Гипотезы о происхождении живого вещества

Теория биохимической эволюции рассматривает коацерваты как предбиологические системы, представляющие собой группы молекул, окруженные водной оболочкой.

Так, например, коацерваты способны поглощать вещества из окружающей среды, вступать во взаимодействие друг с другом, увеличиваться в размерах и т.д. Однако в отличие от живых существ коацерватные капли не способны к самовоспроизводству и саморегулированию, поэтому их нельзя отнести к биологическим системам.

Третий этап - формирование способности к самовоспроизводству, появление живой клетки. В этот период начал действовать естественный отбор, т.е. в массе коацерватных капель происходил отбор коацерватов, наиболее устойчивых к данным условиям среды. Процесс отбора шел также в течение многих миллионов лет. Сохранившиеся коацерватные капли уже обладали способностью к первичному метаболизму - главному свойству жизни.

Вместе с тем, достигнув определенных размеров, материнская капля распадалась на дочерние, сохраняющие особенности материнской структуры.

Таким образом, можно говорить о приобретении коацерватами свойства самовоспроизводства - одного из важнейших признаков жизни. По сути дела, на этой стадии коацерваты превратились в простейшие живые организмы.

Дальнейшая эволюция этих предбиологических структур была возможна только при усложнении обменных процессов внутри коацервата.

Внутренняя среда коацервата нуждалась в защите от воздействий окружающей среды. Поэтому вокруг коацерватов, богатых органическими соединениями, возникли слои липидов, отделившие коацерват от окружающей его водной среды. В процессе эволюции липиды трансформировались в наружную мембрану, что значительно повысило жизнеспособность и устойчивость организмов.

Появление мембраны предопределило направление дальнейшей биологической эволюции по пути все более совершенной авторегуляции, завершившейся образованием первичной клетки - археклетки.

Клетка - элементарная биологическая единица, структурно - функциональная основа всего живого. Клетки осуществляют самостоятельный обмен веществ, способны к делению и саморегулированию, т.е. обладают всеми свойствами живого. Образование новых клеток из неклеточного материала невозможно, размножение клеток происходит только благодаря делению. Органическое развитие рассматривается как универсальный процесс клеткообразования.

В структуре клетки выделяют: мембрану, отграничивающую содержимое клетки от внешней среды; цитоплазму, представляющую собой соляной раствор с растворимыми и взвешенными ферментами и молекулами РНК; ядро, содержащее хромосомы, состоящие из молекул ДНК и присоединенных к ним белков.

Следовательно, началом живого вещества следует считать возникновение стабильной самовоспроизводящейся органической системы (клетки) с постоянной последовательностью нуклеотидов. Только после возникновения таких систем можно говорить о начале биологической эволюции.

Возможность абиогенного синтеза биополимеров была экспериментально доказана в середине XX в.

 В 1953 г. молодой американский исследователь, студент-дипломник Чикагского университета Стенли Миллер воспроизвел в стеклянной колбе с впаянными в нес электродами первичную атмосферу Земли, которая, по мнению ученых того времени, состояла из водорода метана СН4, аммиака NH3, и паров воды Н2О (рисунок 2). Через эту газовую смесь С. Миллер в течение недели пропускал электрические разряды, имитирующие грозовые. По окончании эксперимента в колбе были обнаружены α-аминокислоты (глицин, аланин, аспарагин, глутамин), органические кислоты (янтарная, молочная, уксусная, гликоколевая), γ-оксимасляная кислота и мочевина. При повторении опыта С. Миллеру удалось получить отдельные нуклеотиды и короткие полинуклеотидные цепочки из пяти-шести звеньев.

Рисунок 2 – Установка С. Миллера

В дальнейших опытах по абиогенному синтезу, проводимых различными исследователями, использовались не только электрические разряды, но и другие виды энергии, характерные для древней Земли, - космическое, ультрафиолетовое и радиоактивное излучения, высокие температуры, присущие вулканической деятельности, а также разнообразные варианты газовых смеси, имитирующих первичную атмосферу. В результате таких экспериментов был получен практически весь спектр органических молекул, характерных для живого: аминокислоты, нуклеотиды, жироподобные вещества, простые сахара, органические кислоты.

