Виникнення життя на Землі
План
1.
Вступ
2.
Поняття часу
3.
Гіпотези виникнення життя на Землі:
· природний результат еволюції матерії
· абіогенез і біогенез
· данні
,
отримані при досліджені метиоритів
· енергетичний баланс життя
· гіпотеза панспермії
4.
Перші теорії Опаріна і Холдейна
5.
Основні етапи виникнення життя:
· хім. еволюція живого
· початкові етапи біологічного обміну
· хіральна чистота живого
6. Прискорення еволюції
1. Людина часто схильна звертатися до минулого, так-як в ньому заховані його таємниці. Звернення до історії завжди пов¢язане з уявленням про незловимий хід часу, однак небагато хто мають ясну уяву про багаторіччя світу, в якому ми живемо. Скільки не існувало людство – питання про те, як і коли утворилась Земля, цікавило всіх. Питання, як і з чого зародилось життя, було одним з перших питань, з яким первісна людина звернулась до себе, ледве змогла і озирнутись в жорсткій боротьбі за існування.
2. Є що-небудь більш загадкове, ніж час? З глибокої давнини людство намагається проникнути в його сутність, виразити словами, числами, міфами. Саме в стародавніх міфах вперше з¢являються поняття “день” і “рік”, котрі являються більш конкретними, ніж поняття “час”. Вони мають початок і кінець. Згідно з біблією, Земля виникла декілька тисяч років назад. В інших культурах, наприклад, по китайській міфології, вік Землі оцінюється в 130 тисяч років. Давньоіндійські філософи вважають Землю такою старою, що навіть більш старою, ніж визначають сучасні вчені. Перший імпульс до поняття категорії часу дали, очевидно, давньогрецькі вчені-атомісти. Але лише в епоху Відродження (15-16ст.) наука починає звільнюватися від всезагального впливу міфології і всесильної влади церкви. Починається епоха Великих географічних відкриттів , доведена кулеподібна форма Землі. Корали – яскравий приклад геологічного годинника, але вони можуть служити тільки в періоді, не старше 440 млн. років.
3.Природний результат еволюції матерії.
З незапам¢ятного часу походження життя було загадкою для всього людства. Але здатність задати собі питання: “Звідки ми?” – людина отримує порівняно недавно, 7-8 тисяч років тому, на початку нового кам¢яного віку (неоліта). Разом з тим з’являється віра в те, що навколишня природа – тварини і рослини, річки і моря, гори і рівнини – також одушевлені. Ідея самозародження життя з води, мулу чи гниющої матерії також йде від давніх міфів. В різноманітних варіантах ця ідея дожила до початку 20 століття. Більшість сучасних спеціалістів переконані в тому, що виникнення життя в умовах первичної Землі, є природний результат еволюції матерії. Це переконання основано на доведеній єдності хімічної основи життя, побудованій з декількох простих і самих розповсюджених у Всесвіті атомів. Ні один серйозний вчений сьогодні не вважає, що життя на Землі - виключно, явище у Всесвіті. Не дивлячись на те, що проведено і проводяться безліч ціленаправлених дослідів, але до сих пір не з’ясовано ніяких фактів, котрі показали б, що істоти принесені на Землю метеоритами або з космічною пиллю.
Біогенез і абіогенез
В розвитку вчення про походження життя важливе місце займає гіпотеза, яка затверджує, що все живе походить тільки від живого – теорія біогенезу. Цю теорію в середині 19 в. протиставляли ненаучним уявам про самонародження організмів. Однак як теорія походження життя, біогенез неупорядкований, оскільки принципіально протиставляється живе неживому, підтверджує відкинуту наукою ідею вічності життя.
Абіогенез – ідея про походження живого з неживого – вихідна гіпотеза сучасної теорії походження життя. Важливо підкреслити, що зараз життя на Землі не може виникнути абіогенним шляхом. Життя виникло на Землі абіогенним шляхом. В теперішній час живе походить тільки від живого(біогенне походження). Можливість повторного виникнення життя на Землі вилучене.
