Съвременни хипотези за произхода на живота на земята. Концепции за произхода на живота на земята Може ли животът да възникне в момента
Понастоящем животът на Земята не може да възникне абиогенно. Дори Дарвин пише през 1871 г.: „Но ако сега... в някакъв топъл резервоар, съдържащ всички необходими амониеви и фосфорни соли и достъпен за светлина, топлина, електричество, е бил химически образуван протеин, способен на по-нататъшни все по-сложни трансформации, тогава тази материя веднага ще бъдат унищожени и погълнати, което е било невъзможно през периода на възникване на живите същества. Животът възниква на Земята по абиогенен начин. В момента живото идва само от живо (биогенен произход). Изключена е възможността за повторно възникване на живот на Земята.
Теорията на панспермията.
През 1865 г. немският лекар Г. Рихтер изложи космозойска хипотеза
(космически зародиши), според които животът е вечен и микробите обитаващи световно пространствоможе да се пренася от една планета на друга.
Подобна хипотеза е изложена от шведския натуралист С. Арениус през 1907 г., като приема, че зародишите на живота винаги съществуват във Вселената - хипотезата за панспермия.Той описва как частици материя, прахови частици и живи спори на микроорганизми напускат планетите, обитавани от други същества, в световното пространство. Те поддържат своята жизнеспособност, като летят в пространството на Вселената поради лек натиск. Веднъж попаднали на планета с подходящи условия за живот, те започват нов живот на тази планета. Тази хипотеза беше подкрепена от мнозина, включително руските учени С. П. Костичев, Л. С. Берг и П. П. Лазарев.
Тази хипотеза не предлага никакъв механизъм за обяснение на първичния произход на живота и пренася проблема на друго място във Вселената. Либих вярваше, че „атмосферата небесни тела, както и въртящите се космически мъглявини, могат да се разглеждат като вечни хранилища на анимирана форма, като вечни плантации на органични зародиши, откъдето животът се разпръсква под формата на тези зародиши във Вселената.
За да се оправдае панспермията, се използват скални рисунки, изобразяващи обекти, подобни на ракети или астронавти, или външния вид на НЛО. Полетите на космически кораби разрушиха вярата в съществуването на интелигентен живот на планетите слънчева система, който се появи след откриването на канали на Марс от Шипарели през 1877г.
Ловел преброи 700 канала на Марс. Мрежата от канали покриваше всички континенти. През 1924 г. каналите са заснети и повечето учени виждат в тях доказателство за съществуването на разумен живот. Снимките на 500 канала също регистрират сезонни промени в цвета, което потвърждава идеите на съветския астроном Г. А. Тихов за растителността на Марс, тъй като езерата и каналите са зелени.
Ценна информация за физическите условия на Марс е получена от съветския космически кораб на Марс и американските станции за кацане Викинг-1 и Викинг-2. Така полярните шапки, които претърпяват сезонни промени, се оказват съставени от водна пара с примес от минерален прах и твърд въглероден диоксид от сух лед). Но досега на Марс не са открити следи от живот.
Изследването на повърхността от борда на изкуствените спътници предполага, че каналите и реките на Марс могат да бъдат резултат от топенето на повърхностния воден лед в зони с повишена активност или вътрешна топлина на планетата, или по време на периодични промени в климата.
В края на шейсетте години на ХХ век интересът към хипотезите за панспермията отново нараства. При изследване на веществото на метеоритите и кометите са открити "предшественици на живите" - органични съединения, циановодородна киселина, вода, формалдехид, цианогени.
Формалдехидът е открит в 60% от случаите в 22 изследвани области, неговите облаци с концентрация от приблизително 1000 молекули/cm. куб запълване на големи пространства.
През 1975 г. в лунната почва и метеоритите са открити предшественици на аминокиселини.
Концепцията за стационарно състояние на живот.
