллер.
В рамках генетической гипотезы возник методологический принцип, получивший название генобиоза , утверждающий первичность возникновения в результате биохимической эволюции молекулярной системы со свойствами генетического кода.
К естественному отбору добавилась идея дискретного расщепления генетических признаков, в определённой степени опирающаяся на основное положение квантовой механики: «Всё: материя, энергия, квантовые характеристики частиц – выступают дискретными величинами, и нельзя измерить ни одну из них, не изменив её». Генетическая гипотеза связывает теорию биохимической эволюции с глобальным эволюционизмом, а теория происхождения жизни на Земле связывается с верой в существование «сверхрационального, сверхразумного» телеологизма – как присущего всей Вселенной стремления к совершенствованию вплоть до создания «разумного наблюдателя».
В настоящее время генетическая концепция получила широкое признание в результате открытий, сделанных в 80-е годы. Экспериментально было доказано, что несложные нуклеиновые кислоты могут редуплицироваться и без ферментов. Способность нуклеиновых кислот служить матрицами при образовании комплементарных цепей – наиболее убедительный аргумент в пользу представлений о ведущем значении в процессе биогенеза наследственного механизма и, следовательно, в пользу генетической гипотезы происхождения жизни.
К началу 80-х годов XX стало ясно, что первичной из нуклеиновых кислот могла быть только рибонуклеиновая кислота (РНК).
Иными словами, именно молекула РНК могла составить макромолекулярный субстрат доклеточного предка. Решающее открытие относительно роли молекулы РНК в происхождении жизни сводится к следующему. Во первых, это установление способности РНК к саморепродукции в отсутствие белковых ферментов. Во вторых, установление того факта что одна из небольших молекул РНК (рибозин) сама обладает функциями фермента. Наконец, в третьих, было установлено, что РНК обладает автокаталитическими свойствами.
Таким образом, можно считать, что древняя РНК совмещала в себе обе функции: каталитическую и информационно-генетическую, что и обеспечивало возможность саморепродукции макромолекулярного объекта. Иначе говоря, она отвечала всем требованиям механизма эволюции в соединении теории естественного отбора с наследственным (генетическим) дискретным расщеплением признаков (аллельных генов), так и с теорией сцепления неаллельных генов. Это способствовало последующей эволюции макромолекулярной системы на основе РНК в более эффективную с точки зрения синтеза белков макромолекулярную систему на основе ДНК. В процессе такой эволюции в большинстве случаев произошло разделение информационно – генетических и каталитических функций. Особо следует подчеркнуть существенную роль дисимметрии «право-лево» как нуклеиновых, так и белковых молекул, происхождение которой имеет много гипотез и пока не имеет экспериментального обоснования. Не исключено, что возникновение такой дисимметрии имело столь же глубокие последствия для происхождения жизни, как и возникновение барион-антибарионной дисимметрии для эволюции Вселенной.
Проблема состоит и в том, является ли время и место действия - Земля около 4,5 млрд. лет назад - уникальной ареной для биохимической эволюции. Или этот процесс происходил и происходит стихийно и в тоже время на основе “сверхрационального, сверхразумного” телеологизма в различных частях космического пространства, а Земля лишь предоставила благоприятные условия для развития уже возникшей жизни.
Переходя на онтогенетический (организменный) уровень живой природы, структурным признаком живого организма, начиная с 1940-х годов, считается клетка – завод жизни. Иными словами, наинизшим объектом живой природы признаётся клетка либо как самостоятельный одноклеточный организм, либо как автономная часть многоклеточного организма. Доклеточные формы жизни – вирусы – занимают промежуточное место между живым и неживым.
Только в начале 60-х годов XX века появилась генетическая концепция клеточной организации живой материи позволившая дискретно разделить всё живое на два надцарства – прокариоты и эукариоты . Наиболее принципиальные различия двух типов организмов касается характера организации и репликации на генетическом уровне; структуры аппарата, синтезирующего белки; характера «пусковых» механизмов биосинтеза белка; структуры молекулы РНК; организации и характера фотосинтезирующего аппарата и т.п. При этом ни прокариоты, ни эукариоты не имеют определённых эволюционных преимуществ. Это позволяет предложить, что оба эти типа организмов происходят от общего предка, или археклетки, совмещающей в себе черты прокариотов и эукариотов.