Данні
,
отримані при дослідженні метеоритів.
Однак, аж до самого останнього часу ми могли оперувати тільки методом логічної реконструкції. Але ось зовсім недавно ми отримали в руки зовсім неоцінимий матеріал: вдалось виявити надзвичайно давні з’єднання, які містять Вуглець, при чому ці з’єднання були виявлені не на Землі, де б вони зазнали за її багатовікову історію надто великі зміни, а в занесених до нас із космосу метеоритах. В метеоритах були виявлені складні з’єднання Вуглецю. Деякі з них можна розглядати як попередники складних біологічних молекул, але утворились вони щонайменше 4,5 млрд. років назад і не на Землі, а на якійсь іншій планеті. Виявлення цих з’єднань свідчить про те, що Земля зовсім не є єдиним місцем, з котрим пов’язані процеси виникнення життя: ці процеси можуть проходити і в інших ділянках Всесвіту, хоча подальша еволюція могла проходити зовсім різними шляхами. Ці знаходки слугують матеріальним підтвердженням повсюдності процесів зародження життя: ми зараз можемо говорити не тільки про виникнення життя на Землі, але про виникнення життя взагалі. Ми починаємо усвідомлювати, що процес еволюції життя є процес всезагальний і необхідний.
Енергетичний баланс життя.
Процес виникнення життя розпадається логічно на декілька стадій. Перша – це формування простих біогенних молекул – процес, якому, очевидно, передували поглинання і фіксація вільної енергії. Джерелом вільної енергії при цьому могли бути деякі форми випромінювання – або безпосередньо сонячна радіація, або сонячний вітер( потік плазми, складена в основному з ядер Водню і електронів, розповсюджуваних з великою швидкостю від Сонця в результаті безперервного розширення сонячної корони), або енергія радіоактивного розпаду. Таким чином, в “первинному бульйоні” в процесі його формування накопичувалась вільна енергія. Перша стадія еволюції життя в цьому бульйоні представляє собою поперед усього перетворення більш простих з’єднань за рахунок накопиченої вільної енергії в більш складні молекулярні струкрури. За цим в якийсь момент ( який саме, невідомо) під дією ультрафіолетового випромінювання Сонця з’являється нове джерело енергії, достатнє – але і не тільки – для підтримання життя. Однак життя не могло існувати на цьому принципі нескінченно. Виникали різні поглинаючі ультрафіолет форми, які, однак, безслідно зникли. Саме тут і діяв процес природного відбору на молекулярному рівні. На сьогодні ми бачимо тільки ті, що виграли в цьому змаганні.
Гіпотеза панспермії
Панспермія – гіпотеза про повсюдність поширення в Всесвіті зародків живих істот. Згідно панспермії, в світовому просторі розсіяні зародки життя (наприклад, спори мікроорганізмів), які рухаються під тиском світових променів, а потрапивши в сферу притягання планети, осідають на її поверхні і закладають на цій планеті початок живого. Ця гіпотеза була видвинута шведським вченим Ареніусом в 1907 р.
4. Перші теорії Опаріна і Холдейна
Накопичення фактів, говорячих о хімічній і генетичній єдності життя,неминуче повинно було рано чи піздно навести на певні роздуми про виникнення життя. Першою спробою в цьому роді стала книга Опаріна “Виникнення життя”, видана ним в 1924 р. Ідеї, висказані в цій невиликій за об’ємом книзі, лягли в основу майже всіх сучасних теорій виникнення життя. Опарін висказав припущення, що при міцних електричних розрядах в земній атмосфері, яка 4-4,5 млрд.р. назад складалась із аміаку, метану, вуглекислого газу і пари води, могли виникнути найпростіші органічні з’єднання, необхідні для виникнення життя. П’ять років пізніше ті ж самі в сутності положення , але незалежно від Опаріна, були в значно коротшій формі висказані Холдейном. Обидві ці роботи представляють собою спробу використати нові знання відносно циклів біохімічної реакції окислення і бродіння, для того щоб пояснити виникнення життя через виникнення її важливіших біохімічних властивостей в умовах, які, як припускається, існували на первісній Землі; особливу увагу при цьому приділяють процесам, відбуваючимся в океані, або гідросфері, а також на зміні в примитивній атмосфері Землі.
