Концепції виникнення життя ........................... 4
Матеріальна основа життя ................................. .4
Земля в період виникнення життя ..................... .6
Початок життя на Землі ....................................... .8
Еволюція форм життя ....................................... ..9
Одним з найбільш важких і в той же час цікавих в сучасному природознавстві є питання про походження життя. Він важкий тому, що, коли наука підходить до проблем розвитку як створення якісно нового, вона виявляється у межі своїх можливостей як галузі культури, заснованої на доказах та експериментальної перевірку тверджень.
Вчені сьогодні не в змозі відтворити процес виникнення життя з такою ж точністю, як це було кілька мільярдів років тому. Навіть найбільш ретельно поставлений досвід буде лише модельним експериментом, позбавленим низкою факторів, що супроводжували появу живого на Землі. Труднощі методологічна - у неможливості проведення прямого експерименту по виникненню життя (унікальність цього процесу перешкоджає використанню основного наукового методу).
Питання про походження життя цікавий не тільки сам по собі, але і тісним зв'язком з проблемою відмінності живого від неживого, а також зв'язком з проблемою еволюції діяли при зародженні життя. У чому сутність живого? Як і наскільки механізми еволюції діяли при зародженні життя?
Відмінність живого від неживого.
Отже, що таке живе і чим воно відрізняється від неживого. Є не скільки фундаментальних відмінностей в матеріальному, структурному і функціональному планах. У матеріальному плані до складу живого обов'язково входять впорядковані макромалекулярние органічні сполуки, звані биополимерами, - білки і нуклеїнові кислоти (ДНК і РНК). У структурному плані живе відрізняється від неживого клітинною будовою. У функціональному плані для живих тіл характерно відтворення самих себе. Стійкість і відтворення є і в неживих системах. Але в живих тілах має місце процес самовідтворення. Не щось відтворює їх, а вони самі. Це принципово новий момент.
Також живі тіла відрізняються від неживих наявністю обміну речовин, здатністю до росту і розвитку, активної регуляцією свого складу та функцій, здатністю до руху, подразливістю, пристосованістю до середовища і т. Д. Невід'ємною властивістю живого є діяльність, активність. «Будь-які живі істоти повинні або діяти або загинути. Миша повинна перебувати в постійному русі, птах літати, риба плавати і навіть рослина повинна рости »(Сельє Г. Від мрії до відкриття. - М. 1987.-С. 32).
Однак строго наукове розмежування живого і неживого зустрічає певні труднощі. Є як би перехідні форми від нежиття до життя. Так, наприклад, віруси поза клітинами іншого організму не володіють ні одним з атрибутів живого. У них є спадковий апарат, але відсутні основні необхідні для обміну речовин ферменти, і тому вони можуть рости і розмножуватися, лише проникаючи в клітини організму-господаря і використовуючи його ферментні системи. Залежно від того, яка буде ознака ми вважаємо найважливішим, ми відносимо віруси до важливих систем чи ні.
Концепції виникнення життя.
Існує п'ять концепцій виникнення життя: 1) креаціонізм - божественне створення живого; 2) концепція багато кратного самовільного зародження життя з неживого речовини (її дотримувався ще Аристотель, котори вважав, що живе може виникати і в результаті розкладання грунту); 3) концепція стаціонарного стану, відповідно до якої життя існувала завжди; 4) концепція панспермії - позаземного походження життя; 5) концепція походження життя на Землі в історичному минулому в результаті процесів, що підкоряються фізичним і хімічним законам.
Перша концепція є релігійною і до науки прямого відношення не має. Другу спростував вивчає діяльність бактерій французький мікробіолог XIX століття - Луї Пастер (знайомий нам по слову пастеризація). Третя через свою оригінальність і умоглядності завжди мала небагато прихильників.
До початку XX в. в науці панували дві останні концепції. Концепція панспермії, згідно з якою життя була занесена на Землю ззовні, спиралася на виявлення при вивченні метеоритів і комет «попередників живого» - органічних сполук, які можливо зіграли роль «насіння».
