Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии в данной новости.
Категория: Рефераты
Тема №38: «Естественнонаучные модели происхождения жизни
Вначале в науке вообще не существовало проблемы возникновения жизни. Допускалась возможность постоянного зарождения живого из неживого. Великий Аристотель (IV в. до н.э.) не сомневался в самозарождении лягушек, мышей. В III в. н. э. философ Плотин (ярко выраженный идеалист) говорил о са¬мозарождении живых существ из земли в процессе гниения. В XVII в. голландский ученый Я.Б.Ван-Гельмонт составлял рецепты получения мышей из пшеницы и загрязненного потом белья. В.Гарвей, Р.Декарт, Г.Галилей, Ж.Б.Ламарк, Г.Ге¬гель тоже придерживались мысли о постоянно осуществляю¬щемся самопроизвольном зарождении живого из неживого.
Но с XVII в. стали накапливаться данные против такого понимания. В 1668 г. тосканский врач Франческо Реди дока¬зал, что белые черви в гниющем мясе есть не что иное, как личинки мух. Через 100 лет итальянец Л.Спаллацани и рус¬ский М.Тереховский поставили под сомнение представления о самозарождении микроорганизмов. Окончательно же ученые отказались от подобных представлений лишь во второй полови¬не XIX в. В 1862 г. Луи Пастер убедительными опытами дока¬зал невозможность самопроизвольного зарождения простейших организмов в современных условиях и утвердил принцип «все живое из живого».
После этого одни ученые поставили вопрос об историчес¬ком возникновении жизни в первобытных условиях Земли, дру¬гие же склонились к тому, что жизнь на нашей планете никог¬да не зарождалась, а была занесена на нее из Космоса, где она существует вечно. Однако такой подход просто снимает про¬блему возникновения жизни. Существует также точка зрения, что жизнь возникла чисто случайно и совершенно внезапно. Американский генетик Г.Меллер (лауреат Нобелевской пре¬мии) допускает, что живая молекула, способная размножать¬ся, могла возникнуть вдруг, случайно в результате взаимодей¬ствия простейших веществ. Он считает, что элементарная еди¬ница наследственности — ген — является и основой жизни. И жизнь в форме гена, по его мнению, возникла путем слу¬чайного сочетания атомных группировок и молекул, существо¬вавших в водах первичного океана. Но подсчеты показывают невероятность такого события. Трудно рассчитывать получить одну молекулу РНК вируса табачной мозаики за 109 лет даже в том случае, если бы весь Космос представлял собой реагирующую смесь нуклеотидов, входящих в РНК. Большинство уче¬ных отказалось от такого предположения.
Ф.Энгельс одним из первых высказал мысль, что жизнь возникла не внезапно, а сформировалась в ходе длительной эволюции материи. Эволюционная идея положена в основу гипотезы сложного, многоступенчатого пути развития материи, предшествовавшего зарождению жизни на Земле, выдвинутой А.И. Опариным в 1924 г. и английским исследователем Дж. Холдейном в 1929 г.
По проблеме происхождения жизни широко известна гипотеза А.И.Опарина о коацерватной стадии в процессе возникновения жизни.
Коацерваты — это комплексы коллоидных частиц. Они мо¬гут возникать, например, из комплексных солей кобальта, кремнекислого натрия и нашатырного спирта, в растворе ацетилцеллюлозы, в хлороформе или бензоле, при смешивании растворов различных белков. Такой раствор, как правило, раз¬деляется на два слоя — слой, богатый коллоидными частица¬ми, и жидкость, почти свободную от них. В некоторых случа¬ях коацерваты образуются в виде отдельных капель, видимых под микроскопом. Для их образования необходимо присутствие в растворе нескольких (хотя бы двух) разноименно заряженных высокомолекулярных веществ. Поскольку в водах первичного океана это условие было соблюдено, образование в нем коа-церватов могло быть реальным.