В 1897 році Бухнеру вдалось ізолювати “неживий” фермент із дріждживих клітин, досліджувані Пастером в 1855 р. Ця робота поклала початок хімічному вивченню процесу бродіння. Цим самим були закладені основи для поняття природи і функціонування ферментів – органічних молекул, здатних в багато разів прискорювати звичайні хімічні реакції надзвичайно специфічні в своїй діяльності. Іншими словами, ферменти є ніщо інше, як органічні каталізатори. Опаріну було зрозуміло, що їх виникнення виявилось необхідною ланкою процесу виникнення життя.
Він намагався відповісти на заперечення – заперечення доволі вагомі, - висовувані проти старих теорій виникнення життя на Землі, і усунути протиріччя, народженні успіхом досвіду Пастера, експерементально довівшого неможливість спонтанного самонародження. Пастер довів, що живе виникає тільки із зародків, вже присутніх в середовищі. Якщо погодитись з таким висновком, то життя слідує вважати таким же вічним, як і сама матерія, - а численні вчені саме так і вважали. Але це положення в сутності лежало на гіпотезі Аристотеля про незмінювання світотворення і заперечувало новій, доведеній теорії еволюції організмів. Відмова ж від цієї ідеї відкривала шлях для нової гіпотези, складеній в тому, що умови, в яких виникло життя, відрізняється від умов, в яких життя існує зараз. Ця відмінність стосувалась головним чином складу атмосфери.
5.Основні етапи виникнення життя
Ознаки діяльності живих організмів виявлені багатократно в докембрійських породах, розсіяних по всій земній кулі. В Пд. Африці (м. Фіг-три) знайдені породи зі слідами діяльності мікроорганізмів, вік яких більше 3,5 млрд. років.
Процеси, які передували виникненню життя на Землі, безперечно, здійснювались на основі тих же фізичних і хімічних законів, які діють на Землі і досі. Фізичні і хімічні властивості різних атомів і молекул робили обов’язковим взаємодію між ними. Говорячи про виникнення життя шляхом складних хімічних перетворень молекул, важливо мати на увазі, що ці процеси не мали єдиного і неповторюваного характеру, а могли протікати і, очевидно, протікали в неоднакових умовах і на різних ділянках поверхні Землі.
Передбачаєма історія виникнення життя викладена в трьох основних частинах:
1. від атома до молекули;
2. від молекули до полімера;
3. від полімера до організму.
Хімічна еволюція живого
Із Водню, Азоту і Вуглецю при наявності вільної енергії на Землі повині були виникати спочатку прості молекули: аміак, метан і подібні з’єднання. Далі ці нескладні молекули в первинному океані могли вступати в нові зв’язки між собою і з іншими речовинами.
З особливим успіхом, очевидно, протікали процеси росту молекул при наявності групи –N=C=N – . Ця група приховує в собі великі хімічні можливості до росту як за рахунок приєднання до атому Вуглецю атома Водню, так і шляхом реагування з азотистою основою.
З визначеного етапу хімічної еволюції, участь кисню в цьому процесі стала необхідною. В атмосфері Землі кисень міг накопичуватись в результаті розкладу води і водяної пари під впливом ультрафіолетових променів Сонця( існують припущення про наявність кисню до зародження життя). Для перетворення відновленої атмосфери первинної Землі в окислену витратилось не менше 1-1,2 млрд. р. З накопиченням в атмосфері кисню відновлені з’єднання почали окислюватись, а саме: NH₃ – до NO₃,CH₄ – до CO₂,H₂S – до SO₃. В ряді випадків при окислені CH₄утворились метиловий спирт, формальдегід, мурашинна кислота і т.д., які разом з дощевою попадали в первинний океан. Ці речовини, вступаючи в реакції з аміаком і ціанистим воднем , дали початок амінокислотам і з’єднанням типу аденіну.