У концепції появи життя на Землі в історичному минулому два варіанти. Відповідно до одного, походження життя - результат випадкового утворення одиничної «живої молекули», в будові якої був закладений весь план подальшого розвитку живого. Французький біолог Ж. Моно пише, що «життя не випливає з законів фізики, але сумісна з ними. Життя - подія, винятковість якого необхідно усвідомлювати ». Відповідно до іншої точки зору, походження життя - результат закономірної еволюції матері.
Матеріальна основа життя.
XX століття призвів до створення перших наукових моделей походження життя. У 1924 році в книзі Олександра Івановича Опаріна «Походження життя» була вперше сформульована природничо-концепція, згідно з якою виникнення життя - результат тривалої еволюції на Землі - спочатку хімічної, потім біохімічної. Ця концепція отримала найбільше визнання в науковому середовищі.
Можна виділити наступні етапи живих систем, починаючи з найпростіших і потім слідуючи шляхом поступового ускладнення. У матеріальному полон для становлення життя потрібен перш за все вуглець. Життя на Землі заснована на цьому елементі, хоча в принципі можна припустити існування життя і на кремнієвій основі. Можливо де-то у Всесвіті існує і «кремнієва цивілізація», але на Землі основою життя є вуглець.
Чим це обумовлено? Атоми вуглецю виробляються в надрах великих зірок у необхідному для утворення життя кількості. Вуглець здатний створювати різноманітні (кілька десятків мільйонів), рухливі, нізкоелектропроводние, драглисті, насичені водою, довгі скручені ланцюгоподібні структури. З'єднання вуглецю з воднем, киснем, азотом, фосфором, сіркою, залізом мають чудові каталітичними, будівельними, енергетичними, інформаційними та іншими властивостями.
Кисень, водень і азот поряд з вуглецем можна віднести до «цеглинці» живого. Клітка складається на 70% з кисню, 17% вуглецю, 10% водню, 3% азоту. Все цеглинки живого належать до найбільш стійким і поширеним у Всесвіті хімічних елементів. Вони легко з'єднуються між собою, вступають в реакції і мають малий атомним вагою. Їх з'єднання легко розчиняються у воді.
За радіоастрономічних даними органічні речовини виникали не тільки до появи життя, ні і до формування нашої планети. Отже, органічні речовини абіогенного походження були присутні на Землі вже при її утворенні.
При утворенні Землі з космічного пилу (часток заліза і силікатів - речовин, до складу яких входить кремній) і газу дуже ймовірно, що на зовнішніх ділянках Сонячної системи гази могли конденсуватися. Органічні сполуки могли синтезуватися і на поверхні пилинок.
Хімічні і палеонтологічні дослідження найдавніших докембрійських відкладень і особливо численні модельні експерименти, які відтворюють умови, які панували на поверхні первісної Землі, дозволяють зрозуміти, як в цих умовах відбувалося утворення все більш складних органічних речовин.
Життя можлива тільки за певних фізичних і хімічних умовах (температура, присутність води, солей і т. Д.). припинення життєвих процесів, наприклад, при висушуванні насіння або глибокому заморожуванні дрібних організмів, не веде до втрати життєздатності. Якщо структура зберігається непошкодженій, вона при поверненні до нормальних умов забезпечує відновлення життєвих процесів.
Також і для виникнення життя потрібні певні діапазони температури, вологості, тиску, рівня радіації, певна спрямованість розвитку Всесвіту і час. Взаємне видалення галактик призводить до того, що їх електромагнітне вивчення приходить до нас сильно ослабленим. Якби галактики зближувалися, то щільність радіації у Всесвіті була б настільки велика, що життя не могла б існувати. Вуглець синтезований в зірках-гігантах кілька мільярдів років тому. Якби вік Всесвіту був менший, то життя також не могла б виникнути. Планети повинні мати певну масу для того, щоб утримати атмосферу.
