Возникновение жизни на Земле

Возникновение и развитие жизни на Земле

Определение понятия «жизнь»

• В окружающем нас мире мы без труда одни тела относим к живым, другие — к неживым.
• Что же отличает живые тела от неживых?

• Этот вопрос с давних пор привлекал ученых и мыслителей, которые, желая дать краткое определение понятиям «жизнь», «живое тело», старались найти самое существенное, самое характерное в этих понятиях.

• Наиболее удачное определение жизни в книге «Анти-Дюринг» дал Ф. Энгельс:

«Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел».

• Белки — вещества с легко изменяемой структурой. Для живого состояния необходимо присутствие белков не в любой форме, но лишь в такой, которая сохраняет свою уникальную структуру, обладающую биологической активностью.

• При умирании организма или при повреждении клетки макромолекулы белков развертываются и переходят в денатурированное состояние.

• Белки, утратившие природную конфигурацию, немедленно уничтожаются и заменяются новосинтезированными белками. Белковый состав клетки в процессе жизни, таким образом, постоянно обновляется.

• Во второй части своего определения Ф. Энгельс говорит о способе существования белков.
• Этот способ — обмен веществ , при помощи которого поддерживается природная конфигурация белков и обеспечивается непрерывное их обновление.

• Современные ученые расширяют и дополняют характеристику живого тела.
• Приведем одно из современных определений живого тела : « Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров — белков и нуклеиновых кислот » (М. В. Волькенштейн) .

• Обратите внимание на оговорку в этом определении: «Живые тела, существующие на Земле...»
• Очевидно, не исключается возможность, что на других планетах могут быть обнаружены живые тела, существенно отличающиеся от земных.

• С незапамятных времен человек задавал вопрос: откуда берутся живые существа? В античное время и в средние века уровень развития биологии был очень низким. В тот период были распространены взгляды о том, что живые организмы самопроизвольно возникают из неживого материала.

Парацельс

Ван Гельмонт

• Вполне серьезно ученые считали, что лягушки в прудах возникают из ила, мухи — из грязи.
• Видный ученый средневековья Ван Гельмонт (1575—1640) в своей книге указывал на возможность зарождения мышей из грязного белья.
• Другой крупный ученый той же эпохи врач Парацельс (1485—1540) опубликовал способ искусственного изготовления человека («гомункулюса»).

Франческо Реди

• В 1661 г. итальянский врач Франческо Реди опубликовал результаты своих опытов. В каждый из восьми стеклянных сосудов он вложил свежее мясо. Четыре сосуда оставил открытыми, а четыре плотно накрыл марлей .

• Через несколько дней в мясе, лежащем в открытых сосудах, появились черви (личинки мух). На мясе в сосудах, обвязанных марлей, червей не было.
• Следовательно, они зарождаются не из самого мяса (как было принято считать), а из яиц, отложенных мухами. Это был неотразимый удар по представлению о самопроизвольном зарождении.

• Исключительный интерес к проблемам самозарождения жизни побудил Парижскую Академию наук в 1860 г. назначить премию за ее решение.

• Премия была присуждена выдающемуся французскому ученому-химику и бактериологу Луи Пастеру (1822—1895).

• Пастер поместил бульон в колбу с длинным узким горлышком S-образной формы.
• Воздух в колбу проходил свободно, но микробы проникнуть в нее не могли, так как они оседали в S-образном колене горлышка.

• Затем Пастер прокипятил бульон, чтобы убить находящихся там микробов. Проходили месяцы, а содержимое колбы оставалось стерильным.
• Стоило, однако, колбу повернуть так, чтобы содержащийся в ней бульон обмыл S-образное колено горлышка и стек обратно в колбу, в ней вскоре начиналось гниение. Это происходило потому, что в бульон попадали микробы, находившиеся в S-образной части горлышка. Таким образом, невозможность самопроизвольного зарождения микроорганизмов была убедительно доказана.

• Любой организм, от самого примитивного до высокоорганизованного, рождается от живых организмов.
• «Все живое из живого». Другими словами, зарождение живого из неживого невозможно принципиально, т. е. никогда и ни при каких условиях.
• Но каким же образом первоначально возникла жизнь на Земле?

• По данным космологии (наука о происхождении небесных тел), все планеты, и Земля в том числе, были когда-то раскаленными телами.
• Очевидно, в то время на Земле не могло быть жизни, так как одним из условий существования жизни является температура окружающей среды не выше +50 ... +70°С.
• Каким же образом на абсолютно стерильной Земле возникла жизнь, появились организмы, способные к размножению и развитию?

В. И. Вернадский.

• Для того чтобы объяснить, каким образом возникла жизнь на Земле, была предложена гипотеза вечности жизни - зародыши жизни (споры растений, микроорганизмы) будто бы рассеяны в космическом пространстве и переносятся с планеты на планету под давлением света.
• Сторонниками этого взгляда были многие выдающиеся ученые, в том числе академик В. И. Вернадский.

• Однако если бы даже было доказано, что на Землю могут попадать живые организмы с пылью и метеоритами, тогда каким же образом возникла жизнь на других планетах?
• По данным космологии, истории возникновения и развития планет, сходны. Все планеты проходят стадию раскаленных тел, и существование жизни в таких условиях немыслимо.

