Реферат Зарождение жизни на Земле
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Содержание:
Введение…………………………………………………………….2.
I.Вероятность возникновения жизни…………………………...4.
1.Что такое жизнь? ....................................................................6.
2.Протожизнь…………………………………………………..7.
II.Зарождение жизни…………………………………………….9.
III.Первая ступень жизни……………………………………….13.
1.Микроорганизмы, мегамолекулы, макромолекулы………15.
2.Решающий эксперимент……………………………………17.
3. Проблема ранней атмосферы……………………………..18.
4. На дне морском…………………………………………….20.
5. Проблема полимеров………………………………………21.
6. Глиняный ген……………………………………………….22.
7. Самые древние микробы…………………………………...22.
8. Мир РНК…………………………………………………….24.
IV. Первые организмы…………………………………………..27.
V. Заключение…………………………………………………...29.
VI.Список используемой литературы………………………….31.
Введение:
Человека всегда особенно интересовала загадка происхождения сознания. Само название биологического вида Homo sapiens как бы обязывает к её разрешению. Но если попытаться встать на беспристрастную точку зрения природы, то ещё неизвестно, что окажется важнее – загадка сознания или загадка собственно жизни, её зарождения. Все началось не с человека, не с динозавров, неизбежно появляющихся в популярных беседах о земной истории, а гораздо раньше. Чтобы разобраться со всем этим, следует комплексно проанализировать эволюционную лестницу.
Жизнь заполняет все уголки нашей планеты. Океаны, моря, озера, реки, горы, равнины, пустыни, даже воздух населены живыми существами. Миллиарды лет жизнь шествует по Земле как уникальная самоорганизующаяся система. Она знала периоды расцвета, исторических испытаний и тяжелых кризисов, прежде чем достигла в наши дни своего великолепного богатства. Сегодня науке известно около 4,5 млн. видов животных и растений. Предполагается, что за всю историю жизни на Земле существовало около 4,5 млрд. видов животных и растений.
Как же появились эти виды? Во все ли эпохи истории Земли растительный и животный мир был таким, как сейчас?
Понятие «жизнь» очень трудно целиком и полностью определить, с какой бы стороны мы ни пытались к нему подойти. Можно последовать феноменологическому подходу и составить список свойств живого: живое существо движется, ему присущи функции выделения, питания и метаболизма, оно растет, воспроизводит себе подобных и так далее. Трудность, с которой сталкиваются при использовании этого подхода, состоит в том, что из подобного списка всегда найдутся исключения, ставящие под угрозу само определение. Такое определение – в виде произвольного списка свойств – вряд ли является фундаментальным.
Например: в случае вируса, растущего кристалла, бактериальной споры оно оказывается неудовлетворительным. Кроме того научно доказано, что жизнь может существовать не только за счёт соединений углерода. Так, например, если бы на Земле углерод до зарождения жизни был погребен под огромным слоем осадочных пород или бы отсутствовал вообще, то жизни вполне могла бы зародиться на основе кремния. Она была бы представлена, скорее всего, только растениями, в виде кристаллов и росла бы чрезвычайно медленно, но это была бы жизнь.
Эта тема, на мой взгляд, должна заинтересовать каждого человека. А послушать, то, как зародилась жизнь на нашей Земле, я думаю, будет интересно всем.
Теория абиогенеза предполагает, что жизнь зародилась на определенном этапе развития материи. С момента образования Вселенной и первых частиц материя встает на путь постоянных изменений. Сначала возникли атомы и молекулы, потом появились звезды и пыль, из нее — планеты, а на планетах зародилась жизнь. Живое возникает из неживого, повинуясь некоему высшему закону, сущность которого нам пока неизвестна. Жизнь не могла не возникнуть на Земле, где были подходящие условия. Разумеется, опровергнуть сие метафизическое обобщение невозможно, но семена сомнения проросли. Дело в том, что условия, необходимые для синтеза жизни, весьма многочисленны, часто противоречат фактам и друг другу. К примеру, нет доказательств того, что на ранней Земле была восстановительная атмосфера. Неясно, как возник генетический код. Удивляет своей сложностью строение живой клетки и ее функции. Какова вообще вероятность зарождения жизни? Вот несколько примеров.
Белки состоят только из так называемых «левых» аминокислот, то есть асимметричных молекул, которые вращают поляризацию проходящего через них света влево. Почему при строительстве белка используются только левые аминокислоты, неизвестно. Может быть, это произошло случайно и где-то во Вселенной есть живые существа, состоящие из правых аминокислот. Скорее всего, в первичном бульоне, где происходил синтез исходных белков, было поровну левых и правых аминокислот. И только появление реально живой «левой» структуры нарушило эту симметрию, и биогенный синтез аминокислот пошел по «левому» пути.
