Теории происхождения жизни, подготовка к ЕГЭ по биологии

Теории происхождения жизни

Теория креационизма (лат. creatio – творение)

С самого раннего момента своего появления человечество наделяло природу особыми свойствами: существовал тотемизм – поклонение какому-либо животному или растению как своему мифическому защитнику. С течением времени появились монотеистические религии, в которых утверждалось, что настоящий мир создан творцом в результате акта сверхъестественного творения.

За всю историю существования человечества сторонниками этой теории не было приведено ни одного подтверждающего доказательства. Справедливо отметить, что и опровергнуть эту теорию невозможно. Основополагающим моментом здесь являются не факты, а вера.

Теория стационарного состояния

Согласно данной теории, жизнь никто и ничто не создал(о) – жизнь, как и Вселенная, существует вечно, не имея точки начала и конца. Отдельные тела в этой системе – галактики, звезды, небесные тела и живые организмы – рождаются и умирают.

Теория панспермии (греч. pan — всё и sperma — семя)

После формирования и остывания нашей планеты на ее поверхности сложились условия благоприятные для развития жизни. Теория панспермии гласит о том, что жизнь на нашу планету была занесена извне, из космоса с падением метеороида или астероида. На Землю попали зачатки живого – споры бактерий, вирусы.

Теория самозарождения

Сторонники этой теории считали (или считают, если такие еще остались)), что жизнь способна самозарождаться из неживого. Еще Аристотель считал, что личинки, из которых появляются мухи, самозарождаются в гниющем мясе. Эти представления были довольно долго распространены и популярны.

Особое внимание обратим на витализм (лат. vitalis — жизненный) – учение о существовании нематериальной сверхъестественной жизненной силы, управляющей жизненными явлениями. Витализм и теория самозарождения тесно взаимосвязаны.

Особенно активно эти идеи обсуждались в конце XVI века, когда апогея достигла легенда о гомункулусе. Свой рецепт “приготовления” гомункулуса Парацельс описывает так: “Возьмите сперму и заставьте ее гнить 7 суток в запечатанной тыкве, а затем в течение 40 недель в лошадином желудке, ежедневно добавляя кровь. В результате произойдет живой ребенок, как дитя, родившееся от женщины”.

Кажется что-то таинственное и магическое скрыто за этими древними строками, однако это всего лишь остроумная шутка, на которую попались многие, даже из числа наших современников. Первым аргументированно попытался опровергнуть теорию самозарождения жизни Франческо Реди в 1668 году.

Опыт Франческо Реди состоял в доказательстве того факта, что в плотно закрытых банках, куда не могут попасть мухи, не развиваются и черви – их личинки. В таких банках мясо гниет, но не “производит” червей. Ранее Уильям Гарвей, английский медик, постулировал: “Все живое происходит из яйца”.

Казалось бы, теория самозарождения опровергнута – точка. Но хитрые виталисты обвинили Франческо Реди в том, что закрыв банки тканью, он предотвратил доступ в них жизненной силе, и, естественно, жизнь в них не зародилась. Так что теория самозарождения пошатнулась, не более, но выстояла этот удар.

Лишь спустя почти 200 лет – в 1862 году – Луи Пастер нанес сокрушительный удар по виталистам, окончательно развенчав теорию самозарождения. Пастер кипятил в S-образной колбе молоко, в котором находились микроорганизмы. После кипячения колбы оставляли на открытом воздухе. За счет S-образной колбы бактерии оседали на стенках, не достигали молока: процессы брожения и гниения не начинались.

Это был сокрушительный удар по виталистам! Они не могли обвинить Пастера, как Франческо Реди, в том, что жизненная сила не проникает в колбу, так как просвет S-образной колбы сообщался с внешней средой. Таким образом, Луи Пастер доказал, что зарождение микроорганизмов в гниющих бульонах не является самозарождением жизни, а возникает только при непосредственном сообщении бульона с воздухом.

В честь Луи Пастера процесс тепловой обработки пищевых продуктов называется пастеризацией. Она представляет собой нагревание жидких продуктов до 60-70 °C в течение 60 минут, в результате чего болезнетворные микроорганизмы погибают. Это позволяет сохранить продукты свежими на долгое время.

Гипотеза А.И. Опарина абиогенного происхождения жизни

Одним из первых в 1924 году научно пытался обосновать появление жизни на земле советский ученый Опарин, а через 5 лет в – 1929 году – Дж. Холдейн. Согласно теории Опарина, жизнь представляет собой закономерный этап эволюции химических соединений – молекулярных преобразований, их полимеризации, возникновение более сложных по строению веществ. Процессы возникновения жизни по Опарину делятся на 3 этапа:

Возникновение органических веществ из неорганических. Образование первичного бульона
Усложнение строения веществ (появление белков, нуклеиновых кислот). Формирование коацерватов – капель с большой концентрацией коллоида
Возникновение самовоспроизводящихся организмов, появление в них матричного синтеза на основе РНК, затем и ДНК

В результате таких преобразований из первичного бульона возникли первые прокариотические клетки.

Теорию Опарина и Холдейна подверглась проверке на практике. Первые эксперименты провел С. Миллер, пытавшийся синтезировать органические вещества из неорганических. Миллер использовал колбу, в которой непрерывно циркулировали метан, аммиак, водород и угарный газ (CO) – когда-то составлявшие атмосферу Земли (кислород в ее составе отсутствовал).

По итогам эксперимента в системе появились аминокислоты, сахара, жиры и даже предшественники нуклеиновых кислот.

С точки зрения вероятности возникновение жизни весьма маловероятно, однако учитывая очень долгое время (1 млрд. лет от появления Земли) вероятность такого события значительно возрастает.

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Происхождение жизни

Происхождении жизни на Земле является ключевой и нерешенной проблемой естествознания, нередко служащей почвой для столкновения науки и религии. Если наличие в природе эволюции живой материи можно считать доказанным, так как были вскрыты ее механизмы, археологами обнаружены древние более просто устроенные организмы, то ни одна гипотеза возникновения жизни не имеет такой обширной доказательной базы. Эволюцию мы можем наблюдать воочию хотя бы в селекции. Создать же живое из неживого никому не удавалось.

