|
Реферат: Происхождение жизни на земле (Биология)
Лицей № 35
РЕФЕРАТ
по теме: «Происхождение жизни на земле»
Ученика 10 «Ю» класса
Юкельсона Дмитрия
Калининград,
2000 г.
Существуют две главные гипотезы, по-разному объясняющие появление жизни
на Земле. Согласно гипотезе панспермии, жизнь занесена из космоса либо в
виде спор микроорганизмов, либо путем намеренного «заселения» планеты
разумными пришельцами из других миров.
Прямых свидетельств в пользу космического происхождения жизни нет. Космос,
однако, наряду с вулканами мог быть источником низкомолекулярных
органических соединении, раствор которых послужил средой для развития
жизни.
Современной наукой возраст Земли оценивается в 4,5 - 4,6 млрд. лет.
Появление на планете первых водоемов, с которыми связывают зарождение
жизни, отстоит от настоящего времени на 3,8 - 4 млрд. лет. Около 3,8 млрд.
лет назад жизнь стала определяющим фактором планетарного круговорота
углерода. В породах вблизи местечка Фиг-Три (Южная Африка), имеющих возраст
более 3,5 млрд. лет, обнаружены бесспорные следы жизнедеятельности
микроорганизмов.
Таким образом, процесс образования примитивных живых существ шел
относительно быстро. Ускорению процесса могло способствовать то, что
простейшие органические вещества были из нескольких источников: абиогенно
образующиеся в первичной атмосфере и в то же время поступающие с оседающей
на поверхность планеты космической и вулканической пылью. Подсчитано. что
Земля, проходя через пылевое облако в течение 1 млрд. лет, могла получить с
космической пылью 10 млрд. т органического материала. Это всего в 300 раз
меньше суммарной биомассы современных наземных организмов (3 * 1012т).
Вулкан заодно извержение выбрасывает до 1000 т органических веществ.
Согласно второй гипотезе, жизнь возникла на Земле, когда сложилась
благоприятная совокупность физических и химических условий, сделавших
возможным абиогенное образование органических веществ из неорганических.
В середине прошлого столетия Л. Пастер окончательно доказал невозможность
самозарождения жизни в теперешних условиях. В 20-х годах текущего столетия
биохимики А.И. Опарин и Дж. Хол-дейн предположили, что в условиях, имевших
место на планете несколько миллиардов лет назад, образование живого
вещества было возможно. К таким условиям они относили наличие атмосферы
восстановительного типа, воды, источников энергии (в виде ультрафиолетового
(УФ) и космического излучения, теплоты остывающей земной коры,
вулканической деятельности, атмосферных электрических явлений,
радиоактивного распада), приемлемой температуры, а также отсутствие других
живых существ.
Главные этапы на пути возникновения и развития жизни, по-видимому,
состоят в: 1) образовании атмосферы из газов, которые могли бы служить
«сырьем» для синтеза органических вешеств (метана, оксида и диоксида
углерода, аммиака, сероводорода, цианистых соединений), и паров воды; 2)
абиогенном (т. е. происходящем без участияорганнзмов) образовании простых
органических веществ, в том числе мономеров биологических полимеров —
аминокислот, Сахаров, азотистых оснований, АТФ и других мононук-леотидов;
3) полимеризации мономеров в биологические полимеры. прежде всего белки
(полипептиды) и нуклеиновые кислоты (поли-нуклеотиды); 4) образовании
предбиологических форм сложного
химического состава —протобионтов, имеющих некоторые свойства живых
существ; 5) возникновении простейших живых форм, имеющих всю совокупность
главных свойств жизни,—примитивных клеток; 6) биологической эволюции
возникших живых существ.
Возможность абиогенного образования органических веществ, включая
мономеры биологических полимеров, в условиях, бывших на Земле около 4 млрд.
лет назад, доказана опытами химиков. В лабораторных условиях при
пропускании электрических разрядов через различные газовые смеси,
напоминающие примитивную атмосферу планеты, а также при использовании
других источников энергии ученые получали среди продуктов реакций
аминокислоты (аланин, глицин, аспарагиновую кислоту), янтарную, уксусную,
молочную кислоты, мочевину, азотистые основания (аденин, гуанин), АДФ и
АТФ. Низкомолекулярные органические соединения накапливались в водах
первичного океана в виде первичного бульона или же адсорбировались на
поверхности глинистых отложений. Последнее повышало концентрацию этих
вешеств, создавая тем самым лучшие условия для полимеризации.