Впечатляет расчет, который Фред Хойл приводит в своей книге «Evolution from Space». Вероятность получения случайным образом 2 000 ферментов клетки, состоящих из 200 аминокислот каждый, равна 10-4000 — абсурдно малая величина, даже если бы весь космос был органическим супом. Вероятность синтеза одного белка, состоящего из 300 аминокислот, — один шанс на 2×10390. Опять ничтожно мало. Уменьшим число аминокислот в белке до 20, тогда число возможных комбинаций синтеза такого белка составит 1 018 — всего на порядок больше числа секунд в 4,5 миллиарда лет. Нетрудно видеть, что времени на перебор всех вариантов и выбор наилучшего у эволюции просто не было. Если учесть, что аминокислоты в белках соединены в определенные последовательности, а не случайным образом, то вероятность синтеза молекулы белка будет такой же, как если бы мартышка случайно напечатала одну из трагедий Шекспира, то есть почти нулевой.
Ученые рассчитали, что молекула ДНК, участвующая в простейшем цикле кодирования белков, должна была состоять из 600 нуклеотидов в определенной последовательности. Вероятность случайного синтеза такой ДНК равна 10-400, иначе говоря, для этого потребуется 10400 попыток.
Не все ученые согласны с такими подсчетами вероятности. Они указывают, что рассчитывать шансы синтеза белка случайным перебором комбинаций некорректно, так как у молекул есть предпочтения, и одни химические связи всегда более вероятны, чем другие. По мнению австралийского биохимика Яна Мусгрейва, рассчитывать вероятность абиогенеза вообще бессмысленно. Во-первых, образование полимеров из мономеров не случайно, а подчиняется законам физики и химии. Во-вторых, рассчитывать образование современных молекул белка, ДНК или РНК неправильно потому, что они не входили в состав первых живых систем. Возможно, в структуре существующих ныне организмов ничего не осталось от прошлых времен. Как сейчас считают, первыми организмами были очень простые системы коротких молекул, состоящих всего из 30—40 мономеров. Жизнь начиналась с очень простых организмов, постепенно усложняя конструкцию.
1. Что такое жизнь
Поисками определения жизни занимаются не только философы. Такое определение необходимо биохимикам, чтобы понять: а что же получилось в пробирке — живое или неживое? Палеонтологам, изучающим древнейшие горные породы в поисках начала жизни. Экзобиологам, ищущим организмы внеземного происхождения. Дать определение жизни непросто. Говоря словами Большой Советской Энциклопедии, «строго научное разграничение на живые и неживые объекты встречает определенные трудности». Действительно, что характерно только для живого организма? Может быть, набор внешних признаков? Нечто белое, мягкое, двигается, издает звуки. В это примитивное определение не попадают растения, микробы и еще многие организмы, потому что они молчат и не двигаются. Можно рассмотреть жизнь с химической точки зрения как материю, состоящую из сложных органических соединений: аминокислот, белков, жиров. Но тогда и простую механическую смесь этих соединений следует считать живой, что неверно. Более удачное определение, по которому в целом существует научный консенсус, связано с уникальными функциями живых систем.
Способность к размножению, когда потомкам передается точная копия наследственной информации, присуща всей земной жизни, причем даже самой малой ее частице — клетке. Вот почему клетку принимают за единицу измерения жизни. Слагаемые же клетки: белки, аминокислоты, ферменты — взятые по отдельности, живыми не будут. Отсюда следует важный вывод о том, что успешные опыты по синтезу этих веществ нельзя считать ответом на вопрос о происхождении жизни. В этой области произойдет революция, только когда станет ясно, как возникла целая клетка. Без сомнения, первооткрывателям тайны вручат Нобелевскую премию. Помимо функции размножения есть ряд необходимых, но недостаточных свойств системы для того, чтобы называться живой. Живой организм может приспосабливаться к изменению окружающей среды на генетическом уровне. Это очень важно для выживания. Благодаря изменчивости жизнь сохранилась на ранней Земле, во время катастроф и в суровые ледниковые периоды.
Важное свойство живой системы — каталитическая активность, то есть умение проводить только определенные реакции. На этом свойстве основан обмен веществ — выбор из окружающей среды нужных веществ, их переработка и получение энергии, необходимой для дальнейшей жизнедеятельности. Схема обмена веществ, которая представляет собой не что иное, как алгоритм выживания, зашита в генетическом коде клетки и через механизм наследственности передается потомкам. Химикам известно много систем с каталитической активностью, которые, однако, не умеют размножаться, и потому их нельзя считать живыми.
2.Протожизнь
Вместе с Землей возник и так называемый "геохимический круговорот". Одни вещества поступали из сдавленных, разогревшихся недр Земли, формируя первичную атмосферу и океаны. Другие приходили из космоса в виде валящихся с неба остатков протопланетного облака, метеоритов и комет. В атмосфере, на поверхности суши и в водоемах все эти вещества смешивались, вступая друг с другом в химические реакции, и превращались в новые соединения, которые, в свою очередь, тоже вступали в реакции друг с другом.