Несмотря на большое количество гипотез о происхождении жизни, лишь одна из них имеет приемлемое научное объяснение. Это гипотеза абиогенеза — длительной химической эволюции, которая протекала в особых условиях древней Земли и предшествовала биологической эволюции. При этом из неорганических веществ сначала были синтезированы простые органические, из них более сложные, далее появились биополимеры, следующие этапы более умозрительны и малодоказуемы. Гипотеза абиогенеза имеет много нерешенных проблем, различных взглядов на определенные этапы химической эволюции. Однако некоторые ее моменты были подтверждены опытным путем.

Другие гипотезы происхождения жизни — панспермия (занесение жизни из космоса), креационизм (сотворение творцом), самопроизвольное зарождение (в неживой материи вдруг появляются живые организмы), стационарное состояние (жизнь существовала всегда). Невозможность самозарождения жизни в неживом была доказано Луи Пастером (XIX в.) и рядом ученых до него, но не так безапелляционно (Ф. Реди — XVII в.). Гипотеза панспермии не решает проблему возникновения жизни, а переносит ее с Земли в космическое пространство или на другие планеты. Однако и опровергнуть эту гипотезу сложно, особенно тех ее представителей, которые утверждают, что жизнь была занесена на Землю не метеоритами (в этом случае живое могло сгореть в слоях атмосферы, подвергнуться разрушительному действию космической радиации и т. д.), а разумными существами. Только вот как они долетели до Земли? С точки зрения физики (огромных размеров Вселенной и невозможности преодолеть скорость света) это вряд ли возможно.

Впервые возможный абиогенез был обоснован А.И. Опариным (1923-1924 г.), позже данную гипотезу разрабатывал Дж. Холдейн (1928 г). Однако мысль, что жизни на Земле могло предшествовать абиогенное образование органических соединений, высказывал еще Дарвин. Теория абиогенеза была доработана и дорабатывается другими учеными и по сей день. Главная ее нерешенная проблема — это подробности перехода от сложных неживых систем к простым живым организмам.

В 1947 г. Дж. Бернал, на основе разработок Опарина и Холдейна, сформулировал теорию биопоэза, выделив в абиогенезе три стадии: 1) абиогенное возникновение биологических мономеров; 2) образование биополимеров; 3) образование мембран и формирование первичных организмов (протобионтов).

Абиогенез

Ниже в общих чертах описан предположительный сценарий происхождения жизни согласно теории абиогенеза.

Возраст Земли составляет около 4,5 млрд. лет. Жидкая вода на планете, так необходимая для жизни, по оценкам ученых появилась не ранее 4 млрд. лет назад. При этом 3,5 млрд. лет назад жизнь на Земле уже существовала, что доказано обнаружением пород таких возрастов со следами жизнедеятельности микроорганизмов. Таким образом, первые простейшие организмы возникли относительно быстро — менее чем за 500 млн. лет.

Когда Земля только образовалась, ее температура могла достигать 8000 °C. При остывании планеты металлы и углерод как наиболее тяжелые элементы конденсировались и образовывали земную кору. В то же время происходила вулканическая активность, кора двигалась и сжималась, на ней образовывались складки и разрывы. Гравитационные силы приводили к уплотнению коры, при этом выделялась энергия в виде тепла.

Легкие газы (водород, гелий, азот, кислород и др.) не удерживались планетой и уходили в космос. Но в составе других веществ эти элементы оставались. До тех пор, пока температура на Земле не упала ниже 100 °C, вся вода находилась в парообразном состоянии. После снижения температуры испарение и конденсация повторялись множество раз, шли сильные ливни с грозами. Горячая лава и вулканический пепел, оказавшись в воде, создавали разные условия среды. В каких-то могли протекать определенные реакции.

Таким образом, физические и химические условия на ранней Земле были благоприятны для образования органических веществ их неорганических. Атмосфера была восстановительного типа, свободного кислорода и озонового слоя в ней не было. Поэтому на Землю проникали ультрафиолетовое и космическое излучение. Другими источниками энергии были теплота земной коры, которая еще не остыла, извергающиеся вулканы, грозы, радиоактивный распад.

В атмосфере присутсвовали метан, оксиды углерода, аммиак, сероводород, цианистые соединения, а также пары воды. Из них синтезировались ряд простейших органических веществ. Далее могли образовываться аминокислоты, сахара, азотистые основания, нуклеотиды и другие более сложные органические соединения. Многие из них послужили мономерами для будущих биологических полимеров. Отсутствие в атмосфере свободного кислорода благоприятствовало протеканию реакций.

Химическими опытами (впервые в 1953 г. С. Миллер и Г. Юри), моделирующих условия древней Земли, была доказана возможность абиогенного синтеза органических веществ из неорганических. При пропускании электрических разрядов через газовую смесь, имитировавшую первобытную атмосферу, в присутсвии паров воды были получены аминокислоты, органические кислоты, азотистые основания, АТФ и др.

Следует отметить, что в древней атмосфере Земли простейшие органические вещества могли образовываться не только абиогенно. Они также заносились из космоса, содержались в вулканической пыли. Причем это могли быть достаточно большие количества органики.

Низкомолекулярные органические соединения накапливались в океане, создавая так называемый первичный бульон. Вещества адсорбировались на поверхности глинистых отложений, что повышало их концентрацию.

В определенных условиях древней Земли (например на глине, склонах остывающих вулканов) могла происходить полимеризация мономеров. Так образовались белки и нуклеиновые кислоты — биополимеры, ставшие в последствии химической основой жизни. В водной среде полимеризация маловероятна, так как в воде обычно происходит деполимеризация. Опытом была доказана возможность синтеза полипептида из аминокислот, соприкасающихся с кусками горячей лавы.

Далее биополимеры могли смываться дождями в первичный бульон. Это предохраняло их от разрушения под действием ультрафиолетового излучения (озонового слоя еще не было).

Следующий важный шаг на пути происхождения жизни – образование в воде коацерватных капель (коацерватов) из полипептидов, полинуклеотидов, других органических соединений. Подобные комплексы снаружи могли иметь слой, имитировавший мембрану и сохраняющий их стабильность. Опытным путем в коллоидных растворах были получены коацерваты.

