Курсовая работа: Происхождение жизни на Земле
Абиогенная гипотеза встретила решительный отпор ученых – приверженцев идеи вечности и безначальности биологической жизни. Российский ученый биохимик С.П. Костычев в брошюре «О появление жизни на Земле» замечает, что простые организмы посложнее всех фабрик и заводов, и случайное возникновение жизни маловероятно, жизнь никогда «не создается из мертвой материи» [7. С. 132].
В отношении самозарождения организмов нужно 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 известный французский ученый, основатель современной микробиологии Л.Пастер. Своими опытами он доказал невозможность самозарождения микроорганизмов.
Следует отметить, что в настоящее время жизнь на Земле не может появиться абиогенным методом. Еще Дарвин в 1871 г. писал: "Но если бы сейчас в каком-либо теплом водоеме, содержащем все нужные соли аммония и фосфора и доступном действию света, тепла, электроэнергии и т.п., химически образовался белок, способный к дальнейшим все более сложным превращениям, то это вещество немедленно было бы разрушено и поглощено, что было нереально в период возникновения живых существ".
С гипотезой А.И.Опарина в настоящее время трудно согласиться. Наличие аналогов обмена веществ и «естественного отбора» у коацерватов еще не есть доказательство того, что они могли привести к образованию первых примитивных организмов. А как произошел качественный скачок от неживого к живому гипотеза Опарина не объясняет.
Теория панспермии. Идея панспермии была выдвинута в 1907 году С. Аррениусом и поддерживалась такими крупными учеными, как Э. Хойл, Ч. Викрамсинх, У. Крик, С. Ортель, К. Саган. В 1865 г. немецкий врач Г.Рихтер выдвинул гипотезу космозоев (космических зачатков), в согласовании с которой жизнь является вечной и зачатки, населяющие мировое пространство, могут переноситься с одной планеты на другую. Сходную гипотезу в 1907 г. выдвинул шведский естествоиспытатель С.Аррениус, предположив, что во Вселенной постоянно есть зародыши жизни. 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 новенькую жизнь на данной планете. Эту гипотезу поддерживали многие, в т.ч. российские ученые С. П. Костычев, Л.С. Берг.
Данная гипотеза не предполагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни и переносит дилемму 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 эмбрионов во Вселенной. Схожим образом мыслили немецкие ученые Кельвин, Гермгольц.
Для обоснования панспермии традиционно употребляют наскальные картинки с изображением предметов, похожих на ракеты либо космонавтов, либо появления НЛО. Полеты космических аппаратов разрушили веру в существование разумной жизни на планетах солнечной системы, которая возникла после открытия Скипарелли каналов на марсе в 1877 г. [7. С. 135]
Ловелл насчитал на Марсе 700 каналов. Сеть каналов обхватывала все материки. В 1924 г. каналы были сфотографированы, и большая часть ученых узрели в них подтверждение существования разумной жизни. Фотоснимки 500 каналов зафиксировали и сезонные конфигурации цвета, которые подтвердили идеи русского астронома Г.А. Тихова о растительности на Марсе, поскольку озера и каналы имели зеленоватый цвет. Ценная информация о физических условиях на Марсе была получена русским космическим аппаратом «Марс» и американскими посадочными станциями «Викинг-1» и «Викинг-2». Так, полярные шапки, испытывающие сезонные конфигурации, оказались состоящими из аквапара с примесью минеральной пыли и из жесткой двуокиси углерода (сухого льда). Но пока следов жизни на Марсе не найдено. Исследование поверхности с борта искусственных спутников позволило предположить, что каналы и реки Марса могли появиться в итоге растапливания под поверхностного водяного льда в зонах повышенной активности либо внутреннего тепла планеты, либо при периодических конфигурациях климата.
В конце 60-х годов вновь возник интерес к гипотезам панспермии. При исследовании вещества метеоритов и комет были обнаружены многие «предшественники живого» - органические соединения, синильная кислота, вода, формальдегид, цианогены. Формальдегид, в частности, найден в 60% случаев в 22 исследованных областях, облака с его концентрацией приблизительно 1000 молекул в кубическом сантиметре заполняют обширные пространства. В 1975 г. предшественники аминокислот найдены в лунном грунте и метеоритах [2. С. 76].