Земля в період виникнення життя.
Наша планета - «золота середина» в Сонячній системі, яка найбільш підходить для зародження життя. Вік Землі близько 5 млрд. Років. Температура поверхні в початковий період була 4000-8000ºС і в міру того як Земля остигала, вуглець і більше тугоплавкі метали конденсованих і утворили земну кору. Атмосфера була зовсім іншою. Легкі гази - водень, гелій, азот, кисень - йшли з атмосфери, так як гравітаційне поле нашої ще недостатньо щільної планети не могло їх утримати. Однак прості сполуки, що містять ці елементи, утримувалися.
Первинна атмосфера містила водень і сполуки вуглецю (метан) і азоту (аміак). Відсутність в атмосфері кисню було ймовірно необхідною умовою виникнення життя: лабораторні досліди показують, що органічні речовини набагато легше створюються в відновної середовищі, ніж в атмосфері, багатою киснем. Про те, що атмосфера була саме такою, свідчать найдавніші породи на Землі.
Існують різні точки зору на проблему життя на Землі. На думку В.І. Вернадського життя з'явилася одночасно з утворенням Землі. А.І. Опарін вважав, що періоду розвитку життя передував тривалий період хімічної еволюції Землі, під час якого (3-5 млрд. Років тому) утворилися складні органічні речовини і протоклітини. Виникнення останніх поклало початок біохімічної еволюції.
Відомі три способи синтезу природних органічних речовин. Містять вуглець і азот речовини могли виникати в розплавлених глибинах Землі і виноситися на поверхню при вулканічної діяльності, потрапляючи далі в океан.
А.І. Опарін вважав, що органічні речовини могли створюватися і в океані з більш простих сполук. Енергію для цих реакцій синтезу, ймовірно, доставляла інтенсивна сонячна реакція (головним чином, ульрафіолетового), що падала на Землю до того, як утворився шар озону, який став затримувати велику її частину. Різноманітність знаходяться в океанах простих з'єднань, площа поверхні Землі, доступність
енергії і масштаби часу дозволяють припустити, що в океанах поступово нагромадилися органічні речовини і утворився той «первинний бульйон», в якому могла виникнути життя.
Нарешті, органічні сполуки могли утворитися у Всесвіті з неорганічного космічного «сировини».
Для побудови будь-якого складного органічного з'єднання, що входить до складу живих тіл, потрібен невеликий набір блоків-мономерів (низькомолекулярних сполук): 29 мономерів (з них 20 амінокислот, 5 азотистих основ) описують біохімічні будова будь-якого живого організму. Воно складається з амінокислот (у тому числі побудовано все білки), азотистих сполук (складові частини нуклеїнових кислот), глюкози - джерела енергії, жирів - структурного матеріалу, що йде на побудову в клітці мембран і запасаючих енергію.
Після того, як вуглецеві з'єднання утворили «первинний бульйон», могли вже організовуватися біополімери - білки і нуклеїнові кислоти, що володіють властивістю самовідтворення собі подібних. Необхідна концентрація речовин для утворення біополімерів могла виникнути в результаті осадження органічних сполук в мінеральних частинках, наприклад, на глині або гідроксиду заліза, що утворюють мул прогреваемого Сонцем мілководдя. Крім того, органічні речовини могли утворити на поверхні океану плівку, яку вітер і хвилі гнали до берега, де вона збиралася в товсті шари. У хімії відомий також процес об'єднання споріднених молекул в розведених розчинах.
У початковий період формування Землі води, що просочують земний грунт, безперервно переміщали розчинені в них речовини з місць їх утворення до місць накопичення. Там формувалися пробіонти - системи органічних речовин, здатних взаємодіяти з навколишнім середовищем, т. Е. Рости і розвиватися за рахунок поглинання з навколишнього середовища різноманітних багатих енергією речовин.
