Współczesne hipotezy powstania życia na ziemi. Koncepcje powstania życia na ziemi
Obecnie życie na Ziemi nie może powstać w sposób abiogenny. Nawet Darwin w 1871 r. pisał: „Ale jeśli teraz… w jakimkolwiek ciepłym zbiorniku zawierającym wszystkie niezbędne sole amonowe i fosforowe oraz dostępnym dla światła, ciepła, elektryczności, powstało chemicznie białko zdolne do dalszych, coraz bardziej złożonych przemian, to dzięki temu substancja zostałaby natychmiast zniszczona i wchłonięta, co było niemożliwe w okresie pojawienia się żywych istot.” Życie powstało na Ziemi w sposób abiogenny. Obecnie istoty żywe pochodzą tylko z istot żywych (pochodzenie biogeniczne). Możliwość ponownego pojawienia się życia na Ziemi jest wykluczona.
Teoria panspermii.
W 1865 r. niemiecki lekarz G. Richter przedstawił: hipoteza kosmozoa
( podstawy kosmiczne), zgodnie z którymi życie jest wieczne i zamieszkujące ją podstawy przestrzeń światowa, można przenosić z jednej planety na drugą.
Podobną hipotezę postawił w 1907 r. szwedzki przyrodnik S. Arrhenius, sugerując, że embriony życia wiecznie istnieją we Wszechświecie - hipoteza panspermii. Opisał, jak cząsteczki materii, cząsteczki kurzu i żywe zarodniki mikroorganizmów opuszczają przestrzeń światową z planet zamieszkałych przez inne stworzenia. Zachowują swoją żywotność, latając w przestrzeni Wszechświata dzięki lekkiemu naciskowi. Dostając się na planetę z odpowiednimi warunkami do życia, rozpoczynają nowe życie na tej planecie. Hipotezę tę poparło wielu, w tym rosyjscy naukowcy S.P. Kostychev, L.S. Berg i P.P. Lazarev.
Hipoteza ta nie sugeruje żadnego mechanizmu wyjaśniającego pierwotne pochodzenie życia i przenosi problem w inne miejsce we Wszechświecie. Liebig uważał, że „atmosfera” ciała niebieskie, jak również wirujące mgławice kosmiczne, można uznać za wieczne składnice ożywionej formy, za wieczne plantacje organicznych embrionów”, skąd życie w postaci tych embrionów rozprasza się we Wszechświecie.
Aby uzasadnić panspermię, wykorzystuje się rzeźby naskalne przedstawiające obiekty podobne do rakiet lub astronautów lub wygląd UFO. Loty statków kosmicznych zniszczyły wiarę w istnienie inteligentnego życia na planetach Układ Słoneczny który pojawił się po odkryciu kanałów na Marsie przez Schiparelli w 1877 roku.
Lovell naliczył 700 kanałów na Marsie. Sieć kanałów obejmowała wszystkie kontynenty. W 1924 roku sfotografowano kanały, a większość naukowców widziała w nich dowody na istnienie inteligentnego życia. Fotografie 500 kanałów również zarejestrowały sezonowe zmiany kolorów, co potwierdziło idee radzieckiego astronoma G.A.Tikhova dotyczące roślinności na Marsie, ponieważ jeziora i kanały były zielone.
Cenne informacje o warunkach fizycznych na Marsie uzyskała sowiecka sonda Mars oraz amerykańskie stacje lądowania Viking-1 i Viking-2. Zatem czapy polarne, podlegające zmianom sezonowym, okazały się być zbudowane z pary wodnej z domieszką pyłu mineralnego i stałego dwutlenku węgla z suchego lodu). Ale jak dotąd na Marsie nie znaleziono śladów życia.
Badania powierzchni z pokładów sztucznych satelitów sugerowały, że kanały i rzeki Marsa mogą powstawać w wyniku topnienia pod powierzchniowym lodem wodnym w strefach zwiększonej aktywności lub wewnętrznego ciepła planety lub podczas okresowych zmian klimatycznych.