Некоторые ученые считают, что жизнь возникла не на Земле, а была занесена на нее из космического пространства в виде спор микроорганизмов размерами 0,2-0,6 мкм. В составе планетарных и диффузных газопылевых туманностей и глобул обнаружены сложные органические соединения. При прохождении Солнечной системы в спиральных рукавах на поверхность Земли может выпадать до 1014 органических молекул на м2.
В пользу вышеупомянутой гипотезы свидетельствуют: универсальность генетического кода всех земных организмов и важность роли молибдена в живой клетке, более редкого на Земле, чем хром и никель, которые могли бы выполнять те же функции. Устойчивые к ультрафиолетовому облучению и космической радиации споры действительно могли бы путешествовать между звезд, но для того, чтобы за миллиард лет Земля получила 1 спору, все остальные звезды Галактики должны иметь планеты, выбрасывающие в тот же срок в космос по 1 т. спор.
В качестве места возникновения и развития жизни предполагались кометы и каменные метеориты - углистые хондриты, содержащие сложные органические вещества, в том числе аминокислоты (в составе метеорита Мерчисон было обнаружено 18 разновидностей аминокислот), не встречающиеся на Земле. Многочисленные данные свидетельствуют об изобилии органических соединений на поверхности Земли в эпоху ее формирования [2. С. 79].
Бактерии способны размножаться в экстремальных условиях температур от – 25њ С до 300њ С при давлении до 1,3× 108 Па. Они сохраняют жизнеспособность в виде спор при температурах от – 240њ С до 600њ С и давлении от 10-4-10-6 Па до 2× 109 Па, облучению ультрафиолетовым излучением интенсивностью до 5× 104 эрг/мм2 и жесткой радиации мощностью до 104 Гр. Колонии бактерий (E. coli) на борту АМС "Сервейер" смогли выжить в течение 1 года на поверхности Луны, и свыше 5 лет находившихся на открытой панели ИСЗ. В ископаемых льдах Арктики и Антарктиды обнаружены споры микроорганизмов (до 107 клеток на грамм), находящихся в состоянии анабиоза от 20-40 тысяч лет до 8 миллионов лет! Некоторые ученые полагают, что у многих обнаруженных популяций микроорганизмов в условиях вечной мерзлоты метаболизм крайне замедляется, но не останавливается. Такая жизнеспособность обусловлена неразрывностью связи популяций организмов со средой обитания.
Отдельные группы земных микроорганизмов, примитивных грибов, дрожжей и водорослей могут не только выжить, но и размножаться в условиях, существующих в криосфере и на поверхности Марса или в океанах Европы. И все же, несмотря на космическую распространенность органических веществ, гипотеза панспермии до сих пор не получила материального подтверждения, хотя массовая печать неоднократно в форме сенсаций сообщала об обнаружении в метеоритах окаменелостей микроорганизмов. Главным недостатком этой гипотезы является то, что перенос места возникновения земной жизни с поверхности Земли в глубины Вселенной не решает вопроса о происхождении жизни из неживой материи.
Концепция стационарного состояния жизни. По мнению В.И. Вернадского, необходимо говорить об извечности жизни и проявлений её организмов, как мы говорим об извечности материального субстрата небесных тел, их тепловых, электрических, магнитных параметров и их проявлений. Далек от научных исканий вопрос о начале жизни, как и вопрос о начале материи, теплоты, электроэнергии, магнетизма, движения. Все живое вышло от живого (принцип Реди). Примитивные одноклеточные организмы могли появиться лишь в биосфере Земли, а шире, в биосфере Вселенной. По мнению Вернадского, естественные науки построены на предположении, что жизнь с её особыми свойствами не играет никакой роли в жизни Вселенной. Но биосферу необходимо брать как целое, как единый живой космический организм (тогда и отпадает вопрос о начале живого, о скачке от неживого к живому) [8. С. 12].
Гипотеза «голобиоза» касается прообраза доклеточного предка и его способностей. Есть разные формы доклеточного предка – «биоид», «биомонада», «микросфера». Согласно биохимику П. Деккера, структурную базу «биоида» составляют «жизнеподобные» неравновесные диссипативные (от лат. «dissipate») структуры, т.е. открытые микросистемы с ферментативным аппаратом, катализирующим метаболизм биоида. Эта гипотеза трактует активность доклеточного предка в обменно-метаболическом духе. В рамках гипотезы «голобиоза» конструировали биохимики С.Фокс и К.Дозе свои биополимеры, способные к метаболизму – комплексному белковому синтезу. Основной недостаток данной гипотезы – отсутствие генетической системы при таком синтезе. Отсюда - следует отдать предпочтение «молекулярному прародителю» всякого живого, а не первичной протоклеточной структуре.