Тут уже можливий примітивний «відбір», що веде до поступового ускладнення і впорядкованості як забезпечує перевагу у виживанні. Механізм відбору діяв на самих ранніх стадіях зародження органічних речовин - з безлічі утворюються речовин зберігалися стійкі до подальшого ускладнення.
Потім утворюються мікросфери - кулясті тіла, які виникають при розчиненні і конденсації абиогенно отриманих белковоподобних речовин.
На підтвердження можливості абіогенного синтезу були проведені наступні досліди. Впливаючи суміш газів електричними зарядами, що імітують блискавку, і ультрафіолетовим випромінюванням, вчені отримували складні органічні речовини, що входять до складу живих білків. Органічні сполуки, які відіграють велику роль в обміні речовин, були искуство отримані при опроміненні водних розчинів вуглекислоти. Американський вчений С. Міллер в 1953 році синтезував ряд амінокислот при пропущенні електричного заряду через суміш газів, імовірно складових земну атмосферу. Були синтезовані і прості нуклеїнові кислоти. Цими експериментами було доведено, що абіогенного утворення органічних сполук у Всесвіті могло відбуватися в результаті впливу теплової енергії, іонізуючого і ультрафіолетового випромінювань і електричних розрядів. Первинним джерелом цих форм енергії служать термоядерні процеси, що протікають в надрах Землі.
Як показує синергетика, енергія мала для виникнення житті не менше значення, ніж речовина. Розумно припустити, вважає І. Пригожин, що деякі з перших стадій еволюції до життя були пов'язані з виникненням механізмів, здатних поглинати і трансформувати хімічну енергію, як би виштовхуючи систему в сильно нерівноважні умови. Нерівноважні структури - перехід до живого, але ще немає відтворення. Отже, в освіті органічних сполук велику роль відігравало не тільки речовина космічного простору, а й енергія зірок.
Початок життя на Землі.
Початок життя на Землі - поява нуклеїнових кислот, здатних до відтворення білків. Перехід від складних органічних речовин до простих живих організмів поки неясний. Теорія біохімічної еволюції пропонує лише загальну схему. Відповідно до неї на кордоні між коацерватами - згустками органічних речовин - могли вибудовуватися молекули складних вуглеводнів, що призводило до утворення примітивної клітинної мембрани, що забезпечує коацерватам стабільність. В результаті включення в коацерват молекули, здатної до самовідтворення, могла виникнути примітивна клітина, здатна до зростання.
Найважче для цієї гіпотези - пояснити здатність живих систем до самовідтворення, т. Е. Сам перехід від складних неживих систем до простих живих організмів. Безсумнівно, в моделі походження життя будуть включатися нові знання, і вони будуть все більш обгрунтованими. Але повторимося, що чим більш якісно нове відрізняється від старого, тим важче пояснити його виникнення. Тому тут і говорять про моделі і гіпотезах, а не про теорії.
Так чи інакше, наступним кроком в організації живого мало бути утворення мембран, які відмежовують суміші органічних речовин від навколишнього середовища. З їх появою і виходить клітина - «одиниця життя», головне структурна відмінність живого від неживого. Всі основні процеси, що визначають поведінку живого організму, протікають в клітинах. Тисячі хімічних реакцій відбуваються одночасно для того, щоб клітина могла отримати необхідні поживні речовини, синтезувати спеціальні біомолекули і видалити відходи. Величезне значення для біологічних процесів в клітці мають ферменти. Вони володіють часто високою специализированностью і можуть впливати лише на одну реакцію. Принцип їх дії в тому, що молекули інших речовин прагнуть приєднатися до активних ділянок молекули ферменту. Тим самим підвищується ймовірність їх зіткнення, а. отже, швидкість хімічної реакції.
Синтез білка здійснюється в цитоплазмі клітини. Майже в кожній з клітин людини синтезується понад 10000 різних білків. Величина клітин - від мікрометра до більш одного метра (у нервових клітин, що мають відростки). Клітини можуть бути диференційованими (нервові,