Според В. И. Вернадски е необходимо да се говори за вечността на живота и проявите на неговите организми, както говорим за вечността на материалния субстрат на небесните тела, техните топлинни електрически, магнитни свойства и техните прояви. Всички живи същества произлизат от живи същества (принципът на Реди).
Примитивните едноклетъчни организми биха могли да възникнат само в биосферата на Земята, както и в биосферата на Вселената. Според Вернадски естествените науки са изградени върху предположението, че животът със своите особени качества не взема никакво участие в живота на Вселената. Но биосферата трябва да се вземе като цяло, като единен жив космически организъм (тогава въпросът за началото на живото, за скока от неодушевено към живо отпада).
Хипотезата за холобиоза.
Става въпрос за прототипа на предклетъчния предшественик и неговите способности.
Съществуват различни форми на предклетъчен предшественик - "биоид", "биомонада", "микросфера".
Според биохимика П. Декер, структурната основа на "биоида" се формира от жизнеспособни неравновесни дисипативни структури, тоест откриването на микросистема с ензимен апарат, който катализира метаболизма на "биоида".
Тази хипотеза интерпретира активността до клетъчния предшественик в обменно-метаболитен дух.
В рамките на хипотезата за “холобиоза” биохимиците С. Фокс и К. Дозе моделират своите биополимери, способни на метаболизъм – сложен протеинов синтез.
Основният недостатък на тази хипотеза е липсата на генетична система в такъв синтез. Оттук и предпочитанието към "молекулярния предшественик" на всяко живо същество, а не към първичната протоклетъчна структура.
Хипотезата за генобиоза.
Американският учен Халдейн смята, че първичната не е структура, способна да обменя вещества околен свят, но макромолекулна система, подобна на ген и способна да се възпроизвежда, и поради това наречена от него „гол ген“. Тази хипотеза получи общо признание след откриването на РНК и ДНК и техните феноменални свойства.
Според тази генетична хипотеза нуклеиновите киселини първо възникват като матрична основа за протеиновия синтез. За първи път е предложен през 1929 г. от Г. Мьолер.
Експериментално е доказано, че простите нуклеинови киселини могат да се репликират без ензими. Синтезът на протеини върху рибозомите се осъществява с участието на t-РНК и р-РНК. Те са в състояние да изграждат не просто произволни комбинации от аминокиселини, но и подредени полимери с протеин. Може би първичните рибозоми се състоят само от РНК. Такива рибозоми без протеин биха могли да синтезират подредени пептиди с участието на t-RNA молекули, които се свързват с r-RNA чрез сдвояване на бази.
На следващия етап от химическата еволюция се появяват матрици, които определят последователността на молекулите на t-RNA и по този начин последователността на аминокиселините, които са свързани с молекулите на t-RNA. Способността на нуклеиновите киселини да служат като шаблони при образуването на комплементарни вериги (например синтеза на и - РНК върху ДНК) е най-убедителният аргумент в полза на идеята за водеща роля в процеса на биогенезата на наследствения апарат и следователно в полза на генетичната хипотеза за произхода на живота.
3. Как се е появил животът на Земята
Съвременната концепция за произхода на живота на Земята е резултат от широк синтез естествени науки, много теории и хипотези, излагани от изследователи от различни специалности.
1. Какво е животът?
Отговор. Животът е начин на съществуване на същества (живи организми), надарени с вътрешна активност, процес на развитие на тела с органична структура с постоянно преобладаване на процесите на синтез над процесите на разпад, специално състояние на материята, постигнато поради следните свойства. Животът е начин на съществуване на белтъчни тела и нуклеинови киселини, чиято съществена точка е постоянният обмен на вещества с околната среда, а с прекратяването на този обмен се прекратява и животът.
2. Какви хипотези за произхода на живота знаете?