В 1970-е годы эта точка зрения получила серьёзное подтверждение благодаря открытию архебактерий , которые будучи прокариотами по типу организации генетического аппарата, имеют признаки, сближающие их с эукариотами. Наиболее популярна в настоящее время симбиотическая гипотеза, согласно которой эукариотная клетка – результат симбиоза нескольких прокариотных клеток.
Важной концепцией функционирования живой природы на онтогенетическом уровне является её функциональная системность. Согласно этой концепции, функциональная системность обусловлена тем, что компоненты систем не только взаимодействуют, но и взаимосодействуют.
Концепция функциональной системности универсальна на всех структурных уровнях живой природы. Она основана на взаимосодействии мутационного (генетически наследственного расщепления альтернативных признаков (аллельных генов) и сцепления неаллельных генов в генетике пола) отбора с естественным отбором, когда процессы на низших уровнях как бы организуются функциональными связями на высших уровнях, а часть специализированными аппаратами регуляции (гомеостаза), как, например, гормональными и первыми системами в организме животных.
Концепция функциональной системности могла появиться на молекулярно-генетическом уровне и в виде симбиоза методологических принципов голобиоза и генобиоза.
Такой подход в определённой степени снимает проблему первичности белка или ДНК / РНК в возникновении пробионтов. Считается, что жизнь эволюционировала на базе динамичной игры малых молекул (органических и неорганических) и первые биополимеры могли быть результатом автокаталитических реакций малых молекул в дождевых каплях, озарённых ультрафиолетом первобытного Солнца. Однако, возникает проблема дозревания этих капель в коацервантные капли в соответствие с опаринским сценарием «первичного бульона» или в первичные двухцепочные РНК в соответствие с генетической гипотезой и последующем их симбиозе в археклетку.
На наш взгляд, если исходить из выдвинутой Н.В. Тимофеевым-Ресовским аксиомы, что эволюция живой природы принципиально непредсказуема, то эта аксиома указывает на достаточно трудный путь исследования происхождения жизни на Земле и антропологического исследования родословной человека, что, на наш взгляд, приводит к пересечению, по крайней мере, трёх теорий (концепций), а именно естественнонаучной концепции биохимической эволюции с концепциями панспермии и креационизма с опорой на антропный принцип и принцип глобального эволюционизма.
О том, как же возникла жизнь на нашей планете, на протяжении веков и даже тысячелетий задумываются философы и историки, биологи и химики, но на данный вопрос еще нет единопринятого мнения, поэтому в современном обществе имеется несколько теорий, все из которых имеют право на существование.
Самопроизвольное зарождение жизни
Эта теория была сформирована еще в древние времена. В ее контексте ученые утверждают, что живые существ зародились из неживой материи. Чтобы подтвердить или опровергнуть данную теорию, проводилось множество опытов. Так, Л. Пастер получил премию за эксперимент кипячения бульона в колбе, в результате которого было доказано, что все живые организм могут произойти лишь от живой материи. Однако возникает новый вопрос: откуда на нашей планете появились организмы, от которых и произошла жизнь?
Креационизм
Данная теория предполагает, что все живое на Земле практически единовременно создано каким-то высшим существом, обладающим сверхспособностями, будь то божество, Абсолют, сверхразум или космическая цивилизация. Эта гипотеза актуальна с древнейших времен, она же является основой всех мировых религий. Она еще не опровергнута, потому что ученые не смогли найти разумного объяснения и подтверждения всех сложных процессов и явлений, происходящих на планете.
Стационарное состояние и панспермия
Эти две гипотезы позволяют представить общее видение мира таким образом, что космическое пространство существует постоянно, то есть вечность (состояние стационарное), и в ней есть жизнь, которая периодически перемещается с одной планеты на иную. Путешествуют жизненные формы с помощью метеоритов (гипотеза панспермии). Принятие этой теории невозможно, так как астрофизики считают, что вселенная появилась около 16 миллиардов лет назад из-за первичного взрыва.
Биохимическая эволюция
Данная теория наиболее актуальна в современной науке и считается принятой в научной среде во многих странах мира. Она сформирована А.И. Опариным, советским биохимиком. Согласно этой гипотезе, зарождение и усложнение жизненных форм происходит благодаря химической эволюции, благодаря которой взаимодействуют элементы всего живого. Сперва сформировалась Земля, как космическое тело, затем возникает атмосфер, осуществляется синтез органических молекул и веществ. После этого в ходе миллионов и миллиардов лет появляются различные живые существа. Эта теория подтверждается рядом экспериментов, однако, кроме нее, существует и ряд иных гипотез которые стоит принять во внимание.