Между химическими реакциями возникала своеобразная конкуренция – борьба за одни и те же субстраты (исходные вещества – "пищу" для реакций). В такой борьбе всегда побеждает та реакция, которая идет быстрее. Начинается "естественный отбор" среди химических процессов. Медленные реакции постепенно затухают и прекращаются, вытесняемые более быстрыми.
Важнейшую роль в этом соревновании играли катализаторы – вещества, ускоряющие те или иные химические превращения. Огромное преимущество должны были получать реакции, катализируемые своими собственными продуктами. Такова, например, знаменитая реакция Бутлерова, в ходе которой из формальдегида образуются сахара, которые сами и являются катализаторами этой реакции.
Следующий этап – формирование автокаталитических циклов, в ходе которых происходит не только синтез катализаторов, но и частичное возобновление расходуемых субстратов. От сложного и эффективного автокаталитического цикла уже недалеко и до настоящей жизни, ведь жизнь в основе своей – это самоподдерживающийся, автокаталитический процесс.
Проблема возникает с "заправкой": та же реакция Бутлерова не начнется, если в среде изначально не будет хотя бы небольшого количества углевода-катализатора. Несколько упрощает проблему гипотеза, предложенная А.Д.Пановым из института Ядерной Физики. Известно, что небесные тела могут обмениваться веществом: при столкновении планеты с крупным астероидом из ее поверхности выбиваются фрагменты породы, которые могут улететь в космос и попасть на другие планеты. По расчетам Панова, благодаря такому "метеоритному обмену" возникшее в ходе химической эволюции на одной из планет полезное новшество (например, эффективный катализатор) может в течение обозримого времени попасть в другие звездные системы. А за несколько сотен миллионов лет ареал распространения новшества может охватить всю галактику – разумеется, при условии, что запас данного вещества, будет возобновляться в цепочке спровоцированных им химических превращений. Гипотеза Панова расширяет масштаб химической "кухни", в которой подготавливались ингредиенты будущей жизни, от планетарного до галактического.
II.Зарождение жизни
Земля сформировалась 4,5—5 млрд. лет назад из гигантского облака космической пыли. Частицы, которой спрессовались в раскаленный шар. Из него в атмосферу выделялся водяной пар, а из атмосферы на медленно остывавшую Землю в течение миллионов лет в виде дождей выпадала вода. В углублениях земной поверхности образовался доисторический Океан. В нем примерно 3,8 млрд. лет назад зародилась первоначальная жизнь.
Многие ученые даже сейчас считают, что в те далекие времена Земля была горячей, безводной и стерильной, но лишь совсем недавно стало ясно, что космический «мусор» бомбардировал молодую планету, создавая катаклизмы, равные взрыву бессчетного числа атомных бомб. И, возможно, Луна — это осколок Земли, оторвавшийся от нее при столкновении с другим «обломком» размером с Марс. Столкновения подобного рода — обычное дело в те далекие времена — несомненно, уничтожали жизнь, зародившуюся ранее.
Некоторые исследователи «приближают» момент появления жизни на Земле, некоторые, наоборот, отодвигают момент появления ее первых признаков вглубь времен. Ископаемые микроорганизмы, найденные в древних скалах Австралии и Южной Африки, демонстрируют, что космическая жизнь определенно присутствовала на Земле 3,5 миллиарда лет назад. Даже в еще более древних скалах в Гренландии, возрастом в 3,9 миллиарда лет, найдены молекулы, содержащие углерод, которые могли принадлежать только живым организмам.
Однако всего лишь 100 миллионов лет назад на Земле образовались сносные условия для появления простейших форм жизни. Чтобы за столь небольшой промежуток времени смогло развиться великое разнообразие форм жизни, необходимо, чтобы процесс стартовал с готовых зародышевых форм, и таких зародышей на Земле в те времена было огромное количество, о чем убедительно говорят их многочисленные останки.
Есть несколько теорий о происхождении жизни на Земле. Например, одна из давних гипотез гласит, что она занесена на Землю из космоса, но неоспоримых доказательств этого нет. Кроме того, та жизнь, которую мы знаем, удивительно приспособлена для существования именно в земных условиях, поэтому если она и возникла вне Земли, то на планете земного типа. Большинство же современных ученых полагают, что жизнь зародилась на Земле, в ее морях. Но как произошла сама планета и как на ней появились моря?
По этому поводу существует одна широко признанная теория. В соответствии с ней Земля образовалась из облаков космической пыли, содержащей все известные в природе химические элементы, которые спрессовались в шар. Горячий водяной пар вырывался с поверхности этого раскаленного докрасна шара, окутывая его сплошным облачным покровом, Водяной пар в облаках медленно охлаждался и превращался в воду, которая выпадала в виде обильных непрерывных дождей на еще раскаленную, пылающую Землю. На ее поверхности она снова превращалась в водяной пар и возвращалась в атмосферу. За миллионы лет Земля постепенно потеряла так много тепла, что ее жидкая поверхность, остывая, начала твердеть. Так образовалась земная кора.