Pod koniec lat sześćdziesiątych XX wieku ponownie wzrosło zainteresowanie hipotezami panspermii. Podczas badania substancji meteorytów i komet odkryto „prekursory istot żywych” - związki organiczne, kwas cyjanowodorowy, wodę, formaldehyd, cyjany.
Formaldehyd znajduje się w 60% przypadków w 22 badanych regionach, jego chmury o stężeniu około 1000 cząsteczek/cm. młode. wypełnić ogromne przestrzenie.
W 1975 roku prekursory aminokwasów znaleziono w glebie księżycowej i meteorytach.
Pojęcie stacjonarnego stanu życia.
Według V.I. Vernadsky'ego należy mówić o wieczności życia i przejawach jego organizmów, ponieważ mówimy o wieczności materialnego podłoża ciał niebieskich, ich termicznych właściwościach elektrycznych, magnetycznych i ich przejawach. Wszystkie żywe istoty pochodzą od żywych istot (zasada Redi).
Prymitywne organizmy jednokomórkowe mogły powstać tylko w biosferze Ziemi, a także w biosferze Wszechświata. Według Vernadsky'ego nauki przyrodnicze budowane są na założeniu, że życie ze swoimi szczególnymi właściwościami nie bierze udziału w życiu Wszechświata. Ale biosferę trzeba traktować jako całość, jako jeden żywy organizm kosmiczny (wtedy znika kwestia początku życia, przeskoku od nieożywionego do żywego).
Hipoteza „holobiazy”.
Dotyczy prototypu przodka przedkomórkowego i jego zdolności.
Istnieją różne formy przodka przedkomórkowego - "bioid", "biomonada", "mikrosfera".
Według biochemika P. Dekkera, strukturalna podstawa „bioidu” składa się z żywotnych nierównowagowych struktur rozpraszających, to znaczy otwarcia mikrosystemu z aparatem enzymatycznym, który katalizuje metabolizm „bioidu”.
Ta hipoteza interpretuje aktywność aż do przodka komórki w duchu wymiany i metabolizmu.
Biochemicy S. Fox i K. Dose modelowali swoje biopolimery zdolne do metabolizmu - złożonej syntezy białek w ramach hipotezy „holobiozy”.
Główną wadą tej hipotezy jest brak systemu genetycznego do takiej syntezy. Stąd preferencja dla „molekularnego przodka” każdej żywej istoty, a nie pierwotnej struktury protokomórkowej.
Hipoteza genobiozy.
Amerykański naukowiec Haldane uważał, że pierwotna struktura nie jest strukturą zdolną do metabolizmu z środowisko, ale mokry układ molekularny, podobny do genu i zdolny do reprodukcji, dlatego nazwany przez niego „nagim genem”. Hipoteza ta zyskała powszechne uznanie po odkryciu RNA i DNA oraz ich fenomenalnych właściwości.
Zgodnie z tą hipotezą genetyczną kwasy nukleinowe pojawiły się na początku jako podstawa matrycy do syntezy białek. Po raz pierwszy został przedstawiony w 1929 roku przez G. Möllera.
Udowodniono eksperymentalnie, że proste kwasy nukleinowe można replikować bez enzymów. Synteza białek na rybosomach odbywa się przy udziale t – RNA i p – RNA. Są w stanie budować nie tylko przypadkowe kombinacje aminokwasów, ale uporządkowane polimery według białka. Możliwe, że pierwotne rybosomy składały się tylko z RNA. Takie bezbiałkowe rybosomy mogłyby syntetyzować uporządkowane peptydy z udziałem cząsteczek t-RNA, które wiążą się z r-RNA poprzez parowanie zasad.