Белковые молекулы амфотерны. Они притягивают к себе молекулы воды так, что вокруг них образуется оболочка. Получаются коллоидные гидрофильные комплексы, обособленные от водной массы. В результате в воде образуется эмульсия. Далее коллоиды сливаются между собой и образуются коацерваты (процесс называется коацервацией). Коллоидный состав коацервата зависел от состава среды, в которой он образовывался. В разных водоемах древней Земли образовывались разные по химическому составу коацерваты. Какие-то из них были более устойчивыми и могли в определенной степени осуществлять избирательный обмен веществ с окружающей средой. Происходил своего рода биохимический естественный отбор.

Коацерваты способны избирательно поглощать из окружающей среды некоторые вещества и выделять в нее некоторые продукты протекающих в них химических реакций. Это напоминает обмен веществ. По мере накопления веществ коацерваты росли, а при достижении критических размеров распадались на части, каждая из которых сохраняла черты исходной организации.

В самих коацерватах могли происходить химические реакции. При поглощении коацерватами ионов металлов могли образовываться ферменты.

В процессе эволюции остались лишь такие системы, которые были способны к саморегуляции и самовоспроизведению. Это знаменовало наступление следующего этапа происхождения жизни – возникновение протобионтов (по некоторым источникам это то же самое, что коацерваты) — тел, имеющие сложный химический состав и ряд свойств живых существ. Протобионты можно рассматривать как наиболее устойчивые и удачно получившиеся коацерваты.

Мембрана могла образоваться следующим образом. Жирные кислоты соединялись со спиртами и образовывали липиды. Липиды формировали пленки на поверхности водоемов. Их заряженные головки обращены в воду, а неполярные концы — наружу. Плавающие в воде белковые молекулы притягивались к головкам липидов, в результате чего образовывались двойные липопротеиновые пленки. От ветра такая пленка могла изгибаться, и образовывались пузырьки. В эти пузырьки могли быть случайно захвачены коацерваты. Когда такие комплексы снова оказывались на поверхности воды, то покрывались уже вторым липопротеиновым слоем (за счет гидрофобных взаимодействий, обращенных друг к другу неполярных концов липидов). Общая схема мембраны сегодняшних живых организмов представляет собой два слоя липидов внутри и два слоя белков, расположенных по краям. Но за миллионы лет эволюции произошло усложнение мембраны за счет включения белков, погруженных в липидный слой и пронизывающих его, выпячивание и впячивание отдельных участков мембраны и др.

В коацерваты (или протобионты) могли попадать уже существующие молекулы нуклеиновых кислот, способные к самовоспроизведению. Далее в некоторых протобионтах могла произойти такая перестройка, что нуклеиновая кислота стала кодировать белок.

Эволюция протобионтов — это уже не химическая, а предбиологическая эволюция. Она привела к усовершенствованию каталитической функции белков (они стали выполнять роль ферментов), мембран и их избирательной проницаемости (что делает протобионт устойчивым набором полимеров), возникновению матричного синтеза (переноса информации с нуклеиновой кислоты на нуклеиновую кислоту и с нуклеиновой кислоты на белок).

Одной из самых больших загадок происхождения жизни остается вопрос: как РНК стала кодировать аминокислотную последовательность белков. В вопросе фигурирует РНК, а не ДНК, так как считается, что сначала рибонуклеиновая кислота играла не только роль в реализации наследственной информации, но и отвечала за ее хранение. ДНК ее заменила позже, возникнув из РНК путем обратной транскрипции. ДНК лучше подходит для хранения информации и более устойчива (менее склонна к реакциям). Поэтому в процессе эволюции именно она была оставлена в качестве хранителя информации.

В 1982 г. Т. Чеком была открыта каталитическая активность РНК. Кроме того РНК могут синтезироваться в определенных условиях даже при отсутствии ферментов, а также образовывать свои копии. Поэтому можно предположить, что РНК были первыми биополимерами (гипотеза РНК-мира). Какие-то участки РНК случайно могли кодировать полезные для протобионта пептиды, остальные участки РНК в процессе эволюции стали вырезаемыми интронами.

В протобионтах возникла обратная связь — РНК кодирует белки-фермены, белки-ферменты увеличивают количество нуклеиновых кислот.

Начало биологической эволюции

Химическая эволюция и эволюция протобионтов длилась более 1 млрд. лет. Жизнь возникла, и началась ее биологическая эволюция.

От некоторых протобионтов произошли примитивные клетки, включающие всю совокупность наблюдаемых нами сегодня свойств живого. В них было реализовано хранение и передача наследственной информации, ее использование для создания структур и обмена веществ. Энергия для процессов жизнедеятельности обеспечивалась молекулами АТФ, появились типичные для клеток мембраны.

Первые организмы были анаэробные гетеротрофы. Энергию, запасаемую в АТФ, они получали с помощью брожения. Пример — гликолиз — бескислородное расщепление сахаров. Питались эти организмы за счет органических веществ первичного бульона.

Но запасы органических молекул постепенно истощались, так как условия на Земле менялись, и новая органика уже почти не синтезировалась абиогенным путем. В условиях конкуренции за пищевые ресурсы эволюция гетеротрофов ускорилась.

Преимущество получили бактерии, оказавшиеся способными фиксировать углекислый газ с образованием органических веществ. Автотрофный синтез питательных веществ более сложный, чем гетеротрофное питание, поэтому у ранних форм жизни он возникнуть не мог. Из некоторых веществ под действием энергии солнечного излучения образовывались соединения, необходимых клетке.

Первые фотосинтезирующие организмы не выделяли кислорода. Фотосинтез с его выделением скорее всего появился позже у организмов, сходных с нынешними сине-зелеными водорослями.

Накопление в атмосфере кислорода, появление озонового экрана, уменьшение количества ультрафиолетового излучения привело к почти невозможности абиогенного синтеза сложных органических веществ. С другой стороны, возникшие формы жизни стали более устойчивыми в таких условиях.