А.И.Опарин предположил, что в массе коацерватных ка¬пель должен был идти отбор наиболее устойчивых в существо¬вавших условиях. Многие миллионы лет шел процесс есте¬ственного отбора коацерватных капель. Сохранялась лишь нич¬тожная их часть. Способность к избирательной адсорбции по¬степенно преобразовалась в устойчивый обмен веществ. Вмес¬те с этим в процессе отбора оставались лишь те капли, которые при распаде на дочерние сохраняли особенности своей струк¬туры, т.е. приобретали свойство самовоспроизведения — важ¬нейшего признака жизни. По достижении этой стадии коацерватная капля превратилась в простейший живой организм. Коацерватные капли были местом встречи и взаимодействия до этого независимо возникавших простых белков, нуклеиновых кис¬лот, полисахаридов и липидов.
Отдельная молекула, даже очень сложная, не может быть живой. Ученые считают, что первоначально на молекулярном уровне могли возникать лишь белково- и нуклеино-подобные полимеры, лишенные какой-либо биологической целесообраз¬ности своего строения. Только при объединении этих полиме¬ров в многомолекулярные фазовообособленные системы могло возникнуть взаимосогласование их структур и биологическое функционирование новых целостных систем. Это значит, что не разрозненные части определяют собой организацию целого, а целое, продолжая эволюционировать, обусловливает целесо¬образность строения частей. Где-то на той же стадии возникает и естественный отбор, способствующий сохранению наиболее совершенных и целесообразных структур. Здесь много неясно¬го, но в трудах ведущих синергетиков И.Пригожина и М.Эйгена и многих других ученых дается все более обосновываемая картина действия отбора на высокомолекулярном и надмолекулярном уровнях.
Гипотеза А.И.Опарина способствовала конкретному изуче¬нию происхождения простейших форм жизни. Она положила начало физико-химическому моделированию процессов обра¬зования молекул аминокислот, нуклеиновых оснований, угле¬водородов в условиях предполагаемой первичной атмосферы Земли. После работ немецкого исследователя С.Мюллера и других стало известно, что под воздействием физических излу¬чений эти биоорганические молекулы могут образовываться в самых различных смесях, содержащих водород, азот, аммиак, воду, углекислый газ, метан, синильную кислоту и т.п.
Имеется ли этот исходный материал в реальном космичес¬ком пространстве? Сейчас установлено наличие в межзвездной среде облаков пыли и газа, в которых обнаружены многие неорганические молекулы Н2О, NH3, SO, SiO, H2S и т.д. Осо¬бенно показательно присутствие в космосе таких органических соединений, как формальдегид, цианацетилен, ацетальдегид, формамид, метилформиат. Сенсацией явилось открытие кос¬мических облаков этилового спирта с температурой 200 К и с концентрацией молекул 1012-1013 в 1 см3. Подобные соедине¬ния близки к биоорганическим молекулам или легко могут пре¬вратиться в них. Таким образом, достоверно установлено, что в космосе имеются необходимые компоненты для синтеза бо¬лее сложных соединений, важных для формирования белков, углеводов, нуклеиновых полимеров и липидов.
Следующие, более сложные звенья эволюционной цепочки обнаружены при изучении вещественного состава метеоритов и лунных пород, доставленных космическим аппаратом. В них обнаружены аминокислоты, алифатические и ароматические углеводороды, предшественники нуклеиновых кислот — аденин и гуанин, порфирин — простейший химический предше¬ственник хлорофилла. И на земле, в древних отложениях с возрастом порядка сотен миллионов и нескольких миллиардов лет, обнаружено множество органических соединений, кото¬рые подсказывают возможные пути возникновения жизни (ами¬нокислоты, углеводороды, порфирины и др.).
Обращает на себя внимание следующий факт. В нашей га¬лактике наиболее распространены водород, углерод, азот, кис¬лород, составляющие основу живого. В земной же коре, в лунных породах и метеоритах их очень мало, а преобладают здесь кремний, алюминий, железо. Для первой, космической группы элементов характерна молекулярная форма существования и склонность к флюидному, текучему состоянию (жидкость, газ). Для планетарной группы элементов типично твердое агрегат¬ное состояние в виде бесконечных кристаллических структур, в которых невозможно выделить отдельные молекулы.
