Эволюция на химическом и биологическом уровне. Концепция происхождения жизни на Земле

Затем образуются микросферы – шаровидные тела, возникающие при растворении и конденсации абиогенно полученных белковоподобных веществ.

В подтверждение возможности абиогенного синтеза были проведены следующие опыты. Воздействуя смесь газов электрическими зарядами, имитирующими молнию, и ультрафиолетовым излучением, ученые получали сложные органические вещества, входящие в состав живых белков.

Органические соединения, играющие большую роль в обмене веществ, были искуствено получены при облучении водных растворов углекислоты. Американский ученый С. Миллер в 1953 году синтезировал ряд аминокислот при пропускании электрического заряда через смесь газов, предположительно составляющих земную атмосферу. Были синтезированы и простые нуклеиновые кислоты. Этими экспериментами было доказано, что абиогенное образование органических соединений во Вселенной могло происходить в результате воздействия тепловой энергии, ионизирующего и ультрафиолетового излучений и электрических разрядов. Первичным источником этих форм энергии служат термоядерные процессы, протекающие в недрах Земли.

          Как показывает синергетика, энергия имела для возникновения жизни не меньшее значения, чем вещество.     Разумно предположить, считает                     И. Пригожин, что некоторые из первых стадий эволюции к жизни были связаны с возникновением механизмов, способных поглощать и трансформировать химическую энергию, как бы выталкивая систему в сильно неравновесные условия. Неравновесные структуры – переход к живому, но еще нет воспроизводства. Итак, в образовании органических соединений большую роль играло не только вещество космического пространства, но и энергия звезд.

5. Начало жизни на Земле. 

Начало жизни на Земле – появление нуклеиновых кислот, способных к воспроизводству белков. Переход от сложных органических веществ к простым  живым организмам пока неясен. Теория биохимической эволюции предлагает лишь общую схему. В соответствии с ней на границе между коацерватами – сгустками органических веществ – могли выстраиваться молекулы сложных углеводородов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей коацерватам стабильность. В результате включения в коацерват молекулы, способной к самовоспроизведению, могла возникнуть примитивная клетка, способная к росту.

Самое трудное для этой гипотезы – объяснить способность живых систем к самовоспроизведению, т. е. сам переход от сложных неживых систем к простым живым организмам. Несомненно, в модели происхождения жизни будут включаться новые знания, и они будут все более обоснованными. Но повторимся, что чем более качественно новое отличается от старого, тем труднее объяснить его возникновение. Поэтому здесь и говорят о моделях и гипотезах, а не о теориях.

Так или иначе, следующим шагом в организации живого должно было быть образования мембран, которые отграничивали смеси органических веществ от окружающей среды. С их появлением и получается клетка – «единица жизни», главное структурное отличие живого от неживого. Все основные процессы, определяющие поведение живого организма, протекают в клетках. Тысячи химических реакций происходят одновременно для того, чтобы клетка могла получить необходимые питательные вещества, синтезировать специальные биомолекулы и удалить отходы. Огромное значение для биологических процессов в клетке имеют ферменты. Они обладают часто высокой специализированностью и могут влиять только на одну реакцию. Принцип их действия в том, что молекулы других веществ стремятся присоединиться к активным участкам молекулы фермента. Тем самым повышается вероятность их столкновения, а, следовательно, скорость химической реакции. Синтез белка осуществляется в цитоплазме клетки. Почти в каждой из клеток человека синтезируется свыше 10000 разных белков. Величина клеток – от микрометра до более одного метра (у нервных клеток, имеющих отростки). Клетки могут быть дифференцированными (нервные, мышечные и т.д.). Большинство из них обладает способностью восстанавливаться, но некоторые, например, нервные – нет или почти нет.

 

 

 

 

6. Происхождение прокариотов и эукариотов.

Итак, живые организмы разделили на царства Растений, Грибов, Животных и Простейших (одноклеточных), и царство бактерий, в которую входили все прокариоты. Но когда изучали бактерий, оказалось, что они также делятся на две сильно отличающиеся группы. Соответственно, их пришлось разделить на два царства: Эубактерии (собственно бактерии) и Архебактерии (другое название – Археи). Последние также не имеют ядра, но по структуре сильно отличаются от бактерий.