W kolejnym etapie ewolucji chemicznej pojawiły się macierze określające sekwencję cząsteczek t-RNA, a tym samym sekwencję aminokwasów, które są wiązane przez cząsteczki t-RNA. Zdolność kwasów nukleinowych do pełnienia roli matryc do tworzenia łańcuchów komplementarnych (np. synteza i - RNA na DNA) jest najbardziej przekonującym argumentem na rzecz koncepcji wiodącej roli w procesie biogenezy aparatu dziedzicznego a zatem na korzyść genetycznej hipotezy o pochodzeniu życia.
3. Jak pojawiło się życie na Ziemi
Współczesna koncepcja powstania życia na Ziemi jest wynikiem szerokiej syntezy nauki przyrodnicze, wiele teorii i hipotez wysuwanych przez badaczy różnych specjalności.
1. Czym jest życie?
Odpowiedź. Życie jest sposobem bycia dla bytów (organizmów żywych) obdarzonych wewnętrzną aktywnością, procesem rozwoju ciał struktura organiczna ze stabilną przewagą procesów syntezy nad procesami rozpadu, szczególny stan skupienia, osiągnięty dzięki następującym właściwościom. Życie jest sposobem istnienia ciał białkowych i kwasów nukleinowych, których istotnym punktem jest ciągła wymiana substancji z otoczeniem, a wraz z zakończeniem tej wymiany życie również się zatrzymuje.
2. Jakie znasz hipotezy dotyczące pochodzenia życia?
Odpowiedź. Różne koncepcje dotyczące pochodzenia życia można połączyć w pięć hipotez:
1) kreacjonizm - Boskie stworzenie żywych;
2) wytwarzanie spontaniczne – organizmy żywe powstają samorzutnie z materii nieożywionej;
3) hipoteza stanu stacjonarnego – życie istniało od zawsze;
4) hipoteza panspermii - życie sprowadzane jest na naszą planetę z zewnątrz;
5) hipoteza ewolucji biochemicznej - życie powstało w wyniku procesów zgodnych z prawami chemicznymi i fizycznymi. Obecnie większość naukowców popiera ideę abiogenicznego pochodzenia życia w procesie ewolucji biochemicznej.
3. Jaka jest główna zasada? metoda naukowa?
Odpowiedź. Metoda naukowa to zespół technik i operacji służących do budowy systemu wiedzy naukowej. Podstawową zasadą metody naukowej jest nieprzyjmowanie niczego za pewnik. Każde stwierdzenie lub zaprzeczenie czegoś należy sprawdzić.
Pytania po § 89
1. Dlaczego nie można ani potwierdzić, ani obalić idei boskiego pochodzenia życia?
Odpowiedź. Uważa się, że proces Boskiego stworzenia świata miał miejsce tylko raz i dlatego jest niedostępny dla badań. Nauka zajmuje się tylko tymi zjawiskami, które są obserwowalne i badanie eksperymentalne... Dlatego z naukowego punktu widzenia hipotezy o Boskim pochodzeniu żywych nie można ani udowodnić, ani obalić. Główną zasadą metody naukowej jest „nie bierz niczego za pewnik”. Dlatego logicznie nie może być sprzeczności między naukowym i religijnym wyjaśnieniem pochodzenia życia, ponieważ te dwie sfery myślenia wzajemnie się wykluczają.
