Военный институт материального обеспечения
О происхождении жизни на земле
Рахматуллин М.К.
План
Введение
1. Отличие живого от неживого
2. Вещественная основа жизни
3. Земля в период возникновения жизни
4. Начало жизни на Земле
5. Эволюция форм жизни
Литература
Введение
Одним из наиболее трудных, и в то же время интересных в современном естествознании является вопрос о происхождении жизни. Он труден потому, что, когда наука подходит к проблемам развития как создания качественно нового, она оказывается у предела своих возможностей как отрасли культуры, основанной на доказательстве и экспериментальной проверке утверждений.
Учёные сегодня не в состоянии воспроизвести процесс возникновения жизни с такой же точностью, как это было несколько миллиардов лет назад. Даже наиболее тщательно поставленный опыт будет лишь модельным экспериментом, лишённым рядом факторов, сопровождавших появление живого на Земле. Трудность методологическая - в невозможности проведения прямого эксперимента по возникновению жизни (уникальность этого процесса препятствует использованию основного научного метода).
Вопрос о происхождении жизни интересен не только сам по себе, но и тесной связью с проблемой отличия живого от неживого, а также связью с проблемой эволюции действовали при зарождении жизни.
В чём сущность живого?
Как и насколько механизмы эволюции действовали при зарождении жизни?
1. Отличие живого от неживого
Итак, что такое живое и чем оно отличается от неживого. Есть несколько фундаментальных отличий в вещественном, структурном и функциональном планах. В вещественном плане в состав живого обязательно входят высокоупорядоченные макромолекулярные органические соединения, называемые биополимерами, - белки и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). В структурном плане живое отличается от неживого клеточным строением. В функциональном плане для живых тел характерно воспроизводство самих себя. Устойчивость и воспроизведение есть и в неживых системах. Но в живых телах имеет место процесс самовоспроизведения. Не что-то воспроизводит их, а они сами. Это принципиально новый момент.
Также живые тела отличаются от неживых наличием обмена веществ, способностью к росту и развитию, активной регуляцией своего состава и функций, способностью к движению, раздражимостью, приспособленностью к среде и т.д. Неотъемлемым свойством живого является деятельность, активность. «все живые существа должны или действовать или погибнуть. Мышь должна находиться в постоянном движении, птица летать, рыба плавать и даже растение должно расти» [1].
Однако строго научное разграничение живого и неживого встречает определённые трудности. Имеются как бы переходные формы от нежизни к жизни. Так, например, вирусы вне клеток другого организма не обладают ни одним из атрибутов живого. У них есть наследственный аппарат, но отсутствуют основные необходимые для обмена веществ ферменты, и поэтому они могут расти и размножаться, лишь проникая в клетки организма-хозяина и используя его ферментные системы. В зависимости от того, какой признак мы считаем самым важным, мы относим вирусы к важным системам или нет.
Концепции возникновения жизни
Существует пять концепций возникновения жизни [2]:
1) креационизм - божественное сотворение живого;
2) концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества (её придерживался ещё Аристотель, который считал, что живое может возникать и в результате разложения почвы);
3) концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда;
4) концепция панспермии - внеземного происхождения жизни;
5) концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам.
Первая концепция является религиозной и к науке прямого отношения не имеет. Вторую опроверг изучающий деятельность бактерий французский микробиолог XIX века - Луи Пастер Луим Пастемр (правильно Пастёр, фр. Louis Pasteur; 27.12.1822, Доль, департамент Юра - 28.09.1895, Вильнёв-л'Этан близ Парижа) - французский микробиолог и химик, член Французской академии (1881). Пастер, показав микробиологическую сущность брожения и многих болезней человека, стал одним из основоположников микробиологии и иммунологии. Его работы в области строения кристаллов и явления поляризации легли в основу стереохимии. Также Пастер поставил точку в многовековом споре о самозарождении некоторых форм жизни в настоящее время, опытным путём доказав невозможность этого. Его имя широко известно в ненаучных кругах благодаря созданной им и названной позже в его честь технологии пастеризации. (знакомый нам по слову пастеризация). Третья из-за своей оригинальности и умозрительности всегда имела немного сторонников.
