Тема 5. 3. Происхождение жизни (эволюция и развитие живых систем)

O Основные понятия

Первичная атмосфера Земли. Абиогенный синтез. Предбиологический отбор.

Коацерваты. Гетеротрофы. Автотрофы. Анаэробы. Аэробы. Прокариоты. Эукариоты.

Голобиоз. Генобиоз.

Исторические концепции происхождения жизни: креационизм, гипотеза панспермии, биохимическая эволюция, постоянное самозарождение, стационарное состояние.

& Краткое содержание

Возникновение жизни

Предполагается, что условия на Земле стали вполне подходящими для возникновения жизни приблизительно спустя миллиард лет после образования самой Земли.

Зарождение жизни совершилось благодаря определенным внешним условиям, сложившимся к тому времени:

1) Главное условие возникновения жизни связано с м ассой и размерами нашей планеты. Доказано, что если масса планеты больше чем 1/20 массы Солнца, на ней начинаются интенсивные ядерные реакции.

2) Следующим важным условием возникновения жизни является наличие воды. Значение воды для жизни исключительно. Это обусловлено ее специфическими термическими особенностями: огромной теплоемкостью, слабой теплопроводностью, расширением при замерзании, хорошими свойствами как растворителя и др.

3) Третье важное условие – наличие на Земле атомов углерода, которые присутствовали на Земле в виде графита и в виде соединений – карбидов и оксидов. Жизнь на нашей планете «углеродная», т.е. в основе всех органических соединений живых организмов лежит углерод.

Углеродные соединения обладают рядом свойств, делающих их незаменимыми:

· число органических соединений, образованных на основе четырехвалентного углерода, огромно;

· они активны при небольших температурах;

· сравнительно небольшие перестройки молекул углеродных соединений значительно меняют их химическую активность;

· обладают каталитическими, строительными, энергетическими и информационными свойствами.

4) Четвертым необходимым условием явилась внешняя энергия. Такая энергия на земной поверхности имелась в нескольких формах:

· лучистая энергия Солнца (в частности ультрафиолетовый свет),

· электрические разряды в атмосфере

· энергия атомного распада природных радиоактивных веществ.

Наиболее распространенными гипотезами возникновения жизни на Земле являются следующие:

Ø жизнь была создана сверхъестественным существом в определенное время (креационизм);

Ø жизнь возникла из неживого вещества (самопроизвольное зарождение);

Ø жизнь существовала всегда (теория стационарного состояния);

Ø жизнь занесена на нашу планету извне (панспермия);

Ø жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам (биохимическая эволюция).

Схематически путь эволюции органического вещества на Земле можно представить в следующем виде:

1) образование Земли;

2) возникновение живых систем; клетка;

3) эволюция одноклеточных; возникновение клеточной дифференциации;

4) эволюция многоклеточных;

5) появление человека.

Развитие жизни на Земле можно приурочить к следующим эпохам:

1) жизнь появилась на очень раннем этапе истории нашей планеты (первые сотни миллионов лет);

2) биологическая эволюция от примитивных бактерий до развитой цивилизации продолжалась очень долго (более 4 млрд. лет);

3) в процессе эволюции жизни атмосфера планеты из бескислородной стала кислородной.

Ø Возраст Вселенной около 15 млрд. лет, Земли — 4,5;

Ø фотосинтез и кислородная атмосфера возникли 3,5 – 3,8 млрд. лет назад, тогда же появились эукариотные организмы (т.е. состоящие из клеток с ядром),

Ø первые многоклеточные (без скелета, желеподобные) — 1 млрд. лет назад,

Ø первые организмы со скелетом — 600 млн. лет назад,

Ø «выход» жизни из моря на сушу — 400 млн. лет назад,

Ø первые млекопитающие — 65 млн. лет назад,

Ø обезьяны — 35 млн. лет назад,

Ø австралопитек — 3,5 млн. лет назад,

Ø кроманьонский человек — 40 тыс. лет назад.

Сложность исследования возможных путей перехода от предбиологических систем к простейшим биологическим живым системам связана с отсутствием объекта исследования и невозможностью его существования на Земле в настоящее время. И это обусловлено не только тем, что жизнь, возникнув, уничтожила по мере своего развития условия, необходимые для ее возникновения. Для естествознания остается лишь пытаться логически воссоздать возможную цепь событий во времени на основе анализа современных представителей живого, находящихся на разных уровнях организации (сравнительно-эволюционный подход), изучать сохранившиеся следы прошлого (палеонтология), создавать гипотетические модели прошлого и исследовать их (экспериментальный подход), опираясь в своих рассуждениях на фундаментальные физико-химические законы.

Наиболее распространенной и экспериментально фундиро­ванной является модель, получившая название гипотезы Опарина—Холдейна — по имени ученых, выдвинувших сходные гипотезы. Общность развиваемых ими взглядов состоит:

Во-первых, в утверждении о том, что все необходимые для возникновения жизни, биологически значимые органические соединения могут образовываться в абиогенных условиях, т.е. без участия живого, лишь на основе физико-химических закономерностей превращения веществ. Первичная атмосфера Земли состояла, вероятно, главным образом из водяных паров, N₂, и CO₂, с небольшой примесью других газов (NH₃, CH₄, H₂S) при полном отсутствии O₂ (практически весь кислород, содержащийся в атмосфере в настоящее время, является продуктом фотосинтеза).

Во-вторых, общим было представление об использовании в предбиологических эволюционных процессах энергии не окисления, а брожения (в отсутствие O₂). Возможным источником энергии для образования органических веществ без участия живых организмов, видимо, являлись электрические разряды, ультрафиолетовое излучение, радиоактивные частицы, космические лучи, ударные волны от метеоритов, теплота от интенсивной деятельности вулканов. В отсутствие кислорода, который бы их мог разрушить, а также живых организмов, которые использовали бы их в качестве пищи, абиогенно образовавшиеся органические вещества накапливались в Мировом океане, возникшем по мере охлаждения Земли вследствие конденсации водяных паров и выпадения осадков.

Следующим шагом было образование более крупных полимеров из малых органических мономеров, опять же без участия живых организмов. Видимо, на первичной земле образование полимеров со случайной последовательностью аминокислот или нуклеотидов могло происходить при испарении воды в водоемах, оставшихся после отлива. Если полимер образовался, он способен влиять на образование других полимеров. У Холдейна «живыми или полуживыми объектами» назывались большие молекулы белка, способные к созданию своих копий, у Опарина – целостные системы (коацерваты).

Согласно гипотезе Опарина-Холдейна жизнь является закономерным результатом эволюции материи во Вселенной. Альтернативные гипотезы происхождения жизни, отрицающие это положение, утверждают либо предопределенный, либо случайный характер возникновения первичных организмов.