Представление о жизни на Земле неоднозначно. Существует несколько гипотез о происхождении жизни на Земле.
Креационизм – земная жизнь была создана Творцом. Представления о Божественном сотворении мира придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религиозных учений. Ни доказать, ни опровергнуть креационистическую концепцию в настоящее время невозможно.
Гипотеза вечности жизни – жизнь, как и сама Вселенная, существовала всегда, и будет существовать вечно, не имея начала и конца. Вместе с тем отдельные тела и образования – галактики, звезды, планеты, организмы – возникают и погибают, т.е. существование во времени ограничено. Жизнь могла распространяться от одной галактики к другой и эта идея «заноса» на Землю жизни из Космоса называется панспермией . Идеи «вечности и безначальности» жизни придерживались многие ученые, среди них С.П. Костычев, В.И. Вернадский.
Гипотеза самопроизвольного зарождения жизни из неживой материи. Идеи о самозарождении жизни высказывались еще со времен античности. На протяжении тысячелетий они верили в возможность постоянного самопроизвольного зарождения жизни , считая его обычным способом появления живых существ из неживой материи. По мнению многих ученых средневековья, рыбы могли зарождаться из ила, черви – из почвы, мыши – из тряпок, мухи – из гнилого мяса.
В XVII в. итальянский ученый Ф. Реди экспериментально показал невозможность постоянного самозарождения живого. В нескольких стеклянных сосудах он поместил кусочки мяса. Часть из них он оставил открытыми, а часть прикрыл кисеей. Личинки мух появились только в открытых сосудах, в закрытых их не было. Принцип Реди: «живое – от живого». Окончательно версия о постоянном самозарождении живых организмов была опровергнута в середине XIX в. Л. Пастером. Опыты убедительно показывали, что в современную эпоху живые организмы любого размера происходят от других живых организмов.
Гипотеза биохимической эволюции. По представлениям, высказанным в 20-х гг. ХХ в. А.И.Опариным, а затем Дж. Холдейном, жизнь, а точнее, живое, возникло из неживой материи на Земле в результате биохимической эволюции .
Условия возникновения жизни при биохимической эволюции
В настоящее время учеными предложены более или менее вероятные объяснения, каким образом в первичных условиях Земли из неживой материи постепенно, шаг за шагом, развились разнообразные формы жизни. Возникновению жизни путем химической эволюции способствовали следующие условия:
— первоначальное отсутствие жизни;
— наличие в атмосфере соединений, обладающих восстановительными свойствами (при почти полном отсутствии кислорода О 2);
— наличие воды и биогенных веществ;
— наличие источника энергии (относительно высокая температура, мощные электрические разряды, высокий уровень УФ-излучения).
Механизм возникновения жизни
Возраст Земли составляет около 4,6–4,7 млрд. лет. Жизнь имеет свою историю, начавшуюся, по палеонтологическим данным, 3–3,5 млрд. лет назад.
В 1924 г. русский академик А.И. Опарин выдвинул гипотезу о механизме зарождения жизни. В 1953 г. американские ученые С. Миллер и Г. Юри экспериментально подтвердили гипотезу образование органических веществ (мономеров) из газов, присутствующих в первичной атмосфере Земли.
В настоящее время имеется уже достаточно много неоспоримых доказательств того, что первичная атмосфера Земли была бескислородной и, вероятно, состояла главным образом из водяных паров H 2 O, водорода H 2 и углекислого газа CO 2 с небольшой примесью других газов (NH 3 , CH 4 , CO, H 2 S). Возникшая на Земле жизнь постепенно изменила эти условия и преобразовала химию верхних оболочек планеты.
Происхождение жизни на Земле — подробности для пытливых умов
Согласно биохимической теории А.И. Опарина в отсутствие кислорода и живых организмов, абиогено синтезировались простейшие органические соединения – мономеров , предшественники биологических макромолекул живого вещества и ряда других органических соединений.
Возможными источниками энергии для образования органических веществ без участия живых организмов, видимо, являлись электрические разряды, ультрафиолетовое излучение, радиоактивные частицы, космические лучи, ударные волны от метеоритов, попадавших в земную атмосферу, теплота от интенсивной вулканической деятельности. В отсутствие кислорода, который мог бы их разрушить, а также живых организмов, которые использовали бы их в качестве пищи, абиогенно образовавшиеся органические вещества накапливались в Мировом океане – «первичном бульоне ».