Более того, абиогенный синтез органических молекул может происходить на Земле и в настоящее время (например, в процессе вулканической деятельности). При этом в вулканических выбросах можно обнаружить не только синильную кислоту HCN, являющуюся предшественником аминокислот и нуклеотидов, но и отдельные аминокислоты, нуклеотиды и даже такие сложные по строению органические вещества, как порфирины. Абиогенный синтез органических веществ возможен не только на Земле, но и в космическом пространстве. Простейшие аминокислоты обнаружены в составе метеоритов и комет.

В результате этих экспериментов было продемонстрировано, как под воздействием абиогенных факторов возможен синтез сложных органических соединений.

Несмотря на теоретическую и экспериментальную обоснованность, концепция Опарина имеет как сильные, так и слабые стороны.

Сильной стороной концепции является достаточно точное эспериментальное обоснование химической эволюции, согласно которой зарождение жизни является закономерным результатом предбиологической эволюции материи. Убедительным аргументом в пользу этой концепции является также возможность экспериментальной проверки ее основных положений.

Слабой стороной концепции является невозможность объяснения самого момента скачка от сложных органических соединений к живым организмам.

Одну из версий перехода от предбиологической к биологической эволюции предлагает немецкий ученый М. Эйген. Согласно его гипотезе возникновение жизни объясняется взаимодействием нуклеиновых кислот и протеинов. Нуклеиновые кислоты являются носителями генетической информации, а протеины служат катализаторами химических реакций. Нуклеиновые кислоты воспроизводят себя и передают информацию протеинам. Возникает замкнутая цепь - гиперцикл, в котором процессы химических реакций самоускоряются за счет присутствия катал и заторов [8].

В гиперциклах продукт реакции одновременно выступает и катализатором, и исходным реагентом. Подобные реакции называются автокаталитическими.

Другой теорией, в рамках которой можно объяснить переход от предбиологической эволюции к биологической, является синергетика. Закономерности, открытые синергетикой, позволяют прояснить механизм возникновения органической материи из неорганической в терминах самоорганизации через спонтанное возникновение новых структур в ходе взаимодействия открытой системы с окружающей средой.

В современной науке принята гипотеза абиогенного (небиологического) происхождения живого вещества под действием естественных причин в результате длительного процесса космической, геологической и химической эволюции - абиогенеза, основой которой явилась гипотеза академика А. И. Опарина. Абиогенезная концепция не исключает возможности существования живого вещества в космосе и космического происхождения жизни на Земле.

Однако, исходя из современных достижений науки, к гипотезе А.И. Опарина напрашиваются следующие уточнения.

Живое вещество не могло возникнуть на поверхности (или около нее) воды Океана, поскольку в те далекие времена Луна находилась много ближе к Земле, чем в настоящее время. Приливные волны должны были быть огромной высоты, большой разрушительной силы. Протобионты в этих условиях просто не могли образоваться.

Из-за отсутствия озонового слоя под воздействие жесткого ультрафиолетового излучения протобионты так же не могли существовать. Это говорит о том, что жизнь могла появиться только в толще воды.

Из-за особых условий живое вещество могло появиться только в воде первичного Океана, но не на поверхности, а на дне в тонких пленках органического вещества, адсорбированного поверхностями кристаллов пирита и апатитов, видимо, около геотермальных источников. Поскольку, установлено, что органические соединения образуются в продуктах извержения вулканов, а вулканическая деятельность под Океаном в древности была весьма активной. Растворенного кислорода в древнем Океане, способного окислить органические соединения, не было.

Сегодня считается, что протобионты представляли собой молекулы РНК, но не ДНК, так как доказано, что процесс эволюции шел от РНК к белку, а затем к образованию молекулы ДНК, у которой С-Н связи были более прочными, чем С-ОН связи у РНК. Однако понятно, что молекулы РНК не могли возникнуть в результате плавного эволюционного развития. Вероятно, имел место скачек со всеми чертами самоорганизации вещества, механизм которого к настоящему времени не ясен.

Первичная биосфера в толще воды, вероятно, была представлена богатым функциональным разнообразием. И первое появление жизни должно было произойти не в виде какого-то одного вида организма, а в совокупности организмов. Сразу должны были появиться многие первичные биоценозы. Они состояли из простейших одноклеточных организмов, способных выполнять все без исключения функции живого вещества в биосфере.