Возможность полимеризации низкомолекулярных соединений с образованием
полипептидов и полинуклеотидов (определяющая следующий этап на пути
возникновения жизни) непосредственно в первичном бульоне вызывает сомнения
по термодинамическим соображениям. Водная среда благоприятствует реакции
деполимеризации. Ученые предполагают, что образование полипептидов и
полинуклеотидов могло происходить в пленке из низкомолекулярных
органических соединений в безводной среде, например на склонах
вулканических конусов, покрытых остывающей лавой. Это предположение находит
подтверждение в опытах. Выдерживание в течение определенного времени при
130°С сухой смеси аминокислот в сосудах из кусков лавы приводило к
образованию полипептидов.
Образующиеся описанным образом биополимеры смывались ливневыми потоками в
первичный бульон, что защищало их от разрушающего действия УФ-излучения,
которое в то время из-за отсутствия в атмосфере планеты озонового слоя было
очень жестким.
По мере повышения концентрации полипептидов, полинуклеотидов и других
органических соединений в первичном бульоне сложились условия для
следующего этапа—самопроизвольного возникновения предбиологических форм
сложного химического состава, или протобионтов. Предположительно они могли
быть представлены коацерватами (А. И. Опарин) или микросферами (С. Фоке).
Это коллоидные капли с уплотненным поверхностным слоем, имитирующим
мембрану, содержимое которых составляли один или несколько видов
биополимеров. Возможность образования в коллоидных растворах структур типа
коацерватов или микросфер доказана опытным путем.
При определенных условиях коацерваты проявляют некоторые общие свойства
живых форм. Они способны до известной степени избирательно поглощать
вещества из окружающего раствора. Часть продуктов химических реакций,
проходящих в коацерватах с участием поглощаемых веществ, выделяется ими
обратно в среду. Происходит процесс, напоминающий обмен веществ. Накапливая
вещества, коацерваты увеличивают свой объем (рост). По достижении
определенных размеров они распадаются на части, сохраняя при этом некоторые
черты исходной химической организации (размножение). Поскольку устойчивость
коацерватов различного химического состава различна, среди них происходит
отбор.
Перечисленные выше свойства ученые усматривают у протоби-онтов.
Протобионты представляются как обособленные от окружающей среды, открытые
макромолекулярные системы, возникавшие в первичном бульоне и способные к
примитивным формам роста, размножения, обмена веществ и предбиологическому
химическому отбору.
Предбиологическая эволюция протобионтов осуществлялась в трех главных
направлениях. Важное значение имело совершенствование каталитической
(ферментной) функции белков. Один из путей, дающих требуемый результат,
заключается, по-видимому, в образовании комплексов металлов с органическими
молекулами. Так, включение железа в порфириновое кольцо гемоглобина
увеличивает его каталитическую активность в сравнении с активностью самого
железа в растворе в 1000 раз. Развивалось такое свойство биологического
катализа, как специфичность. Во-вторых, исключительная роль в эволюции
протобионтов принадлежит приобретению полинуклеотидами способности к
самовоспроизведению, что сделало возможным передачу информации от поколения
к поколению, т. е. сохранение ее во времени. В основе этой способности
лежит матричный синтез. Механизм матричного синтеза был использован также
для переноса информации с полинуклеотидов на полипепти-ды. Третье главное
направление эволюции протобионтов состояло в возникновении мембран.
Отграничение от окружающей среды мембраной с избирательной проницаемостью
превращает протобионт в устойчивый набор макромолекул, стабилизирует важные
параметры обмена веществ на основе специфического катализа.
Разделение функций хранения и пространственно-временной передачи
информации, с одной стороны (нуклеиновые кислоты), и использование ее для
организации специфических структуры и обмена веществ — с другой (белки);
появление молекулярного механизма матричного синтеза биополимеров; освоение
эффективных систем энергообеспечения жизнедеятельности (АТФ); образование
типичной биологической мембраны — все это привело к возникновению живых
существ, которые поначалу были представлены примитивными клетками.
С момента появления клеток предбиологический химический отбор уступил место
биологическому отбору. Дальнейшее развитие жизни шло согласно законам
биологической эволюции. Переломным моментом на этом пути было возникновение
клеток эукариотического типа, многоклеточных организмов, человека.
Реферат на тему: Происхождение жизни: абиогенез и панспермия. Гиперцикл. Геохимический подход к проблеме
С общепланетарной точки зрения жизнь следует рассматривать как способ
стабилизации существующих на планете геохимических циклов.