Такая газово-пылевая материя встречается в межзвёздном пространстве и в настоящее время. Водород - преобладающий элемент Вселенной. Путём реакции ядерного синтеза из него возникает гелий, из которого, в свою очередь, образуется углерод. Ядерные процессы внутри облака продолжались длительное время (сотни миллионов лет). Ядра гелия объединялись с ядрами углерода и формировали ядра кислорода, затем неона, магния, серы и т. д.
Таким образом, под действием высоких температур и гравитационного сжатия, обусловленного вращением облака вокруг своей оси, возникают различные химические элементы, составляющие основную массу звёзд, планет и их атмосферы. Образование химических элементов при возникновении звездных систем, в том числе и таких, как наша Солнечная система, - закономерное явление в эволюции материи. Однако для её дальнейшего развития на пути к возникновению жизни необходимы были некоторые космические и планетарные условия. Одно из таких условий – размеры планеты. Масса ее не должна была быть слишком большой, так как энергия атомного распада природных радиоактивных веществ может привести к перегреванию планеты или, что еще более важно, к радиоактивному загрязнению среды, несовместимому с жизнью. Маленькие планеты не способны удерживать около себя атмосферу, потому что сила притяжения их невелика. Это обстоятельство исключает возможность развития жизни. Примером таких планет может служить спутница Земли – Луна. Второе, не менее важное условие – движение планеты вокруг звезды по круговой или близкой к круговой орбите, позволяющее постоянно и равномерно получать необходимое количество энергии. Наконец, третье необходимое условие для развития материи и возникновения живых организмов – постоянная интенсивность излучения светила. Последнее условие также очень важно, потому что в противном случае поток лучистой энергии, поступающий на планету, не будет равномерным. Неравномерность потока энергии, приводя к резким колебаниям температуры, неизбежно препятствовала бы возникновению и развитию жизни, так как существование живых организмов возможно в пределах весьма жестких температурных рамок. Стоит вспомнить, что живые существа на 80-90 % состоят из воды, причем не газообразной (пар) и не твердой (лед), а жидкой. Следовательно, температурные границы жизни определяются еще и жидким состоянием воды.
Прошли миллионы лет, и температура поверхности Земли еще больше понизилась. Ливневые воды перестали испаряться и стали стекать в огромные лужи. Так началось воздействие воды на земную поверхность. А потом из-за понижения температуры произошел настоящий потоп. Вода, которая до этого испарялась в атмосферу и превратилась в ее составную часть, беспрерывно низвергалась на Землю, С громом и молниями обрушивались из облаков мощные ливни. Мало-помалу в самых глубоких впадинах земной поверхности скапливалась вода, которая уже не успевала совсем испариться. Ее было так много, что постепенно на планете образовался доисторический Океан. Молнии рассекали небо. Но никто этого не видел. На Земле еще не было жизни. Непрерывный ливень начал размывать горы. Вода стекала с них шумными ручьями и бурными реками. За миллионы лет водные потоки глубоко разъели земную поверхность и кое-где появились долины. В атмосфере уменьшалось содержание воды, а на поверхности планеты ее скапливалось все больше. Сплошной облачный покров становился тоньше, пока в один прекрасный день Земли не коснулся первый луч солнца. Непрерывный дождь кончился. Большую часть суши покрыл доисторический Океан. Из ее верхних слоев вода вымывала огромное количество растворимых минералов и солей, которые попадали в море. Вода из него непрерывно испарялась, образуя облака, а соли оседали, и с течением времени происходило постепенное засоление морской воды. По-видимому, при каких-то существовавших в древности условиях образовались вещества, из которых возникли особые кристаллические формы. Они росли, как и все кристаллы, и давали начало новым кристаллам, которые присоединяли к себе все новые вещества. Солнечный свет и, возможно, очень сильные электрические разряды служили в этом процессе источником энергии. Может быть, из таких элементов зародились первые обитатели Земли — прокариоты, организмы без оформленного ядра, похожие на современных бактерий. Они были анаэробами, то есть не использовали для дыхания свободный кислород, которого тогда еще не было в атмосфере. Источником пищи для них служили органические соединения, возникшие на еще безжизненной Земле в результате воздействия ультрафиолетового излучения Солнца, грозовых разрядов и тепла, образующегося при извержении вулканов. Жизнь существовала тогда в тонкой бактериальной пленке на дне водоемов и во влажных местах.
III.
Первая ступень жизни
Камень преткновения в наших попытках
понять происхождение жизни – невозможность
представить себе те процессы, которые
являются промежуточными между химической
эволюцией и возникновением первой
самовоспроизводящей и метаболизирующей
единицы, которая называется клеткой.