Эти простейшие организмы были гетеротрофами (питались готовыми органическими соединениями), были прокариотами (организмами без ядра), были анаэробами (использовали дрожжевое брожение как источник энергии).

Из-за особых свойств углерода живое вещество появилась именно на этой основе. Однако никакие современные данные не противоречат вероятности появления живого вещества не только на углеродной основе.

 

Заключение

 

Гипотезы о возникновении живого вещества, которое является основой жизни на Земле, которые рассмотрены в данной работе, не дают исчерпывающего ответа на вопрос: Откуда взялась жизнь на Земле?

Например, креационистская гипотеза имеет самую длинную историю, и объясняет, что живое вещество - это акт божественного творения. Свидетельством этого приводят наличие в живых организмах особой силы, «души», управляющей всеми жизненными процессами. Гипотеза креационизма навеяна религиозными воззрениями и к науке отношения не имеет.

Согласно гипотезе стационарного состояния, живое вещество никогда не возникало, а существовала вечно вместе с Землей, отличаясь большим разнообразием живого, а изменение видов связывают с изменением условий жизни на Земле. Эта гипотеза опирается, в основном, на исследования палеонтологии. По своей сущности эта гипотеза не относится к концепциям возникновения живого вещества, поскольку вопрос о его происхождении она принципиально не затрагивает.

Гипотеза самопроизвольного зарождения живого вещества была выдвинута еще в древнем Китае и Индии. Согласно этой гипотезе, живые организмы (низшие) могут появиться путем саморождения из неживого вещества, содержащего некое «активное начало».  Несостоятельность  этой гипотезы была доказана опытами Л.Пастера.

Гипотеза панспермии – о неземном происхождении живого вещества путем занесения «зародышей жизни» из космоса на Землю - допускает возможность происхождения живого вещества в разное время в разных частях Вселенной и переноса ее различными путями на Землю (метеориты, астероиды, космическая пыль).

Концепция панспермии принципиального значения не имеет, поскольку не решает проблемы происхождения живого вещества, а возможно и жизни, а лишь переносит ее за пределы Земли, не раскрывая самого механизма ее образования

Таким образом, ни одна из перечисленных гипотез до настоящего времени не подтверждена надежными экспериментальными исследованиями.

Наиболее доказательно с точки зрения современной науки выглядит пятая гипотеза – гипотеза происхождения живого веещства в историческом прошлом в результате биохимической эволюции - гипотеза А. И. Опарина. Эта гипотеза, по сравнению с другими, имеет как теоретическую, так и экспериментальную обоснованность. Несмотря на это, концепция Опарина имеет как сильные, так и слабые стороны, которые выявляют её несовершенство.

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

 

1. Захаров В.Б. Общая биология: учеб. для 10 кл. общеобразоват. учреждений \ В.Б. Захаров, С.Г.Мамонтов, Н.Н.Сонин. – М.: Дрофа, 2005.

2. Пономарева И.Н., Корнилова  О.Л., Лощилина Т.Е. Общая биология: Учебник для 10 класса общеобразовательных  учреждений / Под ред. проф. И. Н.Пономаревой. – М.: Вентана – Граф, 2004.

3. Лебедев А.Г. Биология. Руководство для подготовки к экзаменам / А.Г. Лебедев. – М.: ООО “Издательство АСТ”: ООО “Издательство АСТРЕЛЬ”, 2004.

4. Лекции курсов Коваленко Г.И., ГОУ ДПО “КРИРО и ПК” г. Сыктывкар, 2010 год.

5. Происхождение и начальные  этапы жизни на Земле. Тематическая  статья. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.grandars.ru/shkola/geografiya/proishozhdenie-zhizni.html

6. Происхождение жизни  на земле. Тематическая статья. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://bip-ip.com/gipotezyi-proishozhdeniya-zhizni/

7. Марков А.А. Рождение сложности. Эволюционная биология сегодня. Неожиданные открытия и новые вопросы. / А.А.Марков. – М.: Издательство Астрель, 2010. – 528 с.