Концепции происхождения жизни реферат

Содержание

Введение

1. Основные гипотезы происхождения жизни

2. Химическая эволюция

3. Биологическая эволюция

Заключение

Список литературы

Введение

Вопрос о происхождении жизни, о возникновении на Земле первых живых существ принадлежит к числу величайших, основных проблем естествознания. Каждый человек, на каком бы уровне развития он ни стоял, сознательно или бессознательно, задает себе этот вопрос и худо ли, хорошо ли на него отвечает, так как без этого ответа не может быть создано никакое, даже самое примитивное мировоззрение.

История учит нас, что проблема происхождения жизни привлекала к себе человеческий ум уже с незапамятных времен. Нет такой религиозной или философской системы, нет такого крупного мыслителя, которые не уделяли бы этой проблеме самого пристального внимания. В разные эпохи и на разных ступенях культуры вопрос о происхождении жизни решался по разному, но всегда вокруг него развертывалась острая борьба двух непримиримых философских лагерей — идеализма и материализма.

Вопрос зарождения жизни, т. е. превращения неживой природы в живую, является одним из кардинальных в биологической науке. Решение его еще далеко от завершения.

По вопросу происхождения жизни на Земле между учеными постоянно ведутся дискуссии. Одни считают, что жизнь на нашей планете имеет сугубо земное происхождение, другие высказываются в пользу ее космического происхождения. В межзвездном пространстве открыто большое число органических молекул, которые, попав в благоприятные условия, могут дать начало зарождению жизни и на планете Земля, и на других.

1. Основные гипотезы происхождения жизни

До второй половины 19 века большинство людей пыталось разрешить проблему происхождения жизни, почти безраздельно основываясь на принципе самозарождения, т. е. на принципе, согласно которому живые существа могут не только рождаться от себе подобных, но внезапно первично возникать, появляясь сразу среди объектов неорганической природы во вполне организованном, сложившемся состоянии.

На этой точке зрения стояли как идеалисты, так и материалисты. Весь спор сводился только к тому, какие причины, какие силы обусловливают это возникновение.

Согласно идеалистическим представлениям, все живые существа, в том числе и человек, первично возникли примерно такими, какими мы их видим сейчас, вследствие воздействия сверхматериальных духовных сил — в результате творческого акта божества или формирующего воздействия души, жизненной силы, энтелехии и т. д., иными словами, в результате воздействия того духовного начала, которое, согласно утверждению идеалистов, и составляет сущность жизни.

В противоположность этому, материалистически настроенные естествоиспытатели и философы исходили из того положения, что жизнь, как и весь остальной мир, материальна по своей природе и что она не нуждается для своего объяснения в признании какого-то духовного начала. Поэтому они, в большинстве случаев принимая самозарождение за вполне достоверный «факт», пытались объяснить его как результат действия естественных закономерностей, отрицая всякое вмешательство любых сверхматериальных сил. Прямой путь для решения проблемы происхождения жизни они видели в том, чтобы, обнаружив в природе или воспроизведя в лаборатории самозарождение того или иного организма, изучить это явление всеми доступными науке методами.

Однако очень точно проведенные наблюдения и опыты, в особенности исследования Л. Пастера, убедительно показали призрачность самого «факта» внезапного возникновения даже наиболее примитивных организмов из безжизненных материалов. Было с полной достоверностью установлено, что все прежние утверждения о наличии самозарождения являются лишь плодом методических ошибок, неправильной постановки опытов или их поверхностного истолкования.

Совершенно иные перспективы открываются перед нами, если мы попытаемся подойти к решению интересующей нас проблемы не метафизически, а диалектически, на основе изучения истории того последовательного развития материи, которое предшествовало появлению жизни и которое привело к ее возникновению. Материя никогда не остается в покое, она постоянно движется, развивается и в этом своем развитии из одной формы движения переходит все в новые и новые, все в более сложные и совершенные формы. Жизнь и является такой особой, очень сложной формой движения материи, возникшей как новое качество на определенном этапе общего развития материи.

Ф. Энгельс еще в конце прошлого века указывал на изучение истории развития материи как на наиболее надежный путь разрешения проблемы происхождения жизни. Однако эти идеи Энгельса не нашли достаточно широкого отражения в естествознании его времени.