Р. Янг (R. Young)
Подходя материально, с внешней стороны, в данный момент лучше всего сказать, что собственно жизнь начинается с клетки. Чем больше наука – вот уже столетие – сосредоточивает свои усилия на этой химически и структурно сверхсложной единице, тем очевидней становится, что именно здесь скрывается секрет, знание которого установит угадываемую, но еще не постигнутую связь между двумя мирами – физики и биологии. Клетка – естественная крупинка жизни, как атом – естественная крупинка неорганизованной материи. Если мы хотим установить, в чем состоит специфика ступени жизни, несомненно, следует попытаться понять клетку. Но как надо ее рассматривать, чтобы понять? О клетке написаны тома. Целые библиотеки не могут уже вместить тщательно собранных наблюдений о ее строении, об относительных функциях "цитоплазмы" и ядра, о механизме ее деления, о ее связи с наследственностью. И, однако, сама по себе клетка продолжает оставаться для нас столь же загадочной, столь же скрытой, как и раньше.
Фактически и по вполне понятным причинам цитология до сих пор почти целиком строилась на основе биологической точки зрения: клетка рассматривалась как микроорганизм или протоживое, которое истолковывалось по отношению к его высшим формам и ассоциациям.
Но тем самым мы попросту оставляли в тени половину проблемы. Как планета в своей первой четверти, объект наших исследований освещался с той стороны, которой он повернут к вершинам жизни. Но снизу, со стороны преджизни, он продолжал пребывать в темноте. С точки зрения науки в этом, по-видимому, и заключается причина того, что до сих пор неоправданно долго сохраняется тайна клетки.
Как и все другое в мире, клетка, какой бы чудесной она ни казалась нам сама по себе, отдельно от других построений материи, сможет быть понята (то есть, включена в связную систему универсума) лишь тогда, когда она встанет на свое место между будущим и прошлым в линии эволюции. Следует сосредоточить исследования на ее происхождении, т. е. на корнях, которыми она уходит в неорганизованное, если только мы хотим выяснить подлинную суть ее новизны.
Вопреки всему, чему нас учит опыт в других областях, мы слишком привыкли или смирились с тем, чтобы мыслить клетку как предмет без прошлого. Попробуем же представить себе, как она будет выглядеть, если, как это и следует, рассматривать и трактовать ее как подготовленную длительным развитием и в то же время как глубоко оригинальную, то есть возникшую.
1.Микроорганизмы и мегамолекулы
Макромолекула — молекула с высокой молекулярной массой, структура которой представляет собой многократные повторения звеньев, образованных (в действительности или мысленно) из молекул малой молекулярной массы. Число атомов, входящих в состав макромолекул, может быть очень большим (сотни тысяч и миллионы). Высокомолекулярными обычно считаются вещества, обладающие молекулярной массой более 103 Да. Достаточно ли велика молекулярная масса, часто можно определить по следующему критерию: если добавление или удаление одного или нескольких звеньев не влияет на молекулярные свойства, молекула может считаться макромолекулой (такой критерий оказывается неудачным, например, в случае биополимеров). Термины "макромолекула" и "полимерная молекула" являются синонимами.
Начнем с подготовки клетки, предшествующим развитием. Первое, что мы обнаружим, если попытаемся наблюдать первоначальную жизнь в ее отношении не к последующему, а к предшествующему, – это одна особенность, которая должна была бы бросаться в глаза, а именно то, что в клетке и через ее посредство выступает, проходит и теряется в недрах более высоких построений жизни молекулярный мир "собственной персоной", если можно так выразиться.
Когда мы рассматриваем бактерию, то всегда думаем о высших растениях и животных. Это-то и сбивает нас с толку. Но поступим иначе. Закроем глаза на более развитые формы живой природы. Оставим в стороне и большинство одноклеточных, почти столь же дифференцированных, что и многоклеточные. А у многоклеточных забудем о нервных, мышечных, половых клетках, зачастую гигантских по размерам и, во всяком случае, сверхспециализированных. Ограничимся, таким образом, теми более или менее независимыми, внешне аморфными или полиморфными элементами, которые изобилуют в естественных процессах брожения, циркулируют в наших венах, накапливаются в наших органах в виде соединительной ткани. Иначе говоря, ограничим наше поле зрения клеткой, взятой в самой простой и, следовательно, в самой примитивной форме, какую только можно наблюдать в нынешней природе. А затем рассмотрим эту корпускулярную массу в связи с материей, на которую она накладывается. Можно ли, судя по составу и по всему их облику, хоть на миг усомниться в очевидном родстве мира протоживых и мира физикохимии?.. Посмотрите на простоту клеточной формы. На симметричность структуры. На крайне малые размеры. На внешнее тождество свойств и поведения во множестве... Как не узнать здесь знакомые черты и манеры зернистости? Другими словами, не остаемся ли мы еще на этой первой ступени жизни, если не в центре, то на краю, и, во всяком случае, в пределах "материи"?