К началу XX в. в науке господствовали две последние концепции. Концепция панспермии, согласно которой жизнь была занесена на Землю извне, опиралась на обнаружение при изучении метеоритов и комет «предшественников живого» - органических соединений, которые возможно сыграли роль «семян».
У концепции появления жизни на Земле в историческом прошлом два варианта. Согласно одному, происхождение жизни - результат случайного образования единичной «живой молекулы», в строении которой был заложен весь план дальнейшего развития живого. Французский биолог Ж. Моно Жак Люсьемн Моном (фр. Jacques Lucien Monod, 9.02.1910, Париж, Франция - 31.05.1976, Канны, Франция) - французский биохимик и микробиолог, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1965 году (совместно с Франсуа Жакобом и Андре Львовым) «за открытия, касающиеся генетического контроля синтеза ферментов и вирусов». В 1971 г. была опубликована его книга «Случайность и необходимость» («Chance and Necessity»), освещающая природу клеточных биохимических процессов и выражающая ту точку зрения, что происхождение жизни и процесс эволюции есть результат случайности. пишет, что «жизнь не следует из законов физики, но совместима с ними. Жизнь - событие, исключительность которого необходимо сознавать». Согласно другой точке зрения, происхождение жизни - результат закономерной эволюции материи.
2. Вещественная основа жизни
XX век привёл к созданию первых научных моделей происхождения жизни. В 1924 году в книге А.И. Опарина Алексамндр Ивамнович Опамрин (2.03.1894, Углич - 21.04.1980, Москва) - советский биолог и биохимик, создавший теорию возникновения жизни на Земле из абиотических компонентов; академик АН СССР (1946; член-корреспондент с 1939), Герой Социалистического Труда (1969). «Происхождение жизни» была впервые сформулирована естественнонаучная концепция, согласно которой возникновение жизни - результат длительной эволюции на Земле - сначала химической, затем биохимической. Эта концепция получила наибольшее признание в научной среде.
Можно выделить следующие этапы живых систем, начиная с самых простейших и затем следуя по пути постепенного усложнения. В вещественном плене для становления жизни нужен, прежде всего, углерод. Жизнь на Земле основана на этом элементе, хотя в принципе можно предположить существование жизни и на кремниевой основе. Возможно где-то во Вселенной существует и «кремниевая цивилизация», но на Земле основой жизни является углерод.
Чем это обусловлено? Атомы углерода вырабатываются в недрах больших звёзд в необходимом для образования жизни количестве. Углерод способен создавать разнообразные (несколько десятков миллионов), подвижные, низкоэлектропроводные, студенистые, насыщенные водой, длинные скрученные цепеобразные структуры. Соединения углерода с водородом, кислородом, азотом, фосфором, серой, железом обладают замечательными каталитическими, строительными, энергетическими, информационными и иными свойствами.
Кислород, водород и азот наряду с углеродом можно отнести к «кирпичикам» живого. Клетка состоит на 70 % из кислорода, 17 % углерода, 10 % водорода, 3 % азота. Все кирпичики живого принадлежат к наиболее устойчивым и распространённым во Вселенной химическим элементам. Они легко соединяются между собой, вступают в реакции и обладают малой атомной массой. Их соединения легко растворяются в воде.
По радиоастрономическим данным органические вещества возникали не только до появления жизни, ни и до формирования нашей планеты. Следовательно, органические вещества абиогенного происхождения присутствовали на Земле уже при её образовании.
При образовании Земли из космической пыли (частиц железа и силикатов - веществ, в состав которых входит кремний) и газа весьма вероятно, что на внешних участках Солнечной системы газы могли конденсироваться. Органические соединения могли синтезироваться и на поверхности пылинок.
Химические и палеонтологические исследования древнейших докембрийских отложений и особенно многочисленные модельные эксперименты, воспроизводящие условия, которые господствовали на поверхности первобытной Земли, позволяют понять, как в этих условиях происходило образование всё более сложных органических веществ.