Следующим шагом было образование более крупных полимеров из малых органических мономеров, опять же без участия живых организмов. Американский ученый С. Фокс в результате нагревания смеси сухих аминокислот получил полипептиды различной длины. Они были названы протеиноидами, т.е. белковообразными веществами. Видимо, на первобытной Земле образование таких протеиноидов и полинуклеотидов со случайной последовательностью аминокислот или нуклеотидов могло происходить при испарении воды в водоемах, остававшихся после отлива.
Если полимер образовался, он способен влиять на образование других полимеров. Некоторые протеиноиды способны, подобно ферментам, катализировать определенные химические реакции: именно эта способность, наверное, была главной чертой, определившей их последующую эволюцию. Эксперименты показывают, что один полинуклеотид, возникший из смеси нуклеотидов может служить матрицей для синтеза другого.
Полипептиды благодаря их амфотерности формировали коллоидные гидрофильные комплексы (т.е. молекулы воды, образуя вокруг белковых молекул оболочку, обособляли их от всей массы воды). При этом отдельные комплексы ассоциировались друг с другом, что приводило к образованию обособленных от первичной среды капель коацерватов , способных поглощать и избирательно накапливать различные соединения . Естественный отбор способствовал выживанию наиболее устойчивых коацерватных систем, способных к дальнейшему усложнению.
Дальнейшая самоорганизация сложных молекул, происходившая за счет концентрирования на границе между коацерватами и внешней средой молекул липидов, привела к образованию перегородок мембранного типа. Во внутренних полостях коацерватов, куда уже только выборочно проникать молекулы, началась эволюцию от химических реакций к биохимическим. Одной из важнейших ступеней этой теории явилось объединение способности полинуклеотидов с каталитической активностью белков-ферментов.
Точка зрения Опарина и его сторонников по существу сформировала гипотезу голобиоза : структурную основу доклеточного предка (биоида) составляют жизнеподобные открытые (коацерватные) микросистемы, типа клеточной, способные к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма . Первичной белковая субстанция.
Гипотеза генобиоза : первичной была макромолекулярная система, подобная гену, способная к саморепродукции . Первичной признана молекула РНК.
Начальные этапы развития жизни на Земле
Современное представление о жизни на Земле сводится к тому, что первые примитивные клетки появились в водной среде Земли 3,8 млрд. лет назад – анаэробные, гетеротрофные прокариоты , они питались синтезированными абиогенно органическими веществами или менее удачливыми своими собратьями; энергетические потребности удовлетворяли за счет брожения.
При увеличении численности гетеротрофных прокариотических клеток запас органических соединений в первичном океане истощался. В этих условиях значительное преимущество при отборе должны были приобрести организмы, способные к автотрофности , т.е. к синтезу органических орг. веществ из неорганических. Видимо, первыми автотрофными организмами были хемосинтезирующие бактерии . Следующим этапом было развитие реакций с использованием солнечного света – фотосинтез .
Для первых фотосинтезирующих бактерий источником электронов был сероводород. Значительно позже у цианобактерий (синезеленых водорослей) развился более сложный процесс получения электронов из воды. В качестве побочного продукта фотосинтеза в земной атмосфере начал накапливаться кислород. Это явилось предпосылкой для возникновения в ходе эволюции аэробного дыхания
. Способность синтезировать при дыхании большее количество АТФ позволяла организмам расти и размножаться быстрее, а также усложнять свои структуры и обмен веществ.
Считают, что предками эукариот были прокариотические клетки. Согласно теории клеточного симбиогенеза эукариотическая клетка представляет сложную структуру, состоящую из нескольких прокариотических клеток, которые взаимодополняют друг друга. Целый ряд данных свидетельствует о происхождении митохондрий и хлоропластов, а возможно, и жгутиков от ранних прокариотических клеток, ставших внутренними симбионтами большей по размерам анаэробной клетки.
Глубокие преобразования в строении и функционировании значительно увеличили эволюционные возможности эукариот, которые, появившись всего 0,9 млрд. лет назад, смогли достигнуть многоклеточного уровня и сформировать современную флору и фауну. Для сравнения следует сказать, что с момента появления первых прокариотических клеток (3,8 млрд. лет назад) до появления первых эукариотических клеток потребовалось 2,5 млрд. лет.