Не будет преувеличением сказать, что как человек анатомически – на взгляд палеонтологов – сливается с массой предшествующих ему млекопитающих, так и клетка, взятая по нисходящей линии, качественно и количественно тонет в мире химических соединений. Непосредственное продолжение этой линии назад от клетки явно ведет к молекуле.
Всего несколько лет назад высказанное здесь положение о постепенном переходе крупицы материи в крупицу жизни могло бы показаться столь же бездоказательным, хотя и перспективным, как и первые рассуждения Дарвина или Ламарка о трансформизме. Но сейчас многое меняется. Со времен Дарвина и Ламарка многочисленными находками подтверждено существование переходных форм, постулированных теорией эволюции. Точно так же последние достижения биологической химии начинают устанавливать факт существования молекулярных соединений, которые сокращают и заполняют казавшуюся зияющей пропасть между протоплазмой и минеральной материей. Если верны произведенные измерения (правда, еще косвенные), то молекулярные веса некоторых естественных белковых веществ, таких, как "вирусы", столь таинственно связанные с инфекционными болезнями животных и растений, по-видимому, должны подсчитываться в миллионах. Хотя частицы, образующие эти вещества, гораздо меньше любых бактерий, они настолько малы, что пока никакой фильтр не может их задержать, тем не менее, они колоссальны по своим размерам в сравнении с молекулами, с которыми обычно имеет дело химия углерода. И весьма показательно, что если их и нельзя смешивать с клеткой, то все же некоторыми своими свойствами (а именно способностью размножаться при контакте с живой тканью) они уже предвосхищают свойства собственно организованных существ.
Благодаря открытию этих гигантских частиц ранее предполагавшееся наличие промежуточных состоянии между микроскопическими живыми существами и ультрамикроскопическим "неодушевленным" переходит в область непосредственного экспериментирования. И поэтому не только из интеллектуальной потребности к последовательности, но на основании положительных данных уже сейчас можно утверждать, что в соответствии с нашими теоретическими догадками о существовании преджизни действительно есть какая-то естественная функция, связывающая в их последовательном появлении и в их нынешнем состоянии микроорганическое с мегамолекулярным.
Эта первая констатация помогает нам сделать еще один шаг к лучшему пониманию подготовки и, значит, возникновению жизни.
2.Решающий эксперимент
Нет никакой надежды, что однажды клетка получилась сама собой из атомов химических элементов. Это невероятный вариант. Простая клетка бактерии содержит сотни генов, тысячи белков и разных молекул. Фред Хойл шутил, что синтез клетки так же невероятен, как сборка «Боинга» ураганом, пронесшимся над свалкой запчастей. И все же «Боинг» существует, значит, он был каким-то образом «собран», точнее «самособран». По нынешним представлениям, «самосборка» «Боинга» началась 4,5 миллиарда лет назад, процесс шел постепенно и был растянут во времени на миллиард лет. По крайней мере, 3,5 миллиарда лет назад живая клетка уже существовала на Земле.
Для синтеза живого из неживого на начальном этапе в атмосфере и водоемах планеты должны присутствовать простые органические и неорганические соединения: C, C2, C3, CH, CN, CO, CS, HCN, CH3CH, NH, O, OH, H2O, S. Стэнли Миллер в своих знаменитых опытах по абиогенному синтезу смешал водород, метан, аммиак и водяные пары, потом пропускал нагретую смесь через электрические разряды и охлаждал. Через неделю в колбе образовалась коричневая жидкость, содержащая семь аминокислот, и в том числе глицин, аланин и аспарагиновую кислоту, входящие в состав клеточных белков. Эксперимент Миллера показал, как могла образоваться предбиологическая органика — вещества, которые участвуют в синтезе более сложных компонентов клетки. С тех пор биологи считают этот вопрос решенным, несмотря на серьезную проблему. Дело в том, что абиогенный синтез аминокислот идет только в восстановительных условиях, вот почему Опарин полагал атмосферу ранней Земли метаново-аммиачной. Но геологи не согласны с таким выводом.
3.Проблема ранней атмосферы
Метану и аммиаку неоткуда взяться в большом количестве на Земле, считают специалисты. К тому же эти соединения очень неустойчивы и разрушаются под действием солнечного света, метаново-аммиачная атмосфера не могла бы существовать, даже если бы эти газы выделялись из недр планеты. По данным геологов, в атмосфере Земли 4,5 миллиарда лет назад преобладали углекислый газ и азот, что в химическом отношении создает нейтральную среду. Об этом свидетельствует состав древнейших горных пород, которые в тот период были выплавлены из мантии. Самые древние породы на планете возрастом 3,9 миллиарда лет обнаружили в Гренландии. Это так называемые серые гнейсы — сильно измененные магматические породы среднего состава. Изменение этих горных пород шло миллионы лет под влиянием углекислых флюидов мантии, которые одновременно насыщали и атмосферу. В таких условиях абиогенный синтез невозможен.