Прокариоты (от др.-греч. pro — «перед», «до» + karyon — «ядро»), или безъядерные — одноклеточные живые организмы, не обладающие (в отличие от эукариот) оформленным клеточным ядром.

Для клеток прокариот характерно отсутствие ядерной оболочки, ДНК упакована без участия гистонов.

К прокариотам относятся домены бактерии и археи. Генетический материал прокариот представлен одной молекулой ДНК, замкнутой в кольцо, имеется только один репликон. В клетках отсутствуют органоиды, имеющие мембранное строение.

Эукарио́ты, или Я́дерные (лат. Eucaryota от греч. εύ- — хорошо и κάρυον — ядро) — надцарство живых организмов, клетки которых содержат ядра. Все организмы, кроме бактерий и археев, являются ядерными.

Животные, растения, грибы, а также группы организмов под общим названием протисты — все являются эукариотическими организмами. Они могут быть одноклеточными и многоклеточными, но все имеют общий план строения клеток. Считается, что все эти столь несхожие организмы имеют общее происхождение, поэтому группа ядерных рассматривается как монофилетический таксон наивысшего ранга. Согласно наиболее распространённым гипотезам, эукариоты появились 1,5—2 млрд лет назад. Важную роль в эволюции эукариот сыграл симбиогенез — симбиоз между эукариотической клеткой, видимо, уже имевшей ядро и способной к фагоцитозу, и проглоченными этой клеткой бактериями — предшественниками митохондрий и хлоропластов.

 

? Прокариоты	? Ядерные
Строение типичной клетки прокариот:  капсула, клеточная стенка, плазмолемма, цитоплазма,  рибосомы, плазмида, пили, жгутик, нуклеоид.	Эндомембранная система и её компоненты

 

 Отличия эукариот от прокариот.

Важнейшая, основополагающая особенность эукариотических клеток связана с расположением генетического аппарата в клетке. Генетический аппарат всех эукариот находится в ядре и защищен ядерной оболочкой (по-гречески "эукариот" значит имеющий ядро). ДНК эукариот линейная (у прокариот ДНК кольцевая и свободно плавает в цитоплазме). Она связана с белками-гистонами и другими белками хромосом, которых нет у бактерий.

 

7.Эволюция форм жизни.    

Клетки без ядра, но имеющие нити ДНК, напоминают нынешние бактерии и сине-зеленые водоросли. Возраст таких самых древних организмов около 3 млрд. лет. Их свойства: 1) подвижность; 2) питание и способность записать пищу и энергию; 3) защита от нежелательных воздействий; 4) размножение; 5) раздражительность; 6) приспособление к изменяющимся внешним условиям; 7) способность к росту.

На следующем этапе (приблизительно 2 млрд. лет тому назад) в клетке появляется ядро. Одноклеточные организмы с ядром называются простейшими. Их 25-30 тыс. видов. Самые простые из них – амебы. Инфузории имеют еще и реснички. Ядро простейших окружено двухмембранной оболочкой с порами и содержит фромосомы и нуклеоли. Ископаемые простейшие – радиолярии и фораминиферы – основные части осадочных горных пород. Многие простейшие обладают сложным двигательным аппаратом.  

Примерно 1 млрд. лет тому назад появились первые многоклеточные организмы, и произошел выбор растительного или животного образа жизни. Первый важный результат растительной деятельности – фотосинтез – создание органического вещества из углекислоты и воды при использовании солнечной энергии, улавливаемой хлорофиллом. Продукт фотосинтеза – кислород в атмосфере.

Возникновение и распространение растительности привело к коренному изменению состава атмосферы, первоначально имевшей очень мало свободного кислорода. Растения, ассимилирующие углерод из углекислого газа, создали атмосферу, содержащую свободный кислород, который не только активный химический агент, но и источник озона, преградившего путь коротким ультрафиолетовым лучам к поверхности Земли.

Веками накапливавшиеся остатки растений образовали в земной коре грандиозные энергетические запасы органических соединений (уголь, торф), а развитие жизни в Мировом океане привело к созданию осадочных горных пород, состоящих из скелетов и других остатков морских организмов.