Что же касается происхождения жизни на Земле, то обычно проблему, ещё
со времён Геккеля, сводят к чисто химической задаче: как синтезировать
сложные органические макромолекулы (белки и нуклеиновые кислоты) из простых
(метана, аммиака, сероводорода и пр.), которые составляли первичную
атмосферу Земли. Следует честно признать, что даже эта, в общем-то
техническая, задача чрезвычайно далека от своего разрешения. В 20-ые годы
А. И. Опарин и Дж. Холдейн экспериментально показали, что в растворах
высокомолекулярных органических соединений могут возникать зоны повышенной
их концентрации – коацерватные капли, которые в определённом смысле ведут
себя подобно живым объектам: самопроизвольно растут, делятся и обмениваются
веществом с окружающей их жидкостью через уплотненную поверхность раздела.
Затем, в 1953 г., С. Миллер воспроизвёл в колбе газовый состав первичной
атмосферы Земли и при помощи электрических разрядов, имитирующих грозы,
синтезировал в ней ряд органических соединений – в том числе аминокислоты.
Через некоторое время С. Фоксу удалось соединить последние в короткие
регулярные цепи – осуществить безматричный синтез полипептидов; подобные
полипептидные цепи были потом реально найдены, среди прочей простой
органики, в метеоритном веществе. Этим, собственно говоря, и исчерпываются
реальные успехи, достигнутые в рамках концепции абиогенеза.
В качестве альтернативы абиогенезу выступила концепция панспермии,
связанная с именами таких выдающихся учёных, как Г. Гельмгольц, У. Томпсон,
С. Аррениус, В. И. Вернадский. Эти исследователи полагали, что жизнь столь
же вечна и повсеместна, как материя, и зародыши её постоянно путешествуют
по космосу; Аррениус, в частности, доказал путём расчётов принципиальную
возможность переноса бактериальных спор с планеты на планету под действием
давления света; предполагалось также, что вещество Земли в момент её
образования из газопылевого облака уже было инфицировано входившим в состав
последнего «зародышами жизни».
Концепцию панспермии обычно упрекают в том, что она не даёт
принципиального ответа на вопрос о путях происхождения жизни и лишь
отодвигает решение этой проблемы на неопределённый срок. При этом молчаливо
подразумевается, что жизнь должна была произойти в некоторой конкретной
точке Вселенной и далее расселяться по космическому пространству – подобно
тому, как вновь возникшие виды животных и растений расселяются по Земле из
района своего происхождения; в такой интерпретации гипотеза панспермии
выглядит по сути просто уходом от решения поставленной задачи. Однако
действительная суть этой концепции заключается вовсе не в романтических
межпланетных странствиях «зародышей жизни», а в том, что жизнь как таковая
просто является одним из фундаментальных свойств материи, и вопрос о
«происхождении жизни» стоит в том же ряду, что и. Например, вопрос о
«происхождении гравитации». Однако все попытки обнаружить живые существа
(или их ископаемые остатки) вне Земли, и прежде всего в составе
метеоритного вещества, так и не дали положительного результата. Это
заставляет сделать вывод, что панспермия, так же как абиогеноз, не даёт
удовлетворительного ответа на вопрос о возникновении жизни на Земле.
Реальный прорыв в этой области обозначился лишь в последние 20-25
лет, и связан он был с приложением к проблеме возникновения жизни теории
самоорганизующихся систем. Самоорганизующейся называют такую систему,
которая обладает способностью корректировать своё поведение на основе
предшествующего опыта. Следует сразу оговорить, что при этом было строго
показано, что рассмотрение процессов развития принципиально не возможно в
рамках классической термодинамики.
М. Эйген выдвинул концепцию образования упорядоченных макромолекул из
неупорядоченного вещества на основе матричной репродукции и естественного
отбора. Он начинает с того, что дарвинский принцип естественного отбора
(ЕО) – единственный понятный нам способ создания новой информации. Если
имеется система самовоспроизводящихся единиц, которые строятся из
материала, поступающего в ограниченном количестве из единого источника, то
в ней с неизбежностью возникает конкуренция и, как её следствие, ЕО.
Эволюционное поведение, управляемое ЕО, основано на самовоспроизведении с
«информационном шумом» (изменениями). Наличие этих двух физических свойств
достаточно, что бы стало принципиально возможным возникновение системы с
прогрессирующей степенью сложности.