В ході таких і аналогічних їм реакцій води первинного океана насичувались різноманітними речовинами, утворюючи первинний бульйон. Шляхом реакції полімерилізації з простих молекул могли бути утворені і більш складні молекули – білки, ліпіди, нуклеїнові кислоти і їх спричинені. Однією з найбільш важливих ланок початкової стадії хімічної еволюції слідує визнати з’єднані здібності до самовідтворення полінуклеотидів з каталітичною активністю поліпептидів. При виникненні життя необхідна була участь як полінуклеотидів, так і поліпептидів.
Надалі ускладнення обміну речовин в таких системах значну роль повинні були відіграти каталізатори (різні органічні і неорганічні речовини) і просторово-часові роззносини (тобто, закінчити зв’язок) початкових і кінцевих продуктів реакції. Все це не могло з’явитись до появи мембран. Утворення мембранної структури вважається самим важким етапом хімічної еволюції життя. Біологічні мембрани, як відомо, складають агрегати білків і ліпідів, здатні розмежувати речовини від середовища і надати упаковці молекул міцності.
Початкові етапи біологічного обміну
Вважають, що в початкових етапах передбіологічної еволюції коацервати, в яких виникла концентрація певного набору металів і простих органічних речовин, стали основою для переходу до біогенних синтезів. Навіть перші живі організми могли получити АТФ із оточуваного середовища.
З іншого боку, каталітична активність коацерватов могла бути підсилина і при виникненні комплексів між металами і органічними з’єднаннями.
До виникнення дійсної живої істоти здібність до самовідтворення не обов’язково могла бути зв’язана з точною редуплікацією нуклеїнових кислот, так як вона здійснювалась дуже повільно. Самоподвоєння їх могло б бути результатом постійності співвідношення швидкостей різних реакцій обміну речовин, йдучих із участю коферментов – каталізаторов небілкової природи. Надалі, очевидно, шов передбіологічний відбір коацерватов і по здібності накопичення спеціальних білковоподібних полімерів, відповідальних за прискорення хімічних реакцій. Всі ці зміни привели до виникнення циклічного обміну речовин, характерного для живих створінь.
В системі коацерватов не виключен і відбір самих нуклеїнових кислот, тобто відбір по генам. Система з успішною працюючою послідовністю нуклеотидів в нуклеїновій кислоті має право називатись живою.
Хіральна чистота живого
В питанні про походження життя одним із загадкових залишається факт наявності абсолютної хіральної чистоти (від греч. cheir – рука ): у живих істот – зміст в молекулах білків тільки “лівих” амінокислот, а в нуклеїнових кислотах – “правих” цукрів. Подібне явище могло виникнути тільки внаслідок утрати передбіологічного середовища первинної зеркальної симетрії (однаковий зміст правих і лівих ізомерів амінокислот і цукрів). Неживій природі присутня тенденція установлення зеркальної симетрії(рацемації).
Досвіди останніх років показали, що тільки в хірально чистих розчинах практично могло виникнути біологічно вагоме видовження ланцюга полінуклеотидів і процес самореплікації. Живі системи організовані так, що тРНК із правих цукрів приєднує до себе тільки ліві амінокислоти. Ось чому виникнення життя, очевидно, виключалось до руйнування зеркальної симетрії передбіологічного середовища і появи саморепліцируючих систем.
Усі живі організми піддтримують свою хіральну чистоту, і еволюція не надала їм засобів для мешкання в рацимічному середовищі.
Всі викладені – не більш як правдоподібні гіпотези можливих шляхів виникнення життя, і тут можна очікувати нових цікавих відкриттів. Так, за останні роки показано, що давно відомі бактерії, проживаючі в гарячих джерелах, на дні океанів, в шлунку деяких жуйних тваринах, поглинаючи вуглекислий газ, водень і виділяючі метан (метаноутворюючі бактерії), мало відрізняються від організмів, які жили на Землі першими.