Происхождение жизни на Земле: Основные этапы развития биосферы
| Эон | Эра | Период | Возраст (начало), млн. лет | Органический мир |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Криптозой | Архей | 4500±100 | Образование Земли. Возникновение прокариот и примитивных эукариот. | |
| Протерозой | 2600±100 | Распространены водоросли, бактерии, все типы беспозвоночных. | ||
| Фанерозой | Палеозой | Кембрий | 570±10 | Процветание водорослей и водных беспозвоночных. |
| Ордовик | 495±20 | |||
| Силур | 418±15 | Появление наземных растений (псилофитов) и беспозвоночных. | ||
| Девон | 400±10 | Богатая флора псилофитов, появляются мхи, папоротниковидные, грибы, кистеперые и двоякодышащие рыбы. | ||
| Карбон | 360±10 | Обилие древовидных папоротников, исчезновение псилофитов. Доминируют земноводные, моллюски, рыбы; появляются рептилии. | ||
| Пермь | 290±10 | Богатая флора травянистых и семенных папоротников, появление голосеменных; вымирание древовидных папоротниковидных. Господство морских беспозвоночных, акул; развитие рептилий; вымирают трилобиты. | ||
| Мезозой | Триас | 245±10 | Преобладают древние голосемянные; вымирают семенные папоротники. Преобладают земноводные, рептилии; появляются костистые рыбы, млекопитающие. | |
| Юра | 204±5 | Господствуют современные голосемянные; появляются первые покрытосемянные; вымирают древние голосемянные. Господствуют гигантские рептилии, костистые рыбы, насекомые. | ||
| Мел | 130±5 | Доминируют современные покрытосемянные; сокращаются папоротники и голосемянные. Преобладают костистые рыбы, первоптицы, мелкие млекопитающие; вымирают гигантские рептилии. | ||
| Кайнозой | Палеоген | 65±3 | Широко распространены покрытосемянные, особенно травянистые. Доминируют млекопитающие, птицы, насекомые. Исчезают многие рептилии, головоногие моллюски. | |
| Неоген | 23±1 | |||
| Антропоген (четвертич.) | 1,8 | Современный растительный и животный мир. Эволюция и господство человека. |
Многообразие живых организмов – основа организации и
устойчивости биосферы
Современное биологическое разнообразие: на Земле от 5 до 30 млн. видов. Биологическое разнообразие – как результат взаимодействия двух процессов – видообразования и вымирания. Биологическое разнообразие – наиболее ценный «ресурс» планеты. Биологическое разнообразие включает два понятия: генетическое разнообразие или многообразие генетических свойств у особей одного вида и видовое разнообразие или число различных видов внутри сообщества или всей биосферы. Биоразнообразие обеспечивает новыми источниками питания, энергии, сырья, химических и лекарственных продуктов. Генетическое разнообразие позволяет видам совершенствоваться, приспосабливаться, использовать необходимые ресурсы, найти место в биогеохимическом круговороте Земли. Биоразнообразие – страховая политика природы против катастроф.
Структура биологического разнообразия. Единицы системы – демы и популяции. Генофонд популяции.
Эволюция биологического разнообразия. Сквозная эволюционная тенденция – увеличение разнообразия , прерываемое резкими спадами в результате массовых вымираний видов.
Воздействие человека на биологическое разнообразие. Прямой ущерб в результате человеческой деятельности. Косвенный ущерб от воздействий, нарушающих сбалансированные соотношения и процессы в экосистемах.
Сохранение биологического разнообразия. Инвентаризация и охрана биологического разнообразия. Сочетание прав человека с правами животных. Биоэтика. Сочетание этических принципов и экономических интересов. Сохранение и естественная эволюция биологического разнообразия.
Биологическое разнообразие как индикатор воздействий. Используются как отдельные компоненты биологического разнообразия, так и суммарные показатели. Нарушение структуры функции или сукцессионной последовательности развития экосистемы обычно выражается в сокращении биологического разнообразия.
В настоящее время на Земле описано около 3 млн. видов живых организмов. В современной систематике живых организмов существует следующая иерархия таксонов: царство, отдел (тип в систематике животных), класс, порядок (отряд в систематике животных), семейство, род, вид. Кроме того, выделяют промежуточные таксоны: над- и подцарства, над- и подотделы и т.д.
Ни для кого не секрет, что вечный вопрос о том, когда на Земле зародилась жизнь, всегда беспокоил не исключительно ученых, но и всех людей. В данной статье мы попробуем поверхностно ознакомиться со всеми предполагаемыми теориями возникновения всего живого на нашей планете. Постараемся разложить по полочкам этапы ее развития и описать то, какой была история развития жизни на Земле
Зарождение жизни на Земле в науке
С научной точки зрения есть несколько версий происхождения жизни. Рассмотрим то, как появилась жизнь на Земле по мнению ученных, которые уже много веков бьются над этим таинственным вопросом, выдвигая все новые гипотезы.