Мертвые, застывшие, окаменевшие пространства Луны, Меркурия, Марса — результат утраты ими подвижных флюид¬ных элементов, осуществляющих транспортировку вещества и энергии. На Земле до сих пор продолжаются более активные химические процессы. И это благодаря остаткам флюидной группы элементов: наличию значительного количества воды, метана, аммиака, других газов и жидкостей в атмосфере, гидросфере, в твердой коре и глубинных породах, откуда лег¬кие соединения выделяются в форме вулканических газов или в виде общего газового обмена планеты и окружающей части космоса. Химическая эволюция на поверхности планет реали¬зуется тогда, когда энергия звездного излучения может превра¬титься в энергию возбуждения молекулярных структур. Поэто¬му решающим условием зарождения жизни на Земле явился фотосинтез.
Возраст нашей Земли более 4 млрд лет, а следы остатков древних организмов насчитывают 3,2—3,8 млрд лет. Если сей¬час в атмосфере Земли 78% азота и 21% кислорода, то более 3 млрд лет назад в атмосфере Земли свободного кислорода прак¬тически не было. Тогда температура поверхности Земли была намного выше современной, а атмосфера состояла из паров воды и примеси вулканических газов (азота, углекислого газа, аммиака, метана и др.). Единственным источником ничтож¬ных количеств кислорода были реакции фотодиссоциации мо¬лекул воды в верхних частях атмосферы под воздействием сол¬нечной радиации. Около 3 млрд. лет назад на Земле пошли энер¬гичные процессы окисления за счет кислорода, источником которого явились фотосинтезирующие живые организмы. Ак¬тивность биосферы в конечном счете и определила современ¬ный состав атмосферы Земли. Первые достоверные следы жизни обнаружены в отложениях, возраст которых около 3 млрд. лет. К ним относятся следы, оставшиеся от сине-зеленых водорос¬лей в известняках Южной Африки, остатки организмов в пес¬чаниках Канады. Но им предшествовали более древние и при¬митивные формы жизни, а еще ранее — стадии предбиологической и химической эволюции.
Вначале в науке вообще не существовало проблемы возникновения жизни. Допускалась возможность постоянного зарождения живого из неживого. Великий Аристотель (IV в. до н.э.) не сомневался в самозарождении лягушек, мышей. В III в. н. э. философ Плотин (ярко выраженный идеалист) говорил о са¬мозарождении живых существ из земли в процессе гниения. В XVII в. голландский ученый Я.Б.Ван-Гельмонт составлял рецепты получения мышей из пшеницы и загрязненного потом белья. В.Гарвей, Р.Декарт, Г.Галилей, Ж.Б.Ламарк, Г.Ге¬гель тоже придерживались мысли о постоянно осуществляю¬щемся самопроизвольном зарождении живого из неживого.
Но с XVII в. стали накапливаться данные против такого понимания. В 1668 г. тосканский врач Франческо Реди дока¬зал, что белые черви в гниющем мясе есть не что иное, как личинки мух. Через 100 лет итальянец Л.Спаллацани и рус¬ский М.Тереховский поставили под сомнение представления о самозарождении микроорганизмов. Окончательно же ученые отказались от подобных представлений лишь во второй полови¬не XIX в. В 1862 г. Луи Пастер убедительными опытами дока¬зал невозможность самопроизвольного зарождения простейших организмов в современных условиях и утвердил принцип «все живое из живого».
После этого одни ученые поставили вопрос об историчес¬ком возникновении жизни в первобытных условиях Земли, дру¬гие же склонились к тому, что жизнь на нашей планете никог¬да не зарождалась, а была занесена на нее из Космоса, где она существует вечно. Однако такой подход просто снимает про¬блему возникновения жизни. Существует также точка зрения, что жизнь возникла чисто случайно и совершенно внезапно. Американский генетик Г.Меллер (лауреат Нобелевской пре¬мии) допускает, что живая молекула, способная размножать¬ся, могла возникнуть вдруг, случайно в результате взаимодей¬ствия простейших веществ. Он считает, что элементарная еди¬ница наследственности — ген — является и основой жизни. И жизнь в форме гена, по его мнению, возникла путем слу¬чайного сочетания атомных группировок и молекул, существо¬вавших в водах первичного океана. Но подсчеты показывают невероятность такого события. Трудно рассчитывать получить одну молекулу РНК вируса табачной мозаики за 109 лет даже в том случае, если бы весь Космос представлял собой реагирующую смесь нуклеотидов, входящих в РНК. Большинство уче¬ных отказалось от такого предположения.
