Современные гипотезы возникновения жизни на Земле

Современные гипотезы возникновения жизни на Земле

Министерство образования Российской Федерации

Ставропольский Государственный Университет

Медико–Биолого–Химический факультет

Курсовая работа

Тема:  «Современные гипотезы возникновения жизни на Земле»

Выполнила:

студентка 4 курса, группы «А»специальность «Биология»

Бороздина И. Б.

Научный руководитель:

Д. б. н., профессор Сигида С. И.

Ставрополь, 2007г.

Содержание

I. Введение

II. Основная часть

1. Что такое жизнь? Отличие живого от неживого

2. Гипотезы и теории происхождения жизни

3. Как появилась жизнь на Земле

4. Эволюция форм биологической жизни на Земле

III. Заключение

IV. Литература

V. Приложение

Введение

Проблема происхождения жизни на Земле – сложный вопрос биологии, который интересует человечество с давних времен. 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, 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 её 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 ещё 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 проверки 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 использованию основного научного метода).

Вопрос происхождения жизни интересен не только сам по себе, но и тесной связью с проблемой отличия живого от не живого, а также связью с проблемой эволюции жизни.

Жизнь на Земле представлена громадным многообразием форм, которым присуща возрастающая сложность строения и функций.

Живым организмам свойственны 2 признака: целостность и самовоспроизведение. В ходе индивидуального изменения (онтогенеза) организмы приспосабливаются к внешним условиям, а смена поколений приобретает эволюционно – исторический характер (филогенез), выработали способность к относительной независимости от среды (автономность). Одно из главных свойств всякого живого - обмен веществ. Наряду с ним существенными признаками являются раздражимость, рост, размножение, изменчивость, наследственность.

Всякий живой организм стремится к главному – воспроизведению себе подобных.

II. Основная часть

1. 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.

Когда – то считалось, что живое можно отличить от не живого 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 по этому не могут рассматриваться как специфические свойства живого. В одной из последних и 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 путём. 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 (первая 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 (вторая 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 состоят из дискретных атомов и элементарных частиц. В то же время сложная организация немыслима без элементарных частиц. Сложная организация немыслима без взаимодействия её частей и структур – без целостности».

Целостность биологических систем качественно отличается от целостности неживого 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 в процессе органической эволюции). Вероятно, что в живом проявляется способность к саморегуляции материи.

«Среди живых систем нет двух одинаковых особей, популяций 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 трёх первых аксиом), - это, видимо, единственное специфическое для жизни (в известной нам форме существования на Земле) свойство. В основе его лежит уникальная способность к самовоспроизведению основных управляющих систем (ДНК, хромосом и генов).

«Жизнь – одна из форм существования материи, закономерно возникающая при определенных условиях в процессе её развития».

Итак, что такое живое и чем оно отличается от не живого.

Наиболее точное определение жизни дал Ф. Энгельс: «Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел».

Термин  «белок» тогда ещё не был определён вполне точно, и егоотносили 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».

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 не живого 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. Это принципиально новый момент.

Такие 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.

Свойством живого является деятельность, активность.

«Все живые существа должны или действовать, или погибнуть. Мышь должна находиться в постоянном движении, птица летать, рыба - плавать, а растение расти».

Жизнь возможна 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 ведет к потере жизнеспособности. Если сохраняется не поврежденной структура, она при возвращении к нормальным условиям обеспечивает восстановление жизненных процессов.

Однако строго научное разграничение живого и неживого встречает определённые 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, «Жизнь – процесс существования биологических систем (например, клетка, организм растения, животного), основу которых составляют сложные органические вещества и способные самовоспроизводиться, поддерживать своё существование в результате обмена энергией, веществом и информацией со средой».

2. Гипотезы и теории происхождения жизни

С глубокой древности и до нашего времени было высказано бессчетное количество гипотез о происхождении жизни на Земле.

В настоящее время существует 5 научных концепций возникновения жизни:

1.                 Возникновение живого из неживого, подчиняясь определенным физическим и химическим закономерностям (абиотическая концепция);

2.                 Гипотеза «голобиоза» - концепция протобионта или биода, некого доклеточного предка, начальных «жизнеспособных» структур;

3.                 Гипотеза «генобиоза», т. е. поиска генома как реликтового предка всех живых клеточных структур, считая, что

именно РНК сыграло первостепенную роль в её 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 всё живое происходит только от живого – теория биогенеза.

 В 1688 г. итальянский биолог Ф. Реди серией опытов с открытыми и закрытыми сосудами доказал, что появляющиеся в мясе белые маленькие черви – это личинки мух и сформулировал принцип: всё живое – из живого.

В 1860 г. Пастер показал, что бактерии могут быть везде и заражать неживые вещества. Для избавления от них необходимо стерилизация, получившая название пастеризации.

Однако как теория происхождения жизни биогенез несостоятелен, поскольку противопоставляет живое не живому, 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.

Предсказания академика Опарина оправдались. 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 ХХ века был экспериментально осуществлен абиогенетический синтез белковоподобных и других 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 – её эволюционный характер, жизнь – закономерный этап эволюции материи. Возможность экспериментальной проверки основных положений гипотезы.

На коацерватных каплях можно симетировать 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 включает решительный отпор ученых – сторонников идеи вечности и безначальности биологической жизни.

Русский 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 создаётся на мёртвой материи».

В отношении самозарождения организмов необходимо отметить, что Французская Академия наук, ещё в 1859 году, назначила специальную премию за попытку осветить по – новому вопрос о самопроизвольном зарождении жизни. Эту премию в 1862 г. получил знаменитый французский ученый Луи Пастер, который своими опытами доказал невозможность самозарождения микроорганизмов.

В настоящее время жизнь на Земле не может возникнуть абиогенным путём. Ещё Дарвин в 1871 году писал:  «Но если бы сейчас… в каком – либо тёплом водоёме, содержащем все необходимые соли аммония и фосфора и доступном воздействию света, тепла, электричества, химически образовался белок, способны к дальнейшим всё 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.

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 году выдвинул шведский естествоиспытатель С. Аррениус, предположив, что во Вселенной вечно существуют зародыши жизни – гипотезу панспермии. Он описывал, как с населённых другими существами планет уходят в мировое пространство частички вещества, пылинки и живые споры микроорганизмов. Они сохраняют свою жизнеспособность, летая в пространстве Вселенной за счёт 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.

Для обоснования панспермии используют наскальные рисунки с изображением предметов, похожих на ракеты или космонавтов, или появления НЛО. Полёты космических аппаратов разрушили веру в существование разумной жизни на планетах Солнечной системы, которая появилась после открытия Скипарелли каналов на Марсе в 1877 году.

Ловелл насчитал на Марсе 700 каналов. Сеть каналов охватывала все материки. В 1924 году каналы были сфотографированы, и большинство учёных 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 твёрдой 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 шестидесятых годов ХХ века вновь возрос интерес к гипотезам панспермии. При изучении вещества метеоритов и комет были обнаружены  «предшественники живого» - органические соединения, синильная кислота, вода, формальдегид, цианогены.

Страницы: 1, 2