Только в наше время, только на основе обобщения того большого фактического материала, который был добыт естествознанием уже в двадцатом веке, удалось нарисовать схематическую картину эволюционного развития материи, установить те вероятные этапы, через которые последовательно проходило это развитие на пути к возникновению жизни. Благодаря этому открылись широкие возможности для экспериментальной работы по проблеме происхождения жизни. Но теперь уже речь шла не о безнадежных попытках обнаружения внезапного самозарождения организмов, а об изучении и экспериментальном воспроизведении явлений не только возможных, но и вполне закономерных, последовательно возникающих в эволюционном развитии материи.

В пользу космического происхождения жизни на Земле недавно высказались американские ученые Ф. Крик и Л. Оргель. Свое заключение они сделали на основе изучения пропорций содержания химических элементов в окружающей среде и в живых организмах. В результате исследований они установили, что пропорции химических элементов, в частности содержание молибдена на Земле и в биологических системах, различны. В более старых, удаленных от нас звездных системах содержание молибдена гораздо выше. На основании этого они считают, что жизнь на Земле имеет внеземное происхождение.

Однако большинство ученых — биологов, биохимиков и геологов, занимающихся изучением происхождения жизни на нашей планете, считают, что наша жизнь имеет исключительно земное происхождение. Основоположником этой гипотезы является советский академик А. И. Опарин, обосновавший ее еще в двадцатых годах.

2. Химическая эволюция

Известно, что Земля, со сформировавшейся твердой оболочкой (земной корой) и имеющимся набором химических элементов, существует 4,6 млрд. лет. Правда, следует заметить, что горные породы за это время претерпели частичные изменения. В то время полностью отсутствовали осадочные породы (песчаники, глины, известняки и т. п.). Набор химических элементов при этом, естественно, не изменился. Вода на поверхности была в достатке. Об атмосфере уже говорилось выше.

Под действием тепла, земной и космической радиации, ультрафиолетового излучения, электрических разрядов и других факторов в результате длительного воздействия начали образовываться сложные структурные блоки —«кирпичики» белков и нуклеиновых кислот, из которых возникло все живое, начиная от клетки и более организованных форм жизни.

В настоящее время большинство исследователей считает, что химическая эволюция протекала в три этапа:

1. Образование из разрозненных химических элементов структурных блоков: аминокислот, азотистых оснований, сахара, порфиринов и др.

2. Образование из этих структурных блоков предшественников белков и нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновой — ДНК и рибонуклеиновой — РНК.

3. Возникновение из этих сложных блоков строго организованных простейших живых структур, способных к самовоспроизведению.

Углеводороды, аминокислоты, азотистые основания и сахара возникают в смесях из метана, аммиака и паров воды под действием тихих электрических разрядов. Это в настоящее время доказано экспериментальным путем в лабораторных условиях. Все 20 аминокислот, из которых состоят белки, были открыты к началу нашего века.

Протеиноподобные вещества могут возникать из аминокислот в обычной подогретой вулканической лаве. Образующиеся таким путем протеиноиды способны слипаться в мельчайшие шарики-микросферы, диаметром в 2 микрона. Под микроскопом они напоминают простейшие водоросли.

Дж. Бернал считает, что жизнь возникла буквально в грязи, точнее в иле, в глинистой мути небольших спокойных лагун. Аминокислоты в таких средах полимеризуются быстро и без нагревания.

Заметим, что аминокислоты и азотистые основания найдены также в метеоритах. Более того, органические молекулы в последние годы, как уже говорилось, обнаружены также и в межзвездном пространстве. Простейшие соединения углерода обнаружены и в лунных породах.

Из этого видно, что основные структурные блоки белковых веществ широко распространены во Вселенной.

Порфирины могут образоваться под действием ультрафиолетового излучения, которое свободно проникает через атмосферу, лишенную озона (продукта свободного кислорода), в смесях формальдегида, аммиака и воды — продуктов, которые имеются в головах комет.

Таким образом, мы видим, что первый этап химической добиогенной эволюции природа решает сравнительно просто.

В дальнейшем под действием солнечной радиации из образовавшихся структурных элементов без фотосинтеза начинают возникать простейшие органические вещества — аналоги белков и нуклеиновых кислот. Ученые в лабораторных условиях предприняли много попыток с целью получения таких веществ искусственным путем. В итоге удалось получить некоторое подобие этих веществ. Однако белками их назвать нельзя. От истинно биогенных белков, производимых природой, они отличаются, неупорядоченностью блоков в полимерной цепи. Созданные таким образом абиогенные белки вполне годились для употребления в качестве пищи для бактерий и грызунов.