2. Jakie są główne postanowienia hipotezy Oparin-Haldane?
Odpowiedź. W nowoczesnych warunkach pojawienie się żywych istot z nieożywionej przyrody jest niemożliwe. Abiogenny (tj. Bez udziału żywych organizmów) pojawienie się żywej materii było możliwe tylko w warunkach starożytnej atmosfery i braku żywych organizmów. Starożytna atmosfera zawierała metan, amoniak, dwutlenek węgla, wodór, para wodna i inne związki nieorganiczne. Pod wpływem silnych wyładowań elektrycznych, promieniowania ultrafioletowego i wysokiego promieniowania z tych substancji mogą powstawać związki organiczne, które nagromadziły się w oceanie, tworząc „pierwotną zupę”. W „bulionie pierwotnym” biopolimerów powstały wielocząsteczkowe kompleksy – koacerwaty. Jony metali, które działały jako pierwsze katalizatory, dostały się do kropli koacerwatu ze środowiska zewnętrznego. Z ogromnej ilości związków chemicznych obecnych w „bulionie pierwotnym” wyselekcjonowano najskuteczniejsze katalitycznie kombinacje cząsteczek, które ostatecznie doprowadziły do pojawienia się enzymów. Na granicy między koacerwatami a środowiskiem zewnętrznym ułożyły się cząsteczki lipidów, co doprowadziło do powstania prymitywnej błony komórkowej. Na pewnym etapie probiotyki białkowe zawierały kwasy nukleinowe, tworząc zunifikowane kompleksy, co doprowadziło do pojawienia się takich właściwości organizmów żywych, jak samoreprodukcja, zachowanie informacji dziedzicznej i jej przekazywanie kolejnym pokoleniom. Probionty, w których metabolizm łączy się ze zdolnością do reprodukcji, można już uznać za prymitywne prokomórki, dalszy rozwój które odbywało się zgodnie z prawami ewolucji materii ożywionej.
3. Jakie dowody eksperymentalne można przedstawić na poparcie tej hipotezy?
Odpowiedź. W 1953 r. Ta hipoteza AI Oparina została eksperymentalnie potwierdzona eksperymentami amerykańskiego naukowca S. Millera. W stworzonej przez niego instalacji symulowane były warunki, które rzekomo istniały w pierwotnej atmosferze Ziemi. W wyniku eksperymentów uzyskano aminokwasy. Podobne eksperymenty były wielokrotnie powtarzane w różnych laboratoriach i pozwoliły udowodnić fundamentalną możliwość syntezy praktycznie wszystkich monomerów podstawowych biopolimerów w takich warunkach. Później odkryto, że w pewnych warunkach z monomerów można syntetyzować bardziej złożone biopolimery organiczne: polipeptydy, polinukleotydy, polisacharydy i lipidy.
4. Jakie są różnice między hipotezą A. I. Oparina a hipotezą J. Haldane'a?
Odpowiedź. J. Haldane również wysunął hipotezę o abiogennym pochodzeniu życia, ale w przeciwieństwie do AI Oparin, nadał priorytet nie białkom - układom koacerwatu zdolnym do metabolizmu, ale kwasom nukleinowym, czyli układom makrocząsteczkowym zdolnym do samoreprodukcji.
5. Jakie argumenty podają przeciwnicy, krytykując hipotezę Oparina-Haldane'a?
Odpowiedź. Hipoteza Oparin-Haldane ma i słaba strona, na co wskazywali jej przeciwnicy. W ramach tej hipotezy nie można wyjaśnić głównego problemu: w jaki sposób nastąpił jakościowy skok od nieożywionych do żywych. Rzeczywiście, do samoreprodukcji kwasów nukleinowych potrzebne są białka enzymatyczne, a do syntezy białek - kwasy nukleinowe.
Podaj możliwe wady i zalety hipotezy panspermii.
Odpowiedź. Argumenty dla:
Życie na poziomie prokariontów pojawiło się na Ziemi niemal natychmiast po jego utworzeniu, choć odległość (pod względem różnicy w poziomie złożoności organizacji) między prokariontami a ssakami jest porównywalna z odległością od pierwotnej zupy do pokariotów;
W przypadku powstania życia na dowolnej planecie naszej Galaktyki, jak pokazują na przykład szacunki A.D. Panova, przez okres zaledwie kilkuset milionów lat może „zainfekować” całą Galaktykę;
Znajduje w niektórych meteorytach artefakty, które można interpretować jako wynik działania mikroorganizmów (nawet przed uderzeniem meteorytu w Ziemię).