Итак, Эйгену «всего-навсего» осталось найти реальный класс химических
реакций, компоненты которых вели бы себя подобно дарвинским видам, т. е.
обладали бы способностью «отбираться» и, соответственно, эволюционировать в
сторону увеличения сложности организации. Именно таким свойством обладают
нелинейные автокаталитические цепи, названные им гиперциклами.
Гиперциклы, одним из простейших примеров которых является размножение
РНК-содержащего вируса в бактериальной клетке, обладают рядом уникальных
свойств, порождающих дарвинское поведение системы. Гиперцикл конкурирует с
любой самовоспроизводящейся единицей, не являющейся его членом. Он не может
стабильно сосуществовать и с другими гиперциклами, если только не объединён
с ними в автокаталитический цикл следующего, более высокого порядка. Состоя
из самостоятельных самовоспроизводящихся единиц, он обладает и
интегрирующими свойствами. Таким образом, гиперцикл объединяет эти единицы
в систему, способную к согласованной эволюции, где преимущества одного
индивида могут использоваться всеми её членами, причём система как целое
продолжает интенсивно конкурировать с любой единицей иного состава.
Эта концепция, в частности, вполне удовлетворительно описывает
возникновение на основе взаимного катализа системы «нуклеиновая кислота-
белок» - решающие событие в процессе возникновения жизни на Земле. Вместе с
тем сам Эйген подчёркивает, что в ходе реальной эволюции гиперцикл вполне
мог «вымереть».
Однако на процесс возникновения жизни можно посмотреть и с несколько
иной позиции, не биохимической, а геохимической, как это делает, например,
А. С. Раутиан. Мы уже говорили о том, что с общепланетарной точки зрения
жизнь – это способ упорядочения и стабилизации геохимических круговоротов;
откуда же берётся сам геохимический круговорот?
Открытый космос холоден (лишь на 4 0С теплее абсолютного нуля)
потому, что концентрация вещества в нём ничтожно мала,
и звёздам просто нечего нагревать;
по этой же самой причине Вселенная прозрачна, и мы видим небесные светила.
В то же время любая планета, будучи непрозрачной. Аккумулирует часть
энергии, излучаемой центральным светилом, и нагревается, и тогда между
нагретой планетой и холодным космосом возникает температурный градиент
(ТГ). Если планета обладает при этом достаточно подвижной газообразной или
жидкой оболочкой, то ТГ с неизбежностью порождает в ней – просто за счёт
конвекции – физико-химический круговорот. В этот круговорот с неизбежностью
же вовлекается и твёрдая оболочка планеты, в результате чего возникает
глобальный геохимический цикл – прообраз биосферы.
Итак, движущей силой геохимических круговоротов является в конечном
счёте энергия центрального светила в форме ТГ. Поэтому элементарные
геохимические циклы существуют в условиях периодического падения
поступающей в них энергии – в те моменты, когда они в результате вращения
планеты оказываются на её теневой стороне, где ТГ меньше. Эта ситуация
должна порождать отбор круговоротов на стабильность, т. е. на их
способность поддерживать собственную структуру. Наиболее же стабильными
окажутся те круговороты, что «научатся» запасать энергию во время световой
фазы цикла, с тем, чтобы расходовать её во время теневой. Другим параметром
отбора круговоротов, очевидно, должно быть увеличение скорости оборота
вовлечённого в них вещества; здесь выигрывать будут те из круговоротов, что
обзаведутся наиболее эффективными катализаторами. В конкретных условиях
Земли такого рода преимущества будут иметь круговороты, что происходят при
участии высокомолекулярных соединений углерода.
Итак, жизнь в форме химической активности означенных соединений
оказывается стабилизатором и катализатором уже существующих на планете
геохимических циклов; циклы при этом «крутятся» за счёт внешнего источника
энергии. Это напоминает автокаталитическую систему, которая обладает
потенциальной способностью к саморазвитию и прежде всего к
совершенствованию самих катализаторов-интермедиантов. Отсюда становится
понятным парадоксальный вывод, к которому независимо друг от друга
приходили такие исследователи, как Дж. Бернал и М. М. Камшилов: жизнь как
явление должна предшествовать появлению живых существ.
Министерство образования Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный инженерно-экономический
университет
«Происхождение жизни: абиогенез и панспермия. Гиперцикл.
Геохимический подход к проблеме».
Работу выполнила:
Работу принял:
Туманова Анна
Скобочкин гр. 311, II курс
Виктор Ефимович
Санкт-Петербург
2002
| |