- Теория гласит, что жизнь зародилась в кусочке льда. Довольно нелепая идея, но все возможно. Одни из ученных считают, что наличествующий в воздухе углекислый газ снабжал поддержание тепличных условий, прочие полагают, что на земле в ту пору был постоянный Зимний сезон.
- Наука, которая изучает возникновение жизни на Земле - биология. Она придерживается теории Чарлза Дарвина. Он и его современники считали, что жизнь начала образовалаться в водоеме. Данной теории большинство ученых следуют и в настоящее время. Органические вещества, доставляемые впадающими в него водами, имели возможность скапливаться в нужных количествах, в замкнутом и довольно мелком водоеме. Далее эти соединения еще больше сосредоточивались на внутренних поверхностях слоистых минералов. Они и могли бы быть катализаторами реакций.
- Вода – это источник жизни на Земле для всех живых существ на Земле – человека, растительного и животного мира. Она крайне важный и дорогой ресурс на нашей планете. Все воды земли находятся в непрерывном взаимоотношении с горными породами и атмосферой. Вода самоочищается благодаря непрерывному ходу, который снабжает существование на нашей земле. Древним и универсальным символом плодородия чистоты является вода. Человек состоит на 80% из воды, животных на75% и растения 89- 90% от общей массы тела. Вода - незаменимый продукт, поскольку это основной строительный материал для человеческого организма. Она значительно ценнее железа, газа, угля и нефти. Без воды бы жизнь на земле никогда бы не смогла зародиться, ни поддерживаться и никак вообще не могла бы существовать. Вода – это сама жизнь.
- А вдруг, жизнь появилась в зонах вулканической активности? Сразу после формирования Земля представляла собой огнедышащий шар магмы. С газами, высвобождавшимися из расплавленной магмы, на земную поверхность выносились многообразные химические вещества, нужные для синтеза органических молекул - это происходило при извержениях вулканов.
Происхождение жизни на земле в религии
Рассмотрим, как зародилась жизнь на земле с точки зрения религии. Еще одна гипотеза о происхождении жизни на земле, находит объяснение в разных религиях. Рассмотрим христианскую:
Основной догмой создания всего живого в христианстве является фраза «сотворение из ничего», в коей Творцом выступает Бог в своём волевом действии. Господь при этом представляется и первопричиной бытия. Вместе с тем Бог не обязан был создавать мир, для Божественной сущности оно не определено никакой «внутренней нуждой». Это был Его свободный выбор, подарок человечеству «от преизбытка любви». Путь и этапы создания мира описаны в первых трёх главах книги Бытия.
Основные этапы жизни на Земле
Об истории развития жизни на земле можно говорить бесконечно долго. Эта тема довольно обширна и необъятна, перечислим лишь основные этапы зарождения жизни:
- Жизнь возникла в морях.
- Существование простейших морских организмов.
- В морях возникают многоклеточные живые создания
- В морях появляются многочисленные беспозвоночные. Среди беспозвоночных находим предков современных моллюсков и членистоногих.
- Зарождаются первые морские позвоночные панцирные, современные рыбы. Жизнь развивается на возникающих участках суши. Первыми поселенцами являются: грибы, бактерии, мхи и небольшие беспозвоночные животные, за ними следуют земноводные.
- Земля покрывается мощными лесами папоротников и иных растений, исчезнувших к нашему времени. Появляются насекомые.
- Зарождение пресмыкающихся.
- Эра рептилий, животные распространяются также и в морях. Отдельные виды достигают немалых размеров.
- Появляются млекопитающие и птицы. Распространяются первые цветочные растения. Появляются первые покрытосемянные растения.
- Вымирают динозавры и прочие крупные рептилии.
- Млекопитающие распространяются по всей территории земли, вытесняя рептилий, количество которых быстро уменьшается.
- Зарождаются разнообразные виды млекопитающих: плотоядные, рукокрылые и предки теперешних обезьян и человека. Зарождаются травоядные.
- Отдельные млекопитающие заселяют моря. Например: киты.
- Возникает прародитель человека - австралопитек.
- Пропадают отдельные большие млекопитающие. Человек становится абсолютным владельцем Земли.
Теперь вы знаете, как выглядела в древности Земля. Жизнь без людей была совсем другой.