Если структурные блоки (аминокислоты и азотистые основания) — своеобразные «кирпичики» всего живого — сравнить с буквами, нанесенными на кубики, то природа из букв-кубиков умеет собирать слова, фразы и целые предложения, а в условиях лаборатории только научились из этих кубиков составлять беспорядочные наборы букв.

Другими словами, природа с этими буквами может поступать, как обученный грамоте человек, а лабораторная практика пока находится на уровне младенца, беспорядочно составляющего кубики.

До сих пор не удается получить нуклеиновые кислоты ДНК — эти невероятно сложные двойные спирали. Как видим, задача по реализации второго этапа добиогенной эволюции оказалась весьма сложной.

Сейчас главной задачей, стоящей перед исследователями, является создание биогенных белков и нуклеиновых кислот на основе выбора из множества условий какой-то их очередности и совокупности, чтобы блоки могли «выстраиваться» в определенный строй. Большую помощь при этом может оказать моделирование на ЭВМ.

Древнейшие самовоспроизводящие формы жизни — эобионты — возникли спустя примерно 350 млн. лет после формирования Земли с твердой литосферой. Это произошло, как показал академик Б. С. Соколов, 4,25 млрд. лет тому назад. Питались они органическими веществами в бескислородной атмосфере. Параллельно с ними, а возможно, и раньше, возникли автотрофные организмы, пищей которых служили различные неорганические вещества. В результате их деятельности стал образовываться кислород. Такие организмы пока найдены лишь в породах возрастом 4,0—3,5 млрд. лет.

Парафины, образующиеся в первый этап химической эволюции под действием ультрафиолетового излучения, обладают удивительным свойством самокатализа: появившись, они резко ускоряют процесс появления себе подобных молекул. В итоге они стали лавинообразно распространяться по всей Земле. В дальнейшем эти вещества пошли на построение хлорофилла растений и красного тема крови животных.

На химическую эволюцию природа потратила примерно 0,5 млрд. лет. За это время она путем перебора различных вариантов нашла правильный путь к упорядоченной комбинации первичных блоков. В результате появились биогенные белки, кислоты ДНК и РНК и возникшие на их основе простейшие существа — одноклеточные и более сложные организмы, способные к самовоспроизведению.

Органические соединения абиогенного происхождения, по мысли А. И. Опарина, все интенсивнее насыщали древний океан, формируя «первичный бульон», давший начало биологической жизни на земле.

Атмосфера ко времени примерно 3 млрд. лет тому назад уже стала пригодна для развития в ней простейших живых существ с бескислородным обменом веществ.

Таблица 1

Изменение содержания кислорода и углекислого газа в атмосфере в различные геологические эпохи в долях от современного и в вес (по М. Руттену)

Ко времени зарождения жизни на Земле основными компонентами атмосферы были те же, что и в настоящее время. О характере изменения основных компонентов атмосферы (кислорода и углекислоты) в различные геологические эпохи можно судить по данным табл. 1. Концентрация углекислоты в начальный период развития Земли (4 млрд. лет назад) взята условно. Приближенно оценены ее концентрации и в последующие периоды. Во время каждого горообразовательного цикла интенсивность вулканической деятельности возрастала. В результате атмосфера пополнялась углекислотой. В последующем она растворялась в воде и в виде карбонатных осадков выпадала на дно водоемов. Наиболее древние карбонаты датируются нижним протерозоем (2,6—1,9 млрд. лет назад). В более молодых отложениях количество карбонатов возрастает.

Р. Е. Фолинсби (1971) на основе изучения условий образования осадочных пород пришел к заключению, что ко времени 2,2 млрд. лет в атмосфере уже имелось достаточное количество свободного кислорода, что не противоречит данным М. Руттена. Ко времени 2,15 млрд. лет назад углеводородная атмосфера Земли полностью окислилась. Основным компонентом атмосферы стал азот. Однако концентрация кислорода в атмосфере с этого времени начинает постепенно возрастать. Температура поверхности снизилась до 6° С, свыше 10% поверхности Земли покрылось ледниками, облачность атмосферы уменьшилась до 30%. Через 350 млн. лет на Земле наступила новая волна похолодания — свыше 10% поверхности вновь покрылось льдом. Если бы Земля находилась на 2 млн. км дальше от Солнца, то температура ее поверхности упала бы еще на 1° С. Тогда планета полностью оледенела бы, жизнь на ней не смогла бы возникнуть. В итоге Землю постигла бы участь Марса. Однако наша планета оказалась в оптимальных условиях — и на ней возникла жизнь. Таким образом, жизнь может возникать только на тех планетах, которые располагаются от своих солнц лишь в своеобразных «жизне-производящих оазисах».