На Земле распространилось кислородное дыхание. Анаэробные организмы сохранились лишь в отдельных местах (например, есть анаэробные бактерии, живущие в горячих подземных источниках).

Современные представления о возникновении жизни. Этапы эволюции живых существ

I. История развития проблемы
Проблема происхождения жизни одна из наиболее важных и сложных проблем современной биологии. Ее решение имеет важное значение для понимания особенностей организации и эволюции современных организмов. Существует большое количество теорий происхождения жизни. Креационистские концепции основаны на положении о божественном сотворении живого, они недоказуемы и ненаучны. Суждения материалистов-естествоиспытателей и философов укладываются в две главные гипотезы. Согласно гипотезе панспермии жизнь занесена из космоса в виде спор микроорганизмов. И хотя прямых доказательств этого нет, предполагают, что космос мог быть источником низкомолекулярных органических соединений, послуживших средой для развития жизни. Согласно второй гипотезе жизнь возникла на Земле при совокупности условий путем абиогенного образования органических веществ из неорганических.
Первую научную гипотезу по вопросу о происхождении жизни на Земле высказал, в 1924 г. А.И. Опарин на заседании Русского ботанического общества. Она известна под названием эволюционной теории возникновения жизни. Эта гипотеза объясняла материалистическое происхождение жизни на Земле абиогенным путем. В 1929 г. английский ученый Дж. Холдейн высказал аналогичное предположение. Согласно этим гипотезам жизнь возникла путем постепенной эволюции органических соединений на земной поверхности (включая атмосферу и гидросферу), т.е. в ходе эволюционного абиогенеза. Тот факт, что зарождение жизни в современных условиях невозможно, объясняется отсутствием восстановительной атмосферы и первоначальной стерильности Земной поверхности.

II. Основные этапы возникновения жизни
По современным представлениям основными этапами возникновения и развития жизни являются:
1. Образование первичной атмосферы из газов, послуживших “сырьем“ для синтеза органических веществ.
2. Абиогенное образование органических веществ, в том числе мономеров – аминокислот, мононуклеотидов, сахаров.
3. Полимеризация мономеров в полимеры – полипептиды, полинуклеотиды.
4. Образование протобионтов – предбиологических форм сложного химического состава, имеющих некоторые свойства живых существ.
5. Возникновение примитивных клеток – простейших живых форм.
6. Биологическая эволюция возникших живых существ.
Возраст Земли, как и всей Солнечной системы, около 4,6 млрд. лет, поэтому вряд ли жизнь старше этого срока. Еще Ч. Дарвин заметил, что жизнь может возникнуть только при отсутствии жизни. Вездесущие микроорганизмы, распространенные сейчас на Земле,
использовали бы все возникающие вновь органические вещества. Поэтому возникновение жизни в привычных нам земных условиях невозможно.
Одним из условий возникновения жизни на Земле было отсутствие кислорода в атмосфере, т.к. кислород, взаимодействуя с органическими веществами, разрушает их. В первичной атмосфере восстановительного типа содержались углекислый газ, водород, азот, аммиак, метан, водяные пары, синильная кислота. Источниками энергии являлись ультрафиолетовое, космическое излучения, тепловая и электрическая энергии. В этих условиях происходили химические реакции с образованием самых разнообразных сложных соединений, в том числе и органических. В 1953 г. Стенли Миллер и Юри экспериментально в лабораторных условиях подтвердили возможность абиогенного синтеза органических веществ: карбоновых кислот, аминокислот, азотистых оснований, АТФ. Органические вещества накапливались в водах первичного океана в виде первичного бульона или адсорбировались на поверхности глинистых отложений, что создавало лучшие условия для полимеризации.
Следующим этапом на пути возникновения жизни была полимеризация низкомолекулярных соединений с образованием полипептидов и полинуклеотидов. Реакция полимеризации первичных звеньев в водном растворе не идет, т.к. при соеди-нении друг с другом аминокислот или нуклеотидов отщепляется молекула воды. Есть предположение, что первичный синтез биополимеров шел при замораживании “первичного бульона” или же при нагревании его сухого остатка. К. Фокс, нагревая до 130° сухую смесь аминокислот, показал, что в этом случае реакция полимеризации происходит. Вода при этом испаряется и получается искусственный протеиноид. Протеиноиды представляют собой белковоподобные молекулы со случайной последовательностью аминокислот. Протеиноиды, растворенные в воде, обладают незначительной каталитической активностью, т.е. обладают свойствами ферментов. Есть предположение, что аминокислоты “первичного бульона” концентрировались в испаряющихся водоемах, а затем под действием солнечных лучей высушивались и полимеризовались, образуя белковоподобные вещества.
Следующий этап – это возникновение фазовообособленных открытых систем – предбиологических форм сложного химического состава, или протобионтов. В силу особых физико-химических свойств молекул воды и органических соединений, водныерастворы последних могут разделяться на две фазы. Так, голландский ученый Белгендерг де Ионг, используя смесь водных растворов желатина и гуммиарабика, наблюдал процесс образования комплексов, названных им “коацерватные” капли. Капли были неодинаковы по размерам, они сливались, увеличивались в размерах за счет поступления органических веществ, обладали способностью к избирательному обмену с окружающей средой, т.е. являлись открытыми системами.
Другая модель возникновения протобионтов, предложенная К. Фоксом, – модель протеиноидов. Эти структуры назвали микросферами. Коацерватные капли и микросферы могут рассматриваться как модель протобионта (т.е. предшественника клетки).
Протобионты представляются как обособленные от окружающей среды, открытые макромолекулярные системы, способные к примитивным формам роста, размножения, обмена веществ и предбиологическому химическому отбору.
Наиболее важным этапом в происхождении жизни было возникновение примитивных живых существ – протоклеток.
Эволюция протобионтов по пути возникновения протоклеток шла по трем главным направлениям: 1) совершенствование каталитической функции белков. Развивалось такое свойство биологического катализа, как специфичность. 2) возникновение механизма самовоспроизведения себе подобных, реакций матричного синтеза. 3) возникновение биологических мембран с избирательной проницаемостью и стабилизация параметров обмена веществ.
Протоклетки в большом количестве накапливались в водоемах и опускались на дно, где оказывались защищенными от губительного действия ультрафиолетовых лучей. Так, американский ученый Неги обнаружил органические микроструктуры, имеющие возраст 3,7 млрд.
лет. Подобные структуры были найдены в южноафриканских осадочных породах, возраст которых 2,2 млрд. лет. Все эти данные и приводят к мнению, что эволюция протоклеток продолжалась в течение огромного периода времени, начиная от первых протоклеток, возникших 3,7 млрд. лет тому назад. В эту раннюю эпоху у протоклеток появились и эволюционировали генетический и белоксинтезирующий аппараты, и также наследуемый обмен веществ.
В проблеме происхождения жизни есть много не решенных до конца вопросов: 1) возникновение полупроницаемых мембран клетки; 2) возникновение рибосом, 3) возникновение генетического кода, который универсален для всего живого на Земле; 4) возникновение энергетического механизма клетки с использованием АТФ и т.д.
На возникновение жизни потребовалось относительно мало времени, если учесть, что возраст планеты 4,6 млрд. лет. В промежутке времени между 3,7 и 2,9 млрд. лет появились первые гетеротрофные организмы, на смену им пришли фотосинтезирующие. Появление их было связано с тем, что запасы органических веществ в первичном океане были полностью исчерпаны и обменные процессы у части живых существ переориентировались на усвоение энергии солнечного света. Это были прокариоты типа сине-зеленых водорослей и бактерий. И лишь за 1500 млн. лет до наших дней возникли первые эукариоты – как гетеротрофные, так и автотрофные организмы, давшие начало современным группам живых существ.