В проблемі виникнення біологічного обміну на Землі ще є багато нез’ясованого. Занесене життя на землю чи воно тут виникло? Прошов біологічний обмін через коацерватний стан чи первісно виникає генетичний код? Але научно вірогідною залишається можливість виникнення життя з неорганічних речовин за допомогою діяння фізичних факторів середовища і діяння передбіологічного відбору.
6.Прискорення еволюції
Прискорення (акселірація) – відміна риса еволюції: вперше це підкреслив академік Опарін. Після виникнення життя на Землі її еволюція характеризується тенденцією до поступового прискорення. Від виникнення перших живих істот (біля 3,5 млрд.р.назад) до першого масового розвитку багатоклітинних в вендську епоху пройшло більш 2,5 млрд.р. Для досягнення величезного різноманіття тварин і рослин було необхідно біля 400 млн.р., для розвитку ссавців і птах – біля 100 млн.р., приматів – біля 60 млн.р., гомінід – біля 16 млн. р., для роду чоловіка – 6 млн. р., для Homo
sapiens –
60 тис.р.
Древній кам’яний вік (палеоліт) продовжувався стільки ж, скільки слідуючі неоліт, бронзовий і залізний віки. Сучасна наука зародилась біля 300 р. назад. Увесь хід розвитку свідчить про прискорення.
Швейцарський інженер і філософ Ейхельберг досить образно описує темпи прогресу людства:
“ Припускається, що вік людства 600 тис. р. Уявляємо собі рух людства як марафонський біг на 60 км.
Більша частина 60-кілометрової відстані проходить по дуже складному шляху – через незаймані ліси. Ми мало знаємо цю частину, так як лише в кінці, на 58-59-м кілометрі бігу, зустрічаємо разом з первісною зброєю малюнки печерних людей як перші ознаки культури і ледве лише на останньому кілометрі шляху з’являється все більше ознак землеробства.
За 200 м до фінішу дорога вже покрита кам’яними плитами, ми проминаємо римські фортеці.
За 100 м до фінішу наш бігун пробігає через середньовікові міста.
До фінішу залишається ще 50 метрів; там стоїть людина, яка розумними очами слідкує за бігуном, - це Леонардо да Вінчі.
Залишається тільки 10 метрів! Вони починаються при світлі факелів і при світлі масляних світильників.
Але при стримкому пориві на останніх 5 метрах трапляється диво: світло заливає нічну дорогу, машини шумлять на землі і в повітрі і здивований бігун осліплен прожекторами фото- і телекореспондентів”.
Ейхельберга турбує цей стрімкий біг. Він питає – невже стрімкий рух людства до научно-технічного прогресу може виявитись рухом до його загибелі?
Безперечно, що розвиток людства визначається іншими законами, відмінними від законів біологічної еволюції. Але еволюція життя і неживої природи в геологічному минулому – процес діалектичний, котрому теперішнє зобов’язане своїм існуванням. На довгому шляху життя крізь глибини часу можно виявити вражаючий зв’язок між мешканцями Землі і спадкоємністю розвитку клімату і ландшафту, періодами небувалого розквіту і епохами згубних випробувань. Сучасне середовище, в якому ми живемо, змінюється з дивовижною швидкістю; зараз за десятиріччя проходять зміни, які в минулому проходили за мільйони років.
Прискорення є спільною закономірністю в розвитку. Але з ним зв’язана і цефалізація, сучасним досягненням якої є людський мозок. Прискорення веде не до загибелі, а до прогресу. В цьому закономірність еволюції.
Список використаної літератури:
1.
Яблоков
,
Юсуфов “Еволюційне вчення”
2.
Т.Ніколов “Довгий шлях життя”
3.
М.Р. Івахненко
,
В.А. Корабельников “ Живе минуле Землі”
4.
Джон Бернал “Виникнення життя”
5.
Р.Д. Ален “Наука про життя”
6.
О.Томілін “Як люди відкривали свою Землю”
|