Hipoteza panspermii (życie sprowadzane na naszą planetę z zewnątrz) nie odpowiada na główne pytanie, jak powstało życie, ale przenosi ten problem w inne miejsce we Wszechświecie;
Całkowita cisza radiowa Wszechświata;
Ponieważ okazało się, że cały nasz Wszechświat ma zaledwie 13 miliardów lat (czyli cały nasz Wszechświat jest tylko 3 razy starszy (!) niż planeta Ziemia), to zostało bardzo mało czasu na powstanie życia gdzieś daleko.. . Odległość do najbliższej gwiazdy a-centaura wynosi 4 sv. roku. Nowoczesny myśliwiec (4 prędkości dźwięku) będzie latał do tej gwiazdy przez ~800 000 lat.
Karol Darwin pisał w 1871 r.: „Ale jeśli teraz… w jakimś ciepłym zbiorniku wodnym zawierającym wszystkie niezbędne sole amonowe i fosforowe oraz dostępnym dla światła, ciepła, elektryczności itp., białko zdolne do dalszych, coraz bardziej złożonych przemian, wtedy substancja ta zostałaby natychmiast zniszczona lub wchłonięta, co było niemożliwe w okresie przed pojawieniem się żywych istot.”
Potwierdź lub odrzuć to oświadczenie Karola Darwina.
Odpowiedź. Proces powstawania żywych organizmów z prostych związków organicznych był niezwykle długi. Aby na Ziemi powstało życie, potrzebny był proces ewolucyjny, który trwał wiele milionów lat, podczas którego złożone struktury molekularne, głównie kwasy nukleinowe i białka, zostały wybrane pod kątem odporności, zdolności do reprodukcji własnego rodzaju.
Jeśli teraz na Ziemi gdzieś w obszarach intensywnej aktywności wulkanicznej mogą powstać wystarczająco złożone związki organiczne, to prawdopodobieństwo dłuższego istnienia tych związków jest znikome. Możliwość ponownego pojawienia się życia na Ziemi jest wykluczona. Teraz żywe stworzenia pojawiają się tylko w wyniku reprodukcji.
Hipoteza AI Oparina. Najistotniejszą cechą hipotezy AI Oparina jest stopniowe komplikowanie budowy chemicznej i morfologicznego wyglądu prekursorów życia (probiontów) na drodze do organizmów żywych.
Duża ilość danych sugeruje, że środowiskiem pochodzenia życia mogą być regiony przybrzeżne mórz i oceanów. Tutaj, na styku morza, lądu i powietrza, stworzono dogodne warunki do powstawania złożonych związków organicznych. Na przykład roztwory niektórych substancji organicznych (cukry, alkohole) są bardzo stabilne i mogą istnieć w nieskończoność. W stężonych roztworach białek, kwasów nukleinowych mogą tworzyć się skrzepy, podobnie jak skrzepy żelatynowe w roztworach wodnych. Takie skrzepy nazywane są kroplami koacerwatu lub koacerwatami (ryc. 70). Koacerwaty są w stanie adsorbować różne substancje... Z roztworu wchodzą do nich związki chemiczne, które w wyniku reakcji zachodzących w kroplach koacerwatu ulegają przemianie i są uwalniane do środowiska.
Koacerwaty nie są jeszcze żywymi istotami. Wykazują tylko powierzchowne podobieństwo do takich oznak organizmów żywych, jak wzrost i metabolizm ze środowiskiem. Dlatego pojawienie się koacerwatów jest uważane za etap rozwoju przed-życiowego.
Ryż. 70. Powstawanie kropli koacerwatu
Koacerwaty przeszły bardzo długoterminową selekcję pod kątem stabilności strukturalnej. Stabilność osiągnięto dzięki stworzeniu enzymów kontrolujących syntezę niektórych związków. Najważniejszym etapem powstania życia było pojawienie się mechanizmu reprodukcji własnego gatunku i dziedziczenie właściwości poprzednich pokoleń. Stało się to możliwe dzięki tworzeniu złożonych kompleksów kwasów nukleinowych i białek. Kwasy nukleinowe zdolne do samoreprodukcji zaczęły kontrolować syntezę białek, określając kolejność zawartych w nich aminokwasów. A białka-enzymy przeprowadziły proces tworzenia nowych kopii kwasów nukleinowych. W ten sposób powstała główna właściwość życia - zdolność do reprodukcji cząsteczek podobnych do siebie.