Отговор. Различни идеи за произхода на живота могат да бъдат групирани в пет хипотези:
1) креационизъм - Божествено творение на живите;
2) спонтанно зараждане – живите организми възникват спонтанно от нежива материя;
3) хипотезата за стационарно състояние – живот винаги е съществувал;
4) хипотезата за панспермия – животът се внася на нашата планета отвън;
5) хипотезата за биохимична еволюция - животът е възникнал в резултат на процеси, които се подчиняват на химични и физични закони. В момента повечето учени подкрепят идеята за абиогенния произход на живота в процеса на биохимична еволюция.
3. Какъв е основният принцип научен метод?
Отговор. Научният метод е съвкупност от техники и операции, използвани при изграждането на система от научно познание. Основният принцип на научния метод е нищо да не се приема за даденост. Всяко твърдение или опровержение на нещо трябва да се проверява.
Въпроси след § 89
1. Защо представата за божествения произход на живота не може да бъде нито потвърдена, нито опровергана?
Отговор. Процесът на Божественото сътворение на света е замислен като осъществен само веднъж и поради това недостъпен за изследване. Науката се занимава само с онези явления, които могат да бъдат наблюдавани и пилотно проучване. Следователно от научна гледна точка хипотезата за Божествения произход на живите същества не може нито да бъде доказана, нито опровергана. Основният принцип на научния метод е "не приемай нищо за даденост". Следователно логично не може да има противоречие между научното и религиозното обяснение на произхода на живота, тъй като тези две сфери на мисълта взаимно се изключват.
2. Кои са основните положения на хипотезата Опарин-Халдейн?
Отговор. В съвременните условия възникването на живи същества от неживата природа е невъзможно. Абиогенно (т.е. без участието на живи организми) появата на жива материя е била възможна само в условията на древната атмосфера и отсъствието на живи организми. Съставът на древната атмосфера включва метан, амоняк, въглероден двуокис, водород, водна пара и други неорганични съединения. Под въздействието на мощни електрически разряди, ултравиолетова радиация и висока радиация от тези вещества могат да се появят органични съединения, които се натрупват в океана, образувайки „първична супа“. В "първичния бульон" от биополимери се образуват многомолекулни комплекси - коацервати. Металните йони, които действат като първите катализатори, навлизат в коацерватните капчици от външната среда. От огромния брой химически съединения, присъстващи в „първичната супа“, бяха избрани най-каталитично ефективните комбинации от молекули, които в крайна сметка доведоха до появата на ензими. Липидни молекули се нареждат на границата между коацерватите и външната среда, което води до образуването на примитивна клетъчна мембрана. На определен етап протеиновите пробионти включват нуклеинови киселини, създавайки единични комплекси, което доведе до появата на такива живи свойства като самовъзпроизвеждане, запазване на наследствена информация и предаването й на следващите поколения. Пробионтите, при които метаболизмът е комбиниран със способността да се възпроизвеждат, вече могат да се считат за примитивни клетки, по-нататъчно развитиекоето е настъпило според законите на еволюцията на живата материя.
3. Какви експериментални доказателства могат да бъдат дадени в полза на тази хипотеза?
Отговор. През 1953 г. тази хипотеза на А. И. Опарин е експериментално потвърдена от експериментите на американския учен С. Милър. В създадената от него инсталация са симулирани условията, които вероятно са съществували в първичната атмосфера на Земята. В резултат на експериментите са получени аминокиселини. Подобни експерименти се повтарят многократно в различни лаборатории и позволяват да се докаже фундаменталната възможност за синтезиране на практически всички мономери на основните биополимери при такива условия. Впоследствие беше установено, че при определени условия е възможно да се синтезират по-сложни органични биополимери от мономери: полипептиди, полинуклеотиди, полизахариди и липиди.
4. Каква е разликата между хипотезата на A. I. Oparin и хипотезата на J. Haldane?
Отговор. Дж. Халдейн също изложи хипотезата за абиогенния произход на живота, но за разлика от А. И. Опарин той даде приоритет не на протеините - коацерватни системи, способни на метаболизъм, а на нуклеиновите киселини, тоест на макромолекулните системи, способни да се самовъзпроизвеждат.