Проблему ранней атмосферы Земли пытается решить академик Э.М. Галимов, директор Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН. Он рассчитал, что земная кора возникла очень рано, в первые 50—100 миллионов лет после образования планеты, и была по преимуществу металлической. В таком случае мантия действительно должна была выделять метан и аммиак в достаточном количестве для создания восстановительных условий. Американские ученые К. Саган и К. Чайба предложили механизм самозащиты метановой атмосферы от разрушения. По их схеме разложение метана под действием ультрафиолета могло привести к созданию в верхних слоях атмосферы аэрозоля из частиц органики. Эти частицы поглощали солнечную радиацию и защищали восстановительную среду планеты. Правда, этот механизм разработали для Марса, но он применим и к ранней Земле.
Подходящие условия для образования предбиологической органики не сохранялись на Земле долго. В течение следующих 200—300 миллионов лет мантия начала окисляться, что привело к выделению из нее углекислого газа и смене состава атмосферы. Но к тому времени среда для зарождения жизни уже была подготовлена.
4.На дне морском
Первожизнь могла зародиться вокруг вулканов. Представьте себе на еще хрупком дне океанов многочисленные разломы и трещины, сочащиеся магмой и бурлящие газами. В таких зонах, насыщенных парами сероводорода, образуются месторождения сульфидов металлов: железа, цинка, меди. Что если синтез первичной органики шел прямо на поверхности железосерных минералов с помощью реакции углекислоты и водорода? Благо вокруг много и того и другого: диоксид и оксид углерода выделяются из магмы, а водород — из воды при ее химическом взаимодействии с горячей магмой. Есть и необходимый для синтеза приток энергии.
Эта гипотеза не противоречит геологическим данным и основана на предположении, что ранние организмы жили в экстремальных условиях, как современные хемосинтетические бактерии. В 60-х годах XX века исследователи открыли на дне Тихого океана подводные вулканы — черные курильщики. Там в клубах ядовитых газов, без доступа солнечного света и кислорода, при температуре +120° существуют колонии микроорганизмов. Подобные черным курильщикам условия были на Земле уже 2,5 миллиарда лет назад, как о том свидетельствуют пласты строматолитов — следов жизнедеятельности сине-зеленых водорослей. Формы, похожие на этих микробов, есть и среди остатков древнейших организмов возрастом 3,5 миллиарда лет.
Для подтверждения вулканической гипотезы нужен эксперимент, который показал бы, что абиогенный синтез в данных условиях возможен. Работы в этом направлении ведут группы биохимиков из США, Германии, Англии и России, но пока безуспешно. Обнадеживающие результаты получил в 2003 году молодой исследователь Михаил Владимиров из лаборатории эволюционной биохимии Института биохимии им. А.Н. Баха РАН. Он создал в лаборатории искусственный черный курильщик: в автоклав, наполненный солевым раствором, был помещен диск из пирита (FeS2), служивший катодом; через систему проходили углекислый газ и электрический ток. Через сутки в автоклаве появилась муравьиная кислота — простейшая органика, которая участвует в метаболизме живых клеток и служит материалом для абиогенного синтеза более сложных биологических веществ.
5.Проблема полимеров
Клеточные белки, ДНК, РНК — все это полимеры, очень длинные молекулы, наподобие нитей. Строение полимеров довольно простое, они состоят из частей, повторяющихся в определенном порядке. К примеру, целлюлоза — самая распространенная молекула в мире, которая входит в состав растений. Одна молекула целлюлозы состоит из десятков тысяч атомов углерода, водорода и кислорода, но вместе с тем это не что иное, как многократное повторение более коротких молекул глюкозы, сцепленных между собой, как в ожерелье. Белки — это цепь аминокислот. ДНК и РНК — последовательность нуклеотидов. Причем суммарно это очень длинные последовательности. Так, расшифрованный геном человека состоит из 3 миллиардов пар нуклеотидов.
В клетке полимеры производятся постоянно с помощью сложных матричных химических реакций. Чтобы получить белок, у одной аминокислоты нужно отсоединить гидроксильную группу OH с одного конца и атом водорода с другого, и только после этого «приклеить» следующую аминокислоту. Нетрудно видеть, что в этом процессе образуется вода, причем снова и снова. Освобождение от воды, дегидратация, — очень древний процесс, ключевой для зарождения жизни. Как он происходил, когда еще не было клетки с ее фабрикой по производству белков? Возникает проблема и с теплым мелким прудом — колыбелью живых систем. Ведь при полимеризации вода должна удаляться, но это невозможно, если ее полно вокруг.