III. Основные этапы эволюции живых существ
В настоящее время общепризнано, что вскоре после возникновения жизни она разделилась на три корня, которые представлены надцарствами архебактерий, эубактерий и эукариот. Больше всего черт исходных протоорганизмов сохранили архебактерии. Они обитают в бескислородных илах, концентрированных растворах соли, горячих вулканических источниках. Согласно симбиотической гипотезе, основой в эволюции клетки эукариотического типа послужил анаэробный прокариот. Надцарство эукариот разделилось на царства животных, растений, грибов.
Рассмотрим основные пути эволюции животных. Первые остатки животных находят в морских отложениях протерозоя. Первые многоклеточные животные представлены сразу несколькими типами: губки, кишечнополостные, членистоногие. В морях кембрийского периода уже существовали все основные типы животных (см. табл. В силурийский период появились животные, дышащие атмосферным воздухом. Первыми обитателями суши были паукообразные, напоминавшие по строению современных скорпионов. Уже в девонском периоде появились все современные подклассы рыб. От древних костных рыб произошли кистеперые, двоякодышащие и современные костистые рыбы. Кистепёрые дали начало первым земноводным (стегоцефалам). В каменно-угольном периоде появляются первые пресмыкающиеся, что определило начало активного завоевания суши позвоночными. Одной из ветвей древних рептилий являлись котилозавры – предки современных пресмыкающихся. До наших дней из триасовых рептилий дожили гаттерия и черепахи. Особенно сильного развития достигают морские рептилии в юрском периоде (ихтиозавры, плезиозавры). Возникают птерозавры, освоившие воздушную среду. В меловом периоде продолжается специализация рептилий, возникают гигантские растительноядные динозавры, встречаются летающие ящеры с размахом крыльев до 20 м. В условиях похолодания исключительные преимущества получают теплокровные животные – птицы, млекопитающие. Кайнозой – время расцвета насекомых, птиц, млекопитающих. Исходной группой для млекопитающих служили зверозубые ящеры. Приматы в своём происхождении связаны с древними насекомоядными. Одна из групп обезьян – дриопитеки – дала начало ветви, ведущей к роду человек (таблица 8).

Теории происхождения жизни на Земле

1. Жизнь создана Творцом – Богом (Креационизм)

Креационизм – божественное сотворение человека и всего живого. В Библии сказано: «В начале сотворил Бог небо и землю». На 5 день Бог сказал: «Да произведет вода пресмыкающихся, душу живую и птицы да полетят над землею по тверди небесной». На 6 день: «И сотворил Бог человека по образу Своему…» (Бытие, 1:2-31).

Эта теория, вероятнее всего, появилась первой из всех существующих. До Библии также были и другие литературные источники (Веды – брахманизм, Авеста – зороастризм), в которых описывается процесс сотворения всего живого Богом. Основой этой теории является вера в Бога (Абсолют, Высшее существо), обладающего неограниченной силой и возможностью сотворить любой материальный объект, будь то человек или какое-то животное или предмет.

Достоинства такой теории – ее универсальность. Все что происходит в мире (не только зарождение жизни) трактуются, как Воля Божья, и человеку нет надобности задумываться над причинами, порождающими тот или иной процесс.

2. Многократное самозарождение жизни

Данная теория – многократное самопроизвольное зарождение жизни из неживого вещества – появилась в античные времена. Демокрит (460-370 годы до н.э.) и Эпикур (341-270 годы до н.

Идея самозарождения была широко распространена в Средние века, эпоху Возрождения. Тогда допускали возможность самозарождения не только простых, но и весьма высокоорганизованных существ, даже млекопитающих. Достоинством этой теории являлась ее наглядность. В те времена можно было взять любой кусок еды и убедиться, что спустя какое-то время в нем появятся мелкие червячки или плесень. Все, вопрос решен.

Но в те времена не знали еще, что такое микроскоп, микробы, биологический цикл развития насекомых (растений) и т.п. Лишь в 1668 году врач Франческо Реди (1626-1698 годы) смог доказать, что белые черви, которые развиваются в гниющем мясе, представляют собой личинки мух. А в середине XIX столетия ученый Луи Пастер (1822-1895 годы) показал, что не только в запаянном сосуде, но и в незакрытой колбе с S образной горловиной хорошо прокипячённый бульон остаётся стерильным – через такую горловину не могут проникнуть микробы. Положение «все живое из живого» окончательно отвергло теорию многократного самозарождения жизни.