5. Какви аргументи дават опонентите, когато критикуват хипотезата Опарин-Халдейн?
Отговор. Хипотезата на Опарин-Халдейн има и слаба странапосочена от нейните опоненти. В рамките на тази хипотеза не е възможно да се обясни основният проблем: как е настъпил качественият скок от неодушевено към живо. Наистина, за самовъзпроизвеждането на нуклеиновите киселини са необходими ензимни протеини, а за синтеза на протеини - нуклеинови киселини.
Дайте възможни аргументи "за" и "против" хипотезата за панспермия.
Отговор. Аргументи за:
Животът на ниво прокариоти се появява на Земята почти веднага след образуването му, въпреки че разстоянието (по отношение на разликата в нивото на сложност на организация) между прокариотите и бозайниците е сравнимо с разстоянието от първичната супа до париотите;
В случай на възникване на живота на която и да е планета от нашата галактика, той, както е показано например от оценките на А. Д. Панов, може да „зарази“ цялата галактика за период от само няколкостотин милиона години;
Находки в някои метеорити на артефакти, които могат да се интерпретират като резултат от дейността на микроорганизми (дори преди метеоритът да удари Земята).
Хипотезата за панспермията (животът е донесен на нашата планета отвън) не отговаря на основния въпрос как е възникнал животът, а пренася този проблем на някое друго място във Вселената;
Пълна радиотишина на Вселената;
Тъй като се оказа, че цялата ни Вселена е само на 13 милиарда години (тоест цялата ни Вселена е само 3 пъти по-стара (!) от планетата Земя), тогава остава много малко време за възникването на живота някъде далеч. .. Най-близката до нас звезда, a-centauri, е 4 sv. на годината. Модерен изтребител (4 скорости на звука) ще лети до тази звезда ~ 800 000 години.
Ч. Дарвин пише през 1871 г.: „Но сега... в някакъв топъл резервоар, съдържащ всички необходими амониеви и фосфорни соли и достъпен за светлина, топлина, електричество и т.н., се образува химически протеин, способен на по-нататъшни, все по-сложни трансформации , то това вещество веднага би се унищожило или абсорбирало, което беше невъзможно в периода преди появата на живите същества.
Потвърдете или опровергайте това твърдение на Чарлз Дарвин.
Отговор. Процесът на възникване на живи организми от прости органични съединения беше изключително дълъг. За да се зароди животът на Земята, е бил необходим еволюционен процес, продължил много милиони години, по време на който сложните молекулярни структури, предимно нуклеинови киселини и протеини, са били избрани за стабилност, за способността да възпроизвеждат себеподобни.
Ако сега на Земята някъде в области с интензивна вулканична дейност могат да възникнат доста сложни органични съединения, тогава вероятността за продължително съществуване на тези съединения е незначителна. Изключена е възможността за повторно възникване на живот на Земята. Сега живите същества се появяват само чрез размножаване.
Хипотеза на А. И. Опарин.Най-съществената характеристика на хипотезата на А. И. Опарин е постепенното усложняване на химичната структура и морфологичния вид на предшествениците на живота (пробионтите) по пътя към живите организми.
Голямо количество данни предполагат, че крайбрежните райони на моретата и океаните могат да бъдат среда за възникване на живота. Тук, на кръстопътя на морето, сушата и въздуха, са създадени благоприятни условия за образуване на сложни органични съединения. Например, решения на някои органична материя(захари, алкохоли) са силно стабилни и могат да съществуват неограничено време за дълго време. В концентрирани разтвори на протеини, нуклеинови киселини могат да се образуват съсиреци, подобни на желатиновите съсиреци в водни разтвори. Такива съсиреци се наричат коацерватни капки или коацервати (фиг. 70). Коацерватите са способни да се адсорбират различни вещества. От разтвора в тях влизат химични съединения, които се трансформират в резултат на реакциите, протичащи в коацерватни капки, и се отделят в околната среда.