Żywe istoty to tak zwane systemy otwarte, czyli systemy, do których energia przychodzi z zewnątrz. Życie nie może istnieć bez dostaw energii. Jak wiadomo, zgodnie z metodami zużycia energii (patrz rozdział III) organizmy dzielą się na dwie duże grupy: autotroficzne i heterotroficzne. Organizmy autotroficzne bezpośrednio wykorzystują energię słoneczną w procesie fotosyntezy (rośliny zielone), heterotroficzne energię uwalnianą podczas rozpadu materii organicznej.
Oczywiście pierwsze organizmy były heterotrofami, otrzymującymi energię przez beztlenowy rozkład związków organicznych. U zarania życia w ziemskiej atmosferze nie było wolnego tlenu. Pojawienie się atmosfery nowoczesności skład chemiczny jest ściśle związany z rozwojem życia. Pojawienie się organizmów zdolnych do fotosyntezy doprowadziło do uwolnienia tlenu do atmosfery i wody. W jego obecności możliwy stał się rozkład tlenowy substancji organicznych, w którym uzyskuje się wielokrotnie więcej energii niż przy beztlenowym.
Życie od momentu powstania tworzy jeden system biologiczny – biosferę (zob. rozdział XVI). Innymi słowy, życie nie powstało w formie odrębnych, izolowanych organizmów, ale natychmiast w formie społeczności. Ewolucja biosfery jako całości charakteryzuje się nieustanną komplikacją, czyli pojawianiem się coraz bardziej złożonych struktur.
Czy możliwe jest teraz pojawienie się życia na Ziemi? Z tego, co wiemy o pochodzeniu życia na Ziemi, jasno wynika, że proces powstawania żywych organizmów z prostych związków organicznych był niezwykle długi. Aby na Ziemi powstało życie, potrzebny był proces ewolucyjny, który trwał wiele milionów lat, podczas którego złożone struktury molekularne, głównie kwasy nukleinowe i białka, zostały wybrane pod kątem odporności, zdolności do reprodukcji własnego rodzaju.
Jeśli teraz na Ziemi gdzieś w obszarach intensywnej aktywności wulkanicznej mogą powstać wystarczająco złożone związki organiczne, to prawdopodobieństwo dłuższego istnienia tych związków jest znikome. Zostaną natychmiast utlenione lub wykorzystane przez organizmy heterotroficzne. Karol Darwin doskonale to rozumiał. W 1871 r. pisał: „Ale jeśli teraz… w jakimś ciepłym zbiorniku wodnym zawierającym wszystkie niezbędne sole amonowe i fosforowe oraz dostępnym dla światła, ciepła, elektryczności itp. białko zdolne do dalszych, coraz bardziej złożonych przemian , wtedy substancja ta zostałaby natychmiast zniszczona lub wchłonięta, co było niemożliwe w okresie przed pojawieniem się żywych istot.”
Życie powstało na Ziemi w sposób abiogenny. Obecnie istoty żywe pochodzą tylko z istot żywych (pochodzenie biogeniczne). Możliwość ponownego pojawienia się życia na Ziemi jest wykluczona.
- Wymień główne etapy, z których można by skomponować proces powstawania życia na Ziemi.
- Jak, Twoim zdaniem, wpłynęło to na dalszą ewolucję wyczerpywania się zasobów składników odżywczych w wodach pierwotnego oceanu?
- Rozszerz ewolucyjne znaczenie fotosyntezy.
- Jak myślisz, dlaczego człowiek próbuje odpowiedzieć na pytanie o pochodzenie życia na Ziemi?
- Dlaczego ponowne pojawienie się życia na Ziemi jest niemożliwe?
- Podaj definicję pojęcia „życia”.