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 гипотеза «генобиоза» получила после открытия РНК и ДНК и их феноменальных параметров. В начале 80-х гг. 20 века была установлена способность РНК к саморепродуцированию в отсутствии белковых ферментов. Второй момент – открытие у РНК автокаталитических функций. Объединение двух функций – каталитической и информационно-генетической – привело к тому, что макромолекулярная система стала способной к саморепродукции. Т.е. старая РНК кооперируя в себе черты фенотипа и генотипа, могла быть 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 составляет ДНК, а не РНК. Но как это объяснить? Ревертаза и матричный синтез с ДНК на РНК явились компонентами одного для всего живого доклеточного предка. Но эволюция последнего шла в сторону современной ДНК и утраты им самостоятельных каталитических функций. Таким образом, РНК является той первичной информационной молекулой, которая стояла у истоков жизни.
Можно допустить, что обе нуклеиновые кислоты произошли от одной более примитивной молекулы. Усложняясь и специализируясь в процессе эволюции, эта «прануклеиновая» кислота превратилась в функционально различные типы молекул ДНК и РНК. Возможно, что этой первичной нуклеиновой кислотой могла быть молекула, близкая к более простой РНК. Подобно РНК вируса табачной мозаики она обладала способностью к передаче наследственной информации и к синтезу белка. Возможно также, что вирусы содержащие только одну РНК (филогенетически более раннее образование), следует рассматривать как современные модификации древней, примитивной формы жизни [8. С. 15].
Все это может пролить некоторый свет на пути возникновения и развития живых существ от более простых форм управления и примитивной формы жизни к более сложным формам. Если небелковая («неживая») молекула РНК в подходящей среде образует живые системы, то не на этом ли пути можно обнаружить мостик между неживой и живой природой. Решающее слов в этом вопросе принадлежит различным будущим биохимическим и генетическим исследованиям.
Таким образом, основные гипотезы о происхождении жизни на Земле можно разделить на 3 группы:
1) религиозная гипотеза о "божественном" происхождения жизни;
2) "панспермия" - жизнь возникла в космосе и затем была занесена на Землю;
3) жизнь возникла на Земле в результате естественных процессов.
Рассмотрим более подробно закономерности и химические особенности происхождения жизни на земле.
Возникновение и развитие жизни и разума на Земле подготовлено всем ходом эволюции неживой материи Метагалактики. Закономерность и неизбежность возникновения и развития жизни и разума обусловлена одним из важнейших свойств Метагалактики - "антропным принципом". Существование и развитие объектов Метагалактики обусловлено внутренними динамическими процессами. Все возникающие объекты, от космических пылинок и туманностей, бактерий и людей, звезд, галактик и, по-видимому, всей Метагалактики в целом, являются открытыми неравновесными системами, обменивающимися с окружающей средой веществом и энергией. В ходе эволюции возникает способность к воспроизведению подобных объектов и усвоению ими благоприобретенных признаков и свойств. С увеличением сложности структур упорядоченных систем возрастает их способность к накоплению, запоминанию и хранению информации. Информационная эволюция ускоряет темпы самоорганизации материи и идет в направлении уменьшения возможных наборов элементов, определяющих структуру и функционирование сложных систем. Наборы с наименьшим числом элементов легче восстанавливаются, передаются и тиражируются. Для атомов число возможных комбинаций протонов и нейтронов в атомных ядрах равно числу изотопов (свыше 1500). Для молекул возможное число наборов атомов равно количеству элементов таблицы Менделеева (около 100). Для полимеров в растворах - числу 5 пространственных конфигураций. Для живых организмов - количеству нуклеотидов в ДНК и РНК (4). С увеличением сложности структур возрастает зависимость их существования и развития от физических и химических свойств среды и неизменности внешних условий.
Например, температурные границы существования объектов:
- атомов - от 0,5–1 К до 105 К (температура ионизации);
- молекул - от 2-3 К до 104 К (температура диссоциации);