3. Биологическая эволюция

Интенсивное развитие живых организмов ввело в действие механизм фотосинтеза

С0₂ + Н₂О = НСОН + О₂.

Этот процесс связан с действием хлорофилла. В итоге атмосфера постепенно стала обогащаться кислородом О₂ и озоном О₃.

Озон обладает интересной особенностью. Он поглощает ультрафиолетовое излучение, которое особенно губительно для хлорофилла. Однако, когда хлорофилл вступил в действие, он сам для себя и выработал защиту от этого излучения. Таким образом, видно, что ультрафиолет, необходимый на ранней истории создания «строительного материала», губителен для самой жизни. Подобной атмосфера стала при концентрации в ней кислорода на уровне 0,01 современного. Такая концентрация удерживалась в течение 2,7—1,7 млрд. лет назад. Если до этого периода микроорганизмы усваивали кислород за счет брожения, то в этот период они его начинают получать за счет дыхания. Жизнь, таким образом, постепенно начинает завоевывать водоемы, особенно пресноводные.

Роль фотосинтеза в современную эпоху огромна. Так, например, все живые существа биосферы за год усваивают углерод в количестве 1 • 10¹¹ т, что эквивалентно использованию за это время 3,65 • 10¹¹ т углекислоты и 1,5 • 10¹¹ т воды. За счет этого процесса в атмосферу ежегодно поступает 266 млрд. т кислорода.

Основными поставщиками кислорода являются лес и водоросли. Лес поставляет свыше 50% кислорода. Однако количество леса катастрофически убывает. Сегодня 66% всех лесов на Земле уже истреблено.

Водные и земные растения в настоящее время в течение 6—7 лет способны поглощать углекислый газ, содержащийся в современной атмосфере. За счет фотосинтеза весь свободный кислород атмосферы способен обновиться в течение 4000 лет. Если исходить из общей массы воды 1,44 • 10¹⁸ т, всей углекислоты 2,33 • 10¹² т и кислорода — 1,18 • 10⁵ т в атмосфере, то нетрудно показать, что вся масса воды за счет фотосинтеза может перерабатываться в течение 10 млн. лет. За всю же историю жизни на Земле (3,2 млрд. лет) вся вода Мирового океана прошла через биогенный цикл не менее 300 раз, а свободный кислород обновился 800 тыс. раз. Эти расчеты получены исходя из современных условий развития жизни. Учет исторического аспекта проблемы, естественно, дал бы иные цифры. Но это трудно сделать.

Гибель организмов ведет к разложению органических веществ за счет окисления, гниения и т. д. В итоге образуются углекислота и вода. Этот процесс обратен фотосинтезу, но происходит одновременно с ним. В итоге оба процесса можно представить в такой форме:

В биосфере Земли оба процесса находятся в состоянии динамического равновесия. В итоге количество биомассы все время поддерживается на определенном уровне. В разные эпохи уровень, очевидно, был различен.

Подтверждением того, что первые живые существа зародились примерно 3,2—3,6 млрд. лет назад, служат ископаемые останки организмов и биогенных химических соединений, находимых в древнейших толщинах горных пород. Самые древние химические соединения биогенного происхождения — одноклеточные водоросли возрастом 3,8 млрд. лет — найдены в кварцитах Гренландии. В СССР в породах аналогичного возраста в Одесской обл. обнаружены железобактерии, нитевидные образования и синезеленые водоросли клеточного строения. Подобные водоросли найдены и в центральной Австралии. Железобактерии возрастом 2,7 млрд. лет обнаружены в железоносных образованиях в США — формации Соуден на северо-востоке штата Миннесота и в Канаде — формации Ганфлит (у озера Верхнего). В ископаемых известняках такого же возраста Южной и Центральной Африки найдены отпечатки примитивных водных растений. Микроорганизмы, напоминающие современные синезеленые водоросли, возрастом в 1,9 млрд. лет найдены в указанной выше железоносной формации Ганфлит, но уже в районе оз. Онтарио (США). Остатки морских водорослей и грибов возрастом в 1,5 млрд. лет обнаружены на территории США в глинистых сланцах Нансач в районе оз. Верхнего и т. д.

Рассматриваемые синезеленые водоросли, развивавшиеся в прибрежной полосе морей и океанов путем фотосинтеза активно усваивали растворенный в воде углекислый газ и выделяли свободный кислород. В колониях таких водорослей стали селиться первые морские организмы типа медуз и гидроидных полипов, дышавших кислородом.