3. Бесконечное существование жизни

Эта теория стационарного состояния, по которой жизнь существовала всегда, весьма проста по своей сути. Вопрос происхождения жизни на Земле отпадает, потому как нет точки отсчета нашего материального мира. Это, пожалуй, единственный плюс. Но ученые сегодня доказывают теорию Большого Взрыва, по которой наша Вселенная возникла из точки – некоего сильно сжатого вещества, обладающего бесконечно большой энергетической емкостью. И в настоящее время все космические тела нашей Вселенной равномерно удаляются от некоего центра, что подтверждается эффектом Доплера и обнаруженным реликтовым излучением звезд.

Следовательно, теория Большого Взрыва опровергает теорию бесконечного существования жизни во Вселенной, указывая приблизительный возраст Вселенной 15 млрд. лет. И потому жизнь не могла существовать бесконечно, в том числе и до начала Вселенной. Потому данная концепция, вероятно, самая бесперспективная из всех.

4. Внеземное происхождение жизни (Панспермия)

Панспермия, как теория появилась в XIX-XX вв. из-за окончательного краха концепции многократного самозарождения и нежелания научной общественности возвращаться к религиозным идеям Творца. Основное положение данной версии состоит в том, что некие «зародыши жизни» блуждают в космосе до тех пор, пока не попадают на подходящую по своим условиям планету – там они и дают начало биологической эволюции.

Первое детальное рассмотрение этого процесса по Герману Ван Гельмгольцу (1821-1894 годы) предполагает, что во Вселенной существует множество миров, несущих жизнь. Они время от времени разрушаются от столкновений с другими космическими телами и их обломки, которые содержат некоторое количество живых существ, рассеиваются в космическом пространстве.

Дальше данная теория была тщательно разработана в 1908 году шведским химиком Сванте Аррениусом (1859-1927 годы). Он предположил, что бактериальные споры или вирусы могли быть унесены с планет под воздействием электростатического электричества и дальше перемещались в пространстве под давлением света звезд. После данные споры оседали на частичках пыли и захватывались планетами уже другой звездной системы. Так, жизнь могла перемещаться с одной планеты (звездной системы) на другую.

Косвенным подтверждением данной концепции на сегодня являются исследования химического состава небесных тел, каждый год падающих на нашу планету. В составе некоторых метеоритов присутствовали простейшие аминокислоты.

• Еще одну теорию происхождения жизни на Земле, предлагает наука об изучении НЛО – уфология. Если на данный момент человечество развивается эволюционным путем, то существует вероятность, что цивилизации неких разумных существ существовали (существуют) и до нас в других звездных системах. Причем прогресс науки и техники у них ушел значительно дальше, чем у нас. Следовательно и жизнь на Землю могла быть занесена извне некой внеземной цивилизацией. Несмотря на всю фантастичность этих положений, нельзя их отбрасывать на том основании, что это все плоды воспаленного воображения законченных романтиков и ученый мир еще не получил ни одного подтверждения существования внеземного разума. Да и рассекреченные документы Пентагона, которые подтверждают факт крушения некого неопознанного аппарата в штате Невада и описывающие процесс изучения тел неких существ, которые находились внутри корабля, по сути опровергают мнение что мы одни во Вселенной.

Но если жизнь на Землю была занесена с другой планеты, то как она могла появиться там? Не забываем, что у Вселенной есть конкретный возраст. Панспермия не дает ответа.

5. Однократное уникальное возникновение жизни

Теория А. И. Опарина

На сегодня имеется много теорий происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам. Но начало этому направлению исследований положил русский ученый А. И. Опарин (1894-1980 годы). Им была предложена теория возникновения жизни на Земле как следствия химических процессов, протекающих на ранней стадии формирования нашей планеты. Опарин ввел понятие «первичного бульона», состоявший из воды и органических соединений, во множестве синтезирующихся и накапливающихся под воздействием восстановительной (мало кислорода) атмосферы молодой Земли. Энергию для таких реакций давала солнечная радиация, не сдерживаемая еще не сформировавшимся тогда озоновым слоем. Из данного бульона в результате химических процессов и появилась первая клетка, давшая начало эволюции. Версия Опарина была в последствии косвенно подтверждена многими опытами.

• Другая версия возникновения жизни на Земле (Уильям Мартин из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе и Майкл Рассел из Центра изучения окружающей среды, Университет Шотландии, Глазго) предполагает, что первые живые организмы на Земле появились внутри камней, выстилающих океанское дно. Больше 4 миллиардов лет назад крошечные полости внутри минералов могли выступить в роли клеток. Ключевой момент в этой концепции – отложения сульфида железа. В горячих источниках на дне океана это соединение образует “соты” с ячейками шириной в несколько сотых миллиметра.

Эта теория предполагает, что возникновение клетки предшествовало возникновению белков и самореплицирующихся молекул. С притоком горячей воды в ячейки попадают ионы аммония и монооксид углерода, сульфид железа выступает в роли одного из катализаторов синтеза органических веществ из неорганических. Простые соединения концентрировались в “камерах” из сульфида железа, что могло привести к появлению сложных молекул – белков и нуклеиновых кислот. Мартин и Рассел предположили, что живые организмы покинули каменные ячейки, когда научились самостоятельно строить клеточную стенку.

6. Гипотеза генобиоза (Дж. Б. С. Холдейн)

Американский ученый Холдейн полагал, что первичной была не структура, способная к обмену веществ с окружающей средой, а мокромолекулярная си-ма, подобная гену и способная к репродукции, а поэтому и названным им «голым геном». Общее признание эта теория получила после открытия РНК и ДНК и их феноменальных свойств.

По этой генетической концепции, в начале появились нуклеиновые кислоты как матричная основа синтеза белков. В первый раз она была выдвинута в 1929 году Г. Меллером.

Экспериментально доказали, что несложные нуклеиновые кислоты способны реплицироваться и без ферментов. Синтез белков на рибосомах идет при участии т – РНК и р – РНК. Они могут строить не просто случайные сочетания аминокислот, а упорядоченные полимеры белком. Может быть, первичные рибосомы состояли только из РНК. Такие безбелковые рибосомы могли синтезировать упорядоченные пептиды при участии молекул т – РНК, которые связывались с р – РНК через спаривание оснований.