Жизнь возможна только при определённых физических и химических условиях (температура, присутствие воды, солей и т.д.). Прекращение жизненных процессов, например, при высушивании семян или глубоком замораживании мелких организмов, не ведёт к потере жизнеспособности. Если структура сохраняется не повреждённой, она при возращении к нормальным условиям обеспечивает восстановление жизненных процессов.
Также и для возникновения жизни нужны определённые диапазоны температуры, влажности, давления, уровня радиации, определённая направленность развития Вселенной и время. Взаимное удаление галактик приводит к тому, что их электромагнитное изучение приходит к нам сильно ослабленным. Если бы галактики сближались, то плотность радиации во Вселенной была бы столь велика, что жизнь не могла бы существовать. Углерод синтезирован в звёздах-гигантах несколько миллиардов лет назад. Если бы возраст Вселенной был меньше, то жизнь также не могла бы возникнуть. Планеты должны иметь определённую массу для того, чтобы удержать атмосферу.
3. Земля в период возникновения жизни
Наша планета - «золотая середина» в Солнечной системе, которая наиболее подходит для зарождения жизни. Возраст Земли 4,6 млрд лет. Температура поверхности в начальный период была 4000-8000 єС и по мере того как Земля остывала, углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались и образовали земную кору. Атмосфера была совершенно иной. Лёгкие газы - водород, гелий, азот, кислород - уходили из атмосферы, так как гравитационное поле нашей ещё недостаточно плотной планеты не могло их удержать. Однако простые соединения, содержащие эти элементы, удерживались.
Первичная атмосфера содержала водород и соединения углерода (метан) и азота (аммиак). Отсутствие в атмосфере кислорода было вероятно необходимым условием возникновения жизни: лабораторные опыты показывают, что органические вещества гораздо легче создаются в восстановительной среде, чем в атмосфере, богатой кислородом. О том, что атмосфера была именно такой, свидетельствуют самые древние породы на Земле.
Существуют разные точки зрения на проблему жизни на Земле. По мнению В.И. Вернадского [2; 3; 4, с. 197-221] жизнь появилась одновременно с образованием Земли. А.И. Опарин считал, что периоду развития жизни предшествовал длительный период химической эволюции Земли, во время которого (3-5 млрд лет тому назад) образовались сложные органические вещества и протоклетки. Возникновение последних положило начало биохимической эволюции.
Известны три способа синтеза природных органических веществ. Содержащие углерод и азот вещества могли возникать в расплавленных глубинах Земли и выноситься на поверхность при вулканической деятельности, попадая далее в океан.
А.И. Опарин полагал, что органические вещества могли создаваться и в океане из более простых соединений. Энергию для этих реакций синтеза, вероятно, доставляла интенсивная солнечная реакция (главным образом, ультрафиолетовая), падавшая на Землю до того, как образовался слой озона, который стал задерживать большую её часть. Разнообразие находящихся в океанах простых соединений, площадь поверхности Земли, доступность энергии и масштабы времени позволяют предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества и образовался тот «первичный бульон», в котором могла возникнуть жизнь.
Наконец, органические соединения могли образоваться во Вселенной из неорганического космического «сырья».
Для построения любого сложного органического соединения, входящего в состав живых тел, нужен небольшой набор блоков-мономеров (низкомолекулярных соединений): 29 мономеров (из них 20 аминокислот, 5 азотистых оснований) описывают биохимические строение любого живого организма. Оно состоит из аминокислот (из которых построены все белки), азотистых соединений (составные части нуклеиновых кислот), глюкозы - источника энергии, жиров - структурного материала, идущего на построение в клетке мембран и запасающего энергию.
После того, как углеродистые соединения образовали «первичный бульон», могли уже организовываться биополимеры - белки и нуклеиновые кислоты, обладающие свойством самовоспроизводства себе подобных. Необходимая концентрация веществ для образования биополимеров могла возникнуть в результате осаждения органических соединений в минеральных частицах, например, на глине или гидроксиде железа (III), образующих ил прогреваемого Солнцем мелководья. Кроме того, органические вещества могли образовать на поверхности океана плёнку, которую ветер и волны гнали к берегу, где она собиралась в толстые слои. В химии известен также процесс объединения родственных молекул в разбавленных растворах.