Коацерватите все още не са живи същества. Те показват само външна прилика с такива признаци на живи организми като растеж и метаболизъм с околната среда. Следователно появата на коацервати се разглежда като етап от развитието на предживота.
Ориз. 70. Образуване на коацерватна капка
Коацерватите са претърпели много дълъг подбор за стабилност на конструкцията. Стабилността е постигната благодарение на създаването на ензими, които контролират синтеза на определени съединения. Най-важният етап от възникването на живота беше появата на механизъм за възпроизвеждане на собствения вид и наследяване на свойствата на предишните поколения. Това стана възможно благодарение на образуването на сложни комплекси от нуклеинови киселини и протеини. Нуклеиновите киселини, способни на саморепликация, започнаха да контролират синтеза на протеини, определяйки реда на аминокиселините в тях. А ензимните протеини извършват процеса на създаване на нови копия на нуклеиновите киселини. Така възниква основното свойство, характерно за живота - способността да възпроизвежда молекули, подобни на себе си.
Живите същества са така наречените отворени системи, тоест системи, в които енергията идва отвън. Без енергия животът не може да съществува. Както знаете, според методите на потребление на енергия (виж глава III), организмите се разделят на две големи групи: автотрофни и хетеротрофни. Автотрофните организми използват директно слънчева енергия в процеса на фотосинтеза (зелени растения), хетеротрофните организми използват енергия, която се отделя при разпадането на органичните вещества.
Очевидно първите организми са били хетеротрофи, получаващи енергия чрез безкислородно разделяне на органични съединения. В зората на живота не е имало свободен кислород в земната атмосфера. Появата на модерна атмосфера химичен съставтясно свързана с развитието на живота. Появата на организми, способни на фотосинтеза, доведе до освобождаването на кислород в атмосферата и водата. При него става възможно кислородно разцепване на органичните вещества, при което се получава многократно повече енергия, отколкото при безкислородни.
От момента на възникването си животът образува единна биологична система – биосферата. глава XVI). С други думи, животът е възникнал не под формата на отделни изолирани организми, а веднага под формата на общности. Еволюцията на биосферата като цяло се характеризира с постоянно усложнение, т.е. появата на все по-сложни структури.
Възможен ли е животът на Земята сега? От това, което знаем за произхода на живота на Земята, става ясно, че процесът на възникване на живите организми от прости органични съединения е бил изключително дълъг. За да се зароди животът на Земята, е бил необходим еволюционен процес, продължил много милиони години, по време на който сложните молекулярни структури, предимно нуклеинови киселини и протеини, са били избрани за стабилност, за способността да възпроизвеждат себеподобни.
Ако сега на Земята някъде в области с интензивна вулканична дейност могат да възникнат доста сложни органични съединения, тогава вероятността за продължително съществуване на тези съединения е незначителна. Те незабавно ще бъдат окислени или използвани от хетеротрофни организми. Чарлз Дарвин разбра това много добре. През 1871 г. той пише: „Но сега... в някакъв топъл резервоар, съдържащ всички необходими амониеви и фосфорни соли и достъпен за светлина, топлина, електричество и т.н., протеин, способен на по-нататъшни, все по-сложни трансформации, тогава това вещество ще незабавно да бъдат унищожени или погълнати, което е било невъзможно в периода преди появата на живите същества.
Животът възниква на Земята по абиогенен начин.В момента живото идва само от живо (биогенен произход). Изключена е възможността за повторно възникване на живот на Земята.
- Назовете основните етапи, от които може да се състои процесът на възникване на живота на Земята.
- Как според вас изчерпването на хранителните вещества във водите на първичния океан повлия на по-нататъшната еволюция?
- Обяснете еволюционното значение на фотосинтезата.
- Защо мислите, че хората се опитват да отговорят на въпроса за произхода на живота на Земята?
- Защо е невъзможно повторното възникване на живота на Земята?
- Дефинирайте понятието "живот".