На последующей стадии химической эволюции начали появляться матрицы, которые определяли последовательность молекул т – РНК, а тем самым и последовательность аминокислот, которые связываются молекулами т – РНК. Способность нуклеиновых кислот служить матрицами при образовании комплиментарных цепей (к примеру, синтез и – РНК на ДНК) – наиболее убедительный аргумент в пользу представлений о ведущем значении в процессе биогенеза наследственного аппарата и, как следствие, в пользу генетической гипотезы происхождения жизни на Земле.

7. Теория катастроф

По теории, которую разработал Жорж Кювье, наш мир, вовсе не является первичным. Он является, всего лишь очередным звеном последовательно разрывающейся цепочки. Это означает, мы живем в мире, который в последствии подвергнется массовому вымиранию жизни. При этом не все на нашей планете подвергается глобальному уничтожению, например наступал потоп. Некоторые из видов, в силу своей приспосабливаемости смогли выжить, тем самым заселяя планету. Строение видов и жизни, по утверждению Жоржа Кювье оставалось неизменным.

8. Теория о глине

1985 год – А. Дж. Кернс-Смит, ученый-химик выдвинул свою концепцию о том, что жизнь на Земле возникла благодаря глине. Формируя свою теорию, он опирался на такие же предположения других научных деятелей. Ученый предположил, что некие органические частицы, попав между двумя глиняными слоями, начинали активное взаимодействие с природным материалом. Они переняли у глины способ роста и хранения информации. Исследователь в своих докладах называл первичным глиняный ген. Он полагал, что изначально глина и первые живые организмы существовали вместе, а в последствии в результате эволюции органических соединений разделились.

Возникновение жизни на Земле – зарождение и развитие, гипотезы

Взгляды на происхождение жизни, ее развитие и сущность имеют длинную историю, но обсуждение этих вопросов до недавнего времени было предметом философских размышлений. Лишь в последние десятилетия решение этих вопросов было поставлено на экспериментальную основу и ответ на многие из них получен в лаборатории. Попытки ответить на вопрос, что такое жизнь, вероятно, следует отнести ко времени появления человека (Homo sapiens).

В самых ранних дошедших до нас памятниках культуры древнейших цивилизаций в художественной форме отразились существовавшие тогда представления о возникновении живых существ. При раскопках в Уруке, городе, существовавшем в середине IV тыс. до н.э., была обнаружена ваза, на которой изображено, как из морских волн появляются растения, над растениями располагаются животные, затем – люди, а над людьми – богиня жизни и плодородия.

Сведения о том, как различные живые существа возникают из воды и гниющих остатков, можно найти в древних китайских и индийских рукописях, об этом рассказывают египетские иероглифы и клинописи Древнего Вавилона. В Древнем Египте существовало убеждение, что лягушки, жабы, змеи и даже крокодилы рождаются из слоя ила, который остается после разливов Нила.
В Древнем Китае считали, что тля возникает на молодых побегах бамбука. Большое значение при этом придавалось теплу, влаге и солнечному свету.

Противоположное идеалистическое толкование идеи самозарождения жизни связано с именем Платона (428/427-347 гг. до н.э.), считавшего, что сама по себе растительная и животная материя не является живой. Живой она становится только тогда, когда в нее вселяется бессмертная душа – “психея”. Эта идея Платона оказалась очень жизнеспособной.

Ее воспринял и Аристотель (384-322 гг. до н.э.), учение которого легло в основу всей средневековой научной культуры и господствовало около двух тысяч лет. В работах Аристотеля приводятся многочисленные “факты” самозарождения живых существ: растений, насекомых, червей, лягушек, мышей, некоторых морских животных. Необходимые условия для этого – наличие разлагающихся органических остатков, навоза, испорченного мяса, различных отбросов, грязи. Аристотель подвел под эти “факты” определенное теоретическое толкование, рассматривая внезапное появление живых существ как результат воздействия некоего духовного начала на безжизненную, косную материю.

В средние века идеи о возникновении живых существ из неживой материи подкреплялись новыми “фактами”. Я. ван Гельмонт, голландский естествоиспытатель, известный своими исследованиями по питанию растений, предложил способ получения мышей, согласно которому, если открытый кувшин набить нижним бельем, загрязненным потом, и добавить туда некоторое количество пшеницы, то приблизительно через три недели появляется мышь, “поскольку закваска, находившаяся в белье, проникает через пшеничную шелуху и превращает пшеницу в мышь”.

Пастер (1822-1895) провел эксперимент, по простоте соперничавший со знаменитым опытом Реди. Он кипятил в колбе различные питательные среды, в которых могли развиваться микроорганизмы. При длительном кипячении в колбе погибали не только микроорганизмы, но и их споры.

Помня о возражении виталистов против опытов Спалланцани, что “жизненная сила” не может проникнуть в запаянную колбу, Пастер соединил колбу с наружным воздухом длинной s-образной трубкой. Споры микроорганизмов оседали на внутренней поверхности тонкой изогнутой трубки и не могли проникнуть в питательную среду. Хорошо прокипяченная питательная среда оставалась стерильной, в ней не наблюдалось самозарождения микроорганизмов, хотя доступ воздуха (а с ним и пресловутой “жизненной силы”) был обеспечен. Виталистам был нанесен сокрушительный удар.

Происхождение жизни

Абиогенез

Ниже в общих чертах описан предположительный сценарий происхождения жизни согласно теории абиогенеза.

Начало биологической эволюции

Зарождение жизни и эволюция

Каким образом мы все появились на Земле? На протяжении многих веков люди задавали себе этот вопрос и пытались найти на него ответ. Это одна из самых сложных загадок для человеческого разума.

Одной из общепринятых версий возникновения жизни на Земле является теория Большого взрыва. Согласно ей, около 15 млрд лет назад Вселенная представляла собой небольшой горячий объект. Затем произошел Большой взрыв, и этот объект стал расширяться и существенно увеличиваться в размерах. Так произошло рождение Вселенной. Образовались галактики, звезды, в том числе и Солнце. Вокруг него начали вращаться 8 планет, одна из которых — наша Земля.