Ф.Энгельс одним из первых высказал мысль, что жизнь возникла не внезапно, а сформировалась в ходе длительной эволюции материи. Эволюционная идея положена в основу гипотезы сложного, многоступенчатого пути развития материи, предшествовавшего зарождению жизни на Земле, выдвинутой А.И. Опариным в 1924 г. и английским исследователем Дж. Холдейном в 1929 г.
По проблеме происхождения жизни широко известна гипотеза А.И.Опарина о коацерватной стадии в процессе возникновения жизни.
Коацерваты — это комплексы коллоидных частиц. Они мо¬гут возникать, например, из комплексных солей кобальта, кремнекислого натрия и нашатырного спирта, в растворе ацетилцеллюлозы, в хлороформе или бензоле, при смешивании растворов различных белков. Такой раствор, как правило, раз¬деляется на два слоя — слой, богатый коллоидными частица¬ми, и жидкость, почти свободную от них. В некоторых случа¬ях коацерваты образуются в виде отдельных капель, видимых под микроскопом. Для их образования необходимо присутствие в растворе нескольких (хотя бы двух) разноименно заряженных высокомолекулярных веществ. Поскольку в водах первичного океана это условие было соблюдено, образование в нем коа-церватов могло быть реальным.
А.И.Опарин предположил, что в массе коацерватных ка¬пель должен был идти отбор наиболее устойчивых в существо¬вавших условиях. Многие миллионы лет шел процесс есте¬ственного отбора коацерватных капель. Сохранялась лишь нич¬тожная их часть. Способность к избирательной адсорбции по¬степенно преобразовалась в устойчивый обмен веществ. Вмес¬те с этим в процессе отбора оставались лишь те капли, которые при распаде на дочерние сохраняли особенности своей струк¬туры, т.е. приобретали свойство самовоспроизведения — важ¬нейшего признака жизни. По достижении этой стадии коацерватная капля превратилась в простейший живой организм. Коацерватные капли были местом встречи и взаимодействия до этого независимо возникавших простых белков, нуклеиновых кис¬лот, полисахаридов и липидов.
Отдельная молекула, даже очень сложная, не может быть живой. Ученые считают, что первоначально на молекулярном уровне могли возникать лишь белково- и нуклеино-подобные полимеры, лишенные какой-либо биологической целесообраз¬ности своего строения. Только при объединении этих полиме¬ров в многомолекулярные фазовообособленные системы могло возникнуть взаимосогласование их структур и биологическое функционирование новых целостных систем. Это значит, что не разрозненные части определяют собой организацию целого, а целое, продолжая эволюционировать, обусловливает целесо¬образность строения частей. Где-то на той же стадии возникает и естественный отбор, способствующий сохранению наиболее совершенных и целесообразных структур. Здесь много неясно¬го, но в трудах ведущих синергетиков И.Пригожина и М.Эйгена и многих других ученых дается все более обосновываемая картина действия отбора на высокомолекулярном и надмолекулярном уровнях.
Гипотеза А.И.Опарина способствовала конкретному изуче¬нию происхождения простейших форм жизни. Она положила начало физико-химическому моделированию процессов обра¬зования молекул аминокислот, нуклеиновых оснований, угле¬водородов в условиях предполагаемой первичной атмосферы Земли. После работ немецкого исследователя С.Мюллера и других стало известно, что под воздействием физических излу¬чений эти биоорганические молекулы могут образовываться в самых различных смесях, содержащих водород, азот, аммиак, воду, углекислый газ, метан, синильную кислоту и т.п.