• Более обоснованная гипотеза выдвинута в 1924 г. академиком А. И. Опариным - жизнь на Земле первоначально возникла на одном из этапов ее длительной эволюции из неорганической материи. Следовательно, и возникновение клетки имеет длительную историю.
• Скорее всего вначале возникли вещества, из которых состоит клетка,— белки, нуклеиновые кислоты, АТФ и др. Эти вещества сложные, они могли возникнуть также в результате длительной эволюции.
• Иначе говоря, биологической эволюции предшествовала химическая эволюция. Но как это происходило и под влиянием каких факторов?

• Земля вначале была холодная, но в дальнейшем благодаря распаду содержащихся в ней радиоактивных элементов она стала разогреваться (в недрах температура достигала 1000°С и выше). Вещества Земли на этой стадии ее развития вступали между собой в химические реакции. Среди продуктов реакций было много газов.
• Под громадным давлением они вырывались на поверхность Земли, благодаря чему образовалась ее первичная атмосфера.

NH 3

CO 2

СH 4

• После того как температура на поверхности Земли стала ниже 100°С, начался период дождей, вследствие чего образовались моря и океаны. В горячей дождевой воде растворялись аммиак, углекислый газ, метан, а также соли и другие вещества, вымываемые из поверхностных слоев Земли.

• Первым шагом на пути возникновения жизни на Земле стал небиологический (абиогенный) синтез органических молекул из неорганических.
• Американский ученый С. Миллер и русские ученые А. Г. Пасынский и Т. Е. Павловская экспериментально доказали образование сложных органических соединений из неорганических веществ, которые могли находиться в водах первобытного океана, под влиянием электрических разрядов и ультрафиолетового излучения.

• Органические вещества накапливались в воде первобытного океана. Они находились там вначале в виде очень разбавленного раствора.

• Вторым шагом на пути возникновения жизни на Земле был процесс концентрирования органических веществ. Возможно он происходил в силу присущей всем высокомолекулярным веществам способности самопроизвольно концентрироваться и образовывать так называемые коацерваты ( от латинского coacervatio собирание в кучу, накопление ) .

Белковые коацирватные капли

(микрофотография)

• Явление коацервации состоит в том, что при некоторых условиях (например, в присутствии электролитов) высокомолекулярные вещества отделяются от раствора, но не в форме осадка, а в виде более концентрированного раствора, который называется коацерватом. При встряхивании коацервата он разбивается на мелкие капельки.

• В результате поглощения веществ капельки коацервата увеличиваются в размерах. Внешне это сходно с процессом роста. В результате которой в целости остаются капельки более устойчивые, более приспособленные к окружающей среде.
• Однако в коацерватах еще отсутствует главный признак живого организма — способность к самовоспроизведению молекул, входящих в их состав .

• Важнейшей ступенью к жизни явилось возникновение молекул, способных к самовоспроизведению. Это, вероятно, были простейшие полинуклеотиды.
• Сборка на молекуле такой же по составу и структуре другой молекулы означала возникновение нового принципа химического синтеза — матричного синтеза, столь характерного для живых систем.

• В процессе самовоспроизведения полинуклеотидных молекул в некоторых случаях возникали «ошибки», т.е. новая молекула полинуклеотида не вполне точно копировала исходную.
• В дальнейшем происходило копирование уже этой новой, измененной молекулы; таким образом возникали мутации . Частота их резко повышалась при воздействии излучений, особенно ионизирующих.

• Первобытные организмы по способу питания были настоящими гетеротрофами, так как они использовали уже готовые органические вещества. По мере размножения организмов запасы органических веществ в первичном океане иссякали, а синтез новых не поспевал за потребностью.
• Началась борьба за пищу, в которой выживали более активные.

• Случайно приобретенные в результате наследственных изменений полезные в данных условиях признаки закреплялись отбором.
• В процессе исторического развития произошло превращение первичных организмов в современную клетку: образовалась защитная оболочка вокруг нуклеиновой кислоты у вирусов или возник слой цитоплазмы вокруг ядра, образовалась наружная мембрана у клеток и т. д.

• Крупным шагом на пути эволюции жизни было возникновение автотрофного питания . В условиях все уменьшающихся запасов органических соединений у некоторых организмов возникла способность к самостоятельному синтезу органических веществ из простых неорганических веществ окружающей среды.
• Энергию, необходимую для такого синтеза, некоторые организмы стали освобождать путем простейших химических реакций окисления и восстановления. Так возник хемосинтез .

• Особенно крупным прогрессивным изменением типа ароморфоза было возникновение фотосинтеза , которое оказало громадное влияние на дальнейшую эволюцию жизни.
• В период возникновения жизни как в атмосфере, так и в океане не осталось свободного кислорода, поэтому первоначально организмы получали энергию путем бескислородных реакций органических веществ.

• Этот путь получения энергии малоэффективен и требует большого количества пищи.
• С развитием фотосинтеза и появлением в атмосфере и воде свободного кислорода возник новый путь освобождения энергии — кислородный путь расщепления, который примерно в 20 раз эффективнее бескислородного.

• Появление кислородного фотосинтеза стало важнейшим поворотным пунктом в развитии жизни, благодаря которому в атмосфере появился кислород и стало возможным существование высших организмов.

• Земля в период возникновения на ней жизни подвергалась интенсивному воздействию излучения Солнца, которое было губительно для всего живого. Поэтому жизнь первоначально была возможна только в океане.
• По мере развития растений происходило накопление кислорода в атмосфере.
• В результате стала возможна жизнь на суше. Жизнь «вышла» из воды и распространилась по всей поверхности Земли.

• «Возможно ли возникновение жизни на Земле другим путем?»……