Формирование планеты Земля

Около 4,6 млрд лет назад Земля выглядела совсем по-другому. Вместо привычных зеленого, голубого и белого цветов наша планета была красно-оранжевой. Ее поверхность покрывал океан кипящей лавы. Вместо кислорода, которым мы дышим сегодня, воздух был насыщен смертельно ядовитыми газами.

На протяжении первых 500 млн лет своего существования Земля представляла собой огромный безжизненный шар огненной лавы. Затем в течение еще 300 млн лет планета была слишком горячей для появления воды. Потом она стала постепенно остывать. Повсюду начали идти дожди, причем настолько сильные, что образовались реки, озера, моря и океаны.

Но все водное и наземное пространство по-прежнему оставалось безжизненным: в воде не плавала рыба, по небу не летали птицы, не было ни людей, ни животных. Только песок и камень.

Появление жизни на Земле

По мнению биологов, жизнь на Земле образовалась в результате эволюции. Несмотря на видимую безжизненность древнего океана, он содержал химические соединения, которые были готовы преобразоваться в живые организмы. Ученые назвали эти строительные вещества первичным бульоном, т.е. возможным источником возникновения жизни на Земле. В состав этого бульона входили аминокислоты, белки, жиры, углеводы и другие основные компоненты клеток живого существа.

Когда на Земле зародилась жизнь?

Официальная “дата” зарождения жизни на Земле – 3,5 млрд. лет назад . Именно в это время возникли первые живые существа, населившие новую планету – сине-зеленые водоросли (простейшие цианобактерии). Они зародились совершенно уникальным образом в только что возникших океанах Земли и стали первыми “производителями” одного из главных элементов атмосферы нашей планеты – кислорода.

Несмотря на то, что время возникновения на Земле жизни научно доказано, тем не менее, некоторые геохимики, исследовав состав нашей планеты, утверждают, что жизнь на земном шаре возникла намного раньше – 4,4 млрд. лет назад, почти сразу же после рождения новой планеты.

Что возникло раньше: яйцо или курица?

Загадка кажется смешной, но в ней есть глубокий смысл. Подумай сам: если бы не было курицы, то не существовало бы и яиц, а с другой стороны, как появилась курица? Из яйца? Что все-таки было первым? Ответ на этот очень сложный вопрос касается не только курицы и яйца, но и всех форм жизни.

Чем питались первые клетки?

Первые клетки питались, скорее всего, первичным бульоном, тем, из которого они образовались. Большое количество белков, жиров и аминокислот позволяло клеткам жить и размножаться. Они стали родоначальниками клеток животных. На протяжении миллионов лет запасы продовольствия постепенно сокращались. В результате стали образовываться новые клетки — так называемые продуценты. Они смогли развить способность создавать для себя пищу из окружающего строительного материала, используя энергию Солнца или тепло Земли. Эти клетки положили начало всему растительному миру.

Клетка — это основной элемент живого существа. Она может питаться, двигаться и образовывать себе подобных. Первые клетки были достаточно примитивными, но они смогли взять необходимые элементы из первичного бульона и начать свою очень короткую жизнь.

Эволюционные изменения

Чтобы жизнь вокруг нас стала такой, какой мы ее видим сейчас, был пройден долгий и трудный путь превращения простейшей клетки в многоклеточный организм.

Кислород — основа жизни

Переломным моментом на этом пути стало использование клетками кислорода. Ты уже знаешь, что изначально в земной атмосфере кислород содержался в минимальных количествах или отсутствовал вообще, поэтому и первые клетки были устроены так, что не нуждались в нем.

Тем не менее клетки развивались и выделяли кислород в атмосферу. В течение довольно длительного времени атмосфера Земли из смеси смертельно ядовитых газов превратилась в среду, благоприятную для живых существ.

Следующий этап развития

Развитие многоклеточных организмов — следующий этап эволюционного развития. Жизнь больше не ограничивалась одноклеточными существами. Стали появляться новые организмы, состоящие из двух, десяти, тысячи и даже миллиардов клеток. Более того, клетки с разным строением стали специализироваться на выполнении разных работ. Например, одни исполняли роль глаз, другие — сердца, третьи — мозга, тем самым усложняя и совершенствуя устройство живого организма.

Естественный отбор: выживают сильнейшие

Почему так происходит? Давай разбираться. Жизнь на Земле началась с простейших клеток, которые впоследствии развились в растения, животных и все остальные организмы. Но кто решил, как будет выглядеть каждый из них?

Почему у животных есть глаза, уши, нос и другие органы? Почему существует так много видов живых существ?

Да, и этот «кто-то» — естественный отбор. Согласно закону естественного отбора, сильный выживает, а слабый погибает. Например, в стае львов только самые сильные и здоровые животные способны к воспроизведению, т.е. выведению потомства.

Каким образом определяется внешний вид животных?

Ты сам можешь дать ответ на этот вопрос. Посмотри на себя в зеркало. На кого ты похож? На своих родителей, бабушек и дедушек.

То же происходит и с животными. У львов рождаются львята, у сов — совята и т.д. И если у львов длинный хвост, то такой же будет у львенка, когда он вырастет. Маленький совенок очень похож на своих взрослых родителей, и вряд ли ты его перепутаешь с птенцом павлина или цыпленком. Детеныши перенимают все внешние признаки своих родителей.

Эволюция в действии — совершенствование поколений

Представь, миллионы лет назад на Земле жили птицеподобные животные, которые не могли летать. Со временем у некоторых из них развилась способность высоко прыгать и, возможно, даже пролетать небольшие дистанции. Совершенно очевидно, что это умение давало им неоспоримые преимущества перед другими видами живых существ. Прыгучие животные могли беспрепятственно скрываться от погони, быстрее перемещались и находили пищу. Поэтому выжили именно эти особи, а их детеныши унаследовали способность высоко прыгать и пролетать небольшие расстояния. И так происходило с каждым поколением, причем потомки еще выше прыгали и еще дольше могли находиться в воздухе. А выживали самые сильные и здоровые, и у них появлялись детеныши, обладавшие выдающимися качествами своих родителей.

В конце концов спустя миллионы лет птицы стали непревзойденными асами полета.