Начало биологической эволюции относится пример но к возрасту Земли в 3,2 млрд. лет. Однако еще примерно в течение 2 млрд. лет происходило ее существование добиогенной и биогенной форм жизни. Причем абиогенные молекулы в этот период служили в качестве пищи для биогенных.

Гренвильский горнообразовательный цикл, происшедший примерно 1 млрд. лет тому назад, привел к появлению организмов, потребляющих кислород, и животных.

Существенным этапом в развитии живых организмов стал период перехода от использования энергии процессов ферментивного (анаэробного) брожения к энергетически в 30—50 раз более эффективному окислению при дыхании. Это, по мнению ученых, произошло, когда содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 0,01 современного. Л. Беркнер и Л. Маршалл считают, что такой атмосфера стала в венде — 600 млн. лет назад, т. е. значительно позже, чем дает М. Руттен. Таким образом, после венда в начале фанерозоя и произошел настоящий биологический взрыв.

Появлению новых видов на Земле способствовали изменения гравитационного и радиационного полей, обусловленных прохождением Солнца и Земли вблизи центра нашей Галактики. Кроме того, на развитие жизни влияло изменение магнитного поля Земли, способствовавшее проникновению к дневной поверхности повышенных доз космической радиации. Это приводило к мутации (наследственным изменениям) живых организмов, В период изменения магнитного поля Земли (примерно в течение 5000 лет) нарушался озонный экран и к мутационным факторам присоединялся ультрафиолет.

Заключение

Жизнь как одна из форм движения материи должна возникать всякий раз, когда для этого создаются надлежащие условия в том или ином пункте Вселенной. Современные астрономические данные убедительно показывают, что и сейчас в различных уголках нашего звездного мира образуются новые звезды и новые планетные системы. Нет сомнения, что на многих из этих планет процесс развития материи идет аналогично тому, как это происходило у нас на Земле, и таким образом на них должно происходить возникновение жизни.

Мы повседневно наблюдаем рождение живых существ. Живое возникает и сейчас, но только через посредство живого. При этом весьма существенно то, что возникновение живых существ этим путем происходит на очень высокой ступени развития материи. С возникновением жизни, обмена веществ, возник новый путь синтеза, новый, чрезвычайно совершенный метод построения живого. Этого до возникновения жизни, очевидно, быть не могло и поэтому развитие материи от неживого к живому шло тогда изложенными нами выше извилистыми и медленными путями: сначала, в течение многих сотен миллионов лет, возникали органические вещества, затем они превращались в высокомолекулярные полимеры, далее образовывались индивидуальные многомолекулярные системы и только в результате направленной эволюции этих последних возникали первичные примитивные организмы — простейшие формы жизни.

Но когда это произошло, возникновение живого из безжизненного материала стало осуществляться в гигантских масштабах, с чрезвычайным совершенством — так, как мы повсеместно .и повседневно наблюдаем это и сейчас.

Конечно, в каких-либо уголках нашей планеты, где почему-либо отсутствуют организмы, но имеются подходящие для жизни условия, может быть, и сейчас идет процесс первичного формирования жизни, но для того, чтобы принимать такую возможность, этот процесс прежде всего нужно фактически обнаружить в природных условиях, а это пока еще никому не удалось сделать. Представляется гораздо более перспективным для решения проблемы происхождения жизни изучение тех путей превращения неживого в живое, которые заключены в обмене веществ. Именно детальное изучение процессов обмена позволит нам подойти к разрешению вопроса об искусственном его воспроизведении. Изучив ту высокую форму организации материи, которая свойственна живым телам, мы сможем гораздо более совершенным путем, чем тот, которым шла природа, гораздо более быстрыми темпами синтезировать жизнь. Можно быть уверенным, что это дело уже не такого отдаленного будущего.

Список литературы

1. Опарин А.И. Возникновение жизни на земле. – М.: Изд-во Академии наук СССР, 1957.

2. Руттен М. Происхождение жизни. – М.: Мир, 1973.

3. Филиппов Е.М. Вселенная, земля жизнь. – К.: Наукова думка, 1983.

4. Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум. – М. Наука, 1987.

Другие похожие работы

1. Ответы на вопросы по аудиту
2. Задача по аудиту, вариант 10
3. Аудит кассы и кассовых операций (РАП)
4. Аудит. Практические задания
5. Аудит. Ситуационная задача