К важным свойствам живых систем относятся:

1. компактность. В 5х10-15гр. ДНК, содержащейся  в оплодотворенной яйцеклетке  кита, заключена информация для  подавляющего большинства признаков  животного, которое весит 5х10 7гр. (масса  возрастает на 22 порядка).

2. Способность создавать порядок  из хаотического теплового движения  молекул и тем самым противодействовать  возрастанию энтропии. Живое потребляет  отрицательную энтропию и работает  против теплового равновесия, увеличивая, однако, энтропию окружающей среды. Чем более сложно устроено  живое вещество, тем более в  нем скрытой энергии и энтропии.

3. Обмен с окружающей средой  веществом, энергией и информацией. Живое способно ассимилировать  полученные из вне вещества, т. е. Перестраивать их, уподобляя собственным  материальным структурам и за  счет этого многократно воспроизводить  их.

4. В метаболических функциях большую  роль играют петли обратной  связи, образующиеся при автокаталитических  реакциях. «В то время как в  неорганическом мире обратная  связь между «следствиями» (конечными  продуктами) нелинейных реакций  породившими их «причинами» встречается  сравнительно редко, в живых системах  обратная связь (как установлено  молекулярной биологией), напротив, является скорее правилом, чем  исключением» 2Автокатализ, кросс-катализ и автоингибиция (процесс, противоположный катализу – если присутствует данное вещество, оно не образуется в ходе реакции) имеет место в живых системах. Для создания новых структур нужна положительная обратная связь.

5. Жизнь качественно превосходит  другие формы существования материи  в плане многообразия и сложности  химических компонентов и динамики  протекающим в живом превращений. Живые системы характеризуются  гораздо более высоким уровнем  упорядоченности и асимметрии  в пространстве и времени. Структурная  компактность и энергетическая  экономичность живого – результат  высочайшей упорядоченности на  молекулярном уровне.

6. В самоорганизации неживых систем  молекулы просты, а механизмы  реакций сложны; в самоорганизации  живых систем, напротив, схемы реакций  просты, а молекулы сложны.

7. У живых систем есть прошлое, у неживых его нет. «Целостные  структуры атомной физики состоит  из определенного числа элементарных  ячеек, атомного ядра и электронов  и не обнаруживают никакого  изменения во времени, разве что  испытывают нарушение извне. В  случае такого внешнего нарушения  они, правда, как-то реагируют на  него, но если нарушение было  не слишком большим, они по  прекращению его снова возвращаются  в исходное положение. Но организмы  – не статические образования. Древнее сравнение живого существа  с пламенем говорит о том, что  живые организмы, подобно пламени, представляют собой такую форму, через которую материя в известном  смысле проходит как поток»3

8. жизнь организма зависит от  двух факторов – наследственности, определяемой генетическим аппаратом, и изменчивости, зависящей от  условий окружающей среды и  реакции на них индивида. Интересно , что сейчас жизнь на Земле  не могла бы возникнуть из-за  кислородной атмосферы и противодействия других организмов. Раз зародившись, жизнь находится в процессе постоянной эволюции.

9. Способность к избыточному самовоспроизводству. «Прогрессия размножения, столь  высокая, что она ведет к борьбе  за жизнь и ее последствию  – естественному отбору»4       

                                     

 

Вывод

Из изученного материала  следует, что наиболее разработанной концепцией происхождения жизни является концепция биохимической эволюции.

Эта концепция позволила проанализировать общие закономерности геологической и биологической эволюции на нашей планете.

Она не дает окончательных решений на многие вопросы происхождения жизни на Земле, но на ее основе сформировались перспективные исследования (расшифровка генома живых организмов, клонирование, биохимические основы долголетия и другие).  Концепции происхождения жизни обращают внимание человека на его отношение к природе.

 

 

 

 

 

 

Литература.

1. Горелов А.А Концепции современного естествознания. –М. Центр – 1997
2. Новиков И.Д. Эволюция Вселенной М., Наука 1991
3. Суханов А.Д. Голубева О.Н. Концепции современного естествознания Учебник для вузов  М., Агар,2000
4. WWWalleng.ru

 

1 (Селье Г. От мечты к открытию. – М., 1987.-С. 32).

 

2 (Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. – С.209).

3 (Гейзенберг В. Цит. Соч.-С. 233).

4 (Дарвин Ч. Соч. Т. З.-М-Л., 1939.-С 666).