Имеется ли этот исходный материал в реальном космичес¬ком пространстве? Сейчас установлено наличие в межзвездной среде облаков пыли и газа, в которых обнаружены многие неорганические молекулы Н2О, NH3, SO, SiO, H2S и т.д. Осо¬бенно показательно присутствие в космосе таких органических соединений, как формальдегид, цианацетилен, ацетальдегид, формамид, метилформиат. Сенсацией явилось открытие кос¬мических облаков этилового спирта с температурой 200 К и с концентрацией молекул 1012-1013 в 1 см3. Подобные соедине¬ния близки к биоорганическим молекулам или легко могут пре¬вратиться в них. Таким образом, достоверно установлено, что в космосе имеются необходимые компоненты для синтеза бо¬лее сложных соединений, важных для формирования белков, углеводов, нуклеиновых полимеров и липидов.
Следующие, более сложные звенья эволюционной цепочки обнаружены при изучении вещественного состава метеоритов и лунных пород, доставленных космическим аппаратом. В них обнаружены аминокислоты, алифатические и ароматические углеводороды, предшественники нуклеиновых кислот — аденин и гуанин, порфирин — простейший химический предше¬ственник хлорофилла. И на земле, в древних отложениях с возрастом порядка сотен миллионов и нескольких миллиардов лет, обнаружено множество органических соединений, кото¬рые подсказывают возможные пути возникновения жизни (ами¬нокислоты, углеводороды, порфирины и др.).
Обращает на себя внимание следующий факт. В нашей га¬лактике наиболее распространены водород, углерод, азот, кис¬лород, составляющие основу живого. В земной же коре, в лунных породах и метеоритах их очень мало, а преобладают здесь кремний, алюминий, железо. Для первой, космической группы элементов характерна молекулярная форма существования и склонность к флюидному, текучему состоянию (жидкость, газ). Для планетарной группы элементов типично твердое агрегат¬ное состояние в виде бесконечных кристаллических структур, в которых невозможно выделить отдельные молекулы.
Мертвые, застывшие, окаменевшие пространства Луны, Меркурия, Марса — результат утраты ими подвижных флюид¬ных элементов, осуществляющих транспортировку вещества и энергии. На Земле до сих пор продолжаются более активные химические процессы. И это благодаря остаткам флюидной группы элементов: наличию значительного количества воды, метана, аммиака, других газов и жидкостей в атмосфере, гидросфере, в твердой коре и глубинных породах, откуда лег¬кие соединения выделяются в форме вулканических газов или в виде общего газового обмена планеты и окружающей части космоса. Химическая эволюция на поверхности планет реали¬зуется тогда, когда энергия звездного излучения может превра¬титься в энергию возбуждения молекулярных структур. Поэто¬му решающим условием зарождения жизни на Земле явился фотосинтез.
Возраст нашей Земли более 4 млрд лет, а следы остатков древних организмов насчитывают 3,2—3,8 млрд лет. Если сей¬час в атмосфере Земли 78% азота и 21% кислорода, то более 3 млрд лет назад в атмосфере Земли свободного кислорода прак¬тически не было. Тогда температура поверхности Земли была намного выше современной, а атмосфера состояла из паров воды и примеси вулканических газов (азота, углекислого газа, аммиака, метана и др.). Единственным источником ничтож¬ных количеств кислорода были реакции фотодиссоциации мо¬лекул воды в верхних частях атмосферы под воздействием сол¬нечной радиации. Около 3 млрд. лет назад на Земле пошли энер¬гичные процессы окисления за счет кислорода, источником которого явились фотосинтезирующие живые организмы. Ак¬тивность биосферы в конечном счете и определила современ¬ный состав атмосферы Земли. Первые достоверные следы жизни обнаружены в отложениях, возраст которых около 3 млрд. лет. К ним относятся следы, оставшиеся от сине-зеленых водорос¬лей в известняках Южной Африки, остатки организмов в пес¬чаниках Канады. Но им предшествовали более древние и при¬митивные формы жизни, а еще ранее — стадии предбиологической и химической эволюции.
|