6.Глиняный ген
В первичном бульоне должно было находиться нечто, что помогло родиться живой системе, ускорило процесс и снабдило энергией. Английский кристаллограф Джон Бернал в 50-х годах XX века предположил, что таким помощником могла служить обычная глина, которой в изобилии устлано дно любого водоема. Минералы глины способствовали образованию биополимеров и возникновению механизма наследственности. Гипотеза Бернала с годами окрепла и привлекла много последователей. Оказалось, что облученные ультрафиолетом глинистые частицы хранят полученный запас энергии, который расходуют на реакцию сборки биополимеров. В присутствии глины мономеры собираются в самореплицирующиеся молекулы, нечто вроде РНК.
Большинство глинистых минералов похоже по своей структуре на полимеры. Они состоят из огромного числа слоев, соединенных между собой слабыми химическими связями. Такая минеральная лента растет сама собой, каждый следующий слой повторяет предыдущий, а иногда случаются дефекты — мутации, как в настоящих генах. Шотландский химик А.Дж. Кернс-Смит утверждал, что первым организмом на Земле был именно «глиняный ген». Попадая между слоями глинистых частиц, органические молекулы взаимодействовали с ними, перенимали способ хранения информации и роста, можно сказать, обучались. Какое-то время минералы и протожизнь мирно сосуществовали, но вскоре произошел разрыв, или генетический захват, по Кернс-Смиту, после чего жизнь покинула минеральный дом и начала свое собственное развитие.
7
.Самые древние микробы
В черных сланцах Западной Австралии возрастом 3,5 миллиарда лет сохранились остатки самых древних организмов, когда-либо обнаруженных на Земле. Видимые лишь под микроскопом шарики и волоконца принадлежат прокариотам — микробам, в клетке которых еще нет ядра, и спираль ДНК уложена прямо в цитоплазме. Древнейшие окаменелости обнаружил в 1993 году американский палеобиолог Уильям Шопф. Вулканические и осадочные породы комплекса Пилбара, что к западу от Большой песчаной пустыни в Австралии — одни из самых старых пород на Земле. По счастливой случайности эти образования не столь сильно изменились под действием мощных геологических процессов и сохранили в прослоях остатки ранних существ.
Убедиться в том, что крохотные шарики и волоконца в прошлом были живыми организмами, оказалось трудно. Ряд мелких бусинок в горной породе может быть чем угодно: минералами, небиологической органикой, обманом зрения. Всего Шопф насчитал 11 видов окаменелостей, относящихся к прокариотам. Из них 6, по мнению ученого, — это цианобактерии, или сине-зеленые водоросли. Подобные виды до сих пор существуют на Земле в пресных водоемах и океанах, в горячих ключах и близ вулканов. Шопф насчитал шесть признаков, по которым подозрительные объекты в черных сланцах следует считать живыми.
Вот эти признаки:
1. Ископаемые сложены органической материей
2. У них сложное строение — волоконца состоят из клеток разной формы: цилиндров, коробочек, дисков
3. Объектов много — всего 200 ископаемых включают в себя 1 900 клеток
4. Объекты похожи друг на друга, как современные представители одной популяции
5. Это были организмы, хорошо приспособленные к условиям ранней Земли. Они обитали на дне моря, защищенные от ультрафиолета толстым слоем воды и слизи
6. Объекты размножались как современные бактерии, о чем говорят находки клеток в стадии деления.
Обнаружение столь древних цианобактерий означает, что почти 3,5 миллиарда лет назад существовали организмы, которые потребляли углекислый газ и производили кислород, умели скрываться от солнечной радиации и восстанавливаться после ранений, как это делают современные виды. Биосфера уже начала складываться. Для науки в этом кроется пикантный момент. Как признается Уильям Шопф, в столь почтенных породах он бы предпочел найти более примитивные создания. Ведь находка древнейших цианобактерий отодвигает начало жизни на период, стертый из геологической истории навсегда, вряд ли геологи когда-либо смогут его обнаружить и прочесть. Чем старше породы, тем дольше они пребывали под давлением, температурой, выветривались. Помимо Западной Австралии на планете сохранилось только одно место с очень древними породами, где могут встретиться окаменелости — на востоке Южной Африки в королевстве Свазиленд. Но африканские породы за миллиарды лет претерпели сильнейшие изменения, и следы древних организмов потерялись.
В настоящее время геологи не нашли начала жизни в горных породах Земли. Строго говоря, они вообще не могут назвать интервал времени, когда живых организмов еще не было. Не могут они, и проследить ранние — до 3,5 миллиарда лет назад — этапы эволюции живого. Во многом из-за отсутствия геологических свидетельств тайна происхождения жизни остается нераскрытой.
8.Мир РНК
В теории абиогенеза поиски первоначала жизни приводят к идее о более простой, нежели клетка, системе. Современная клетка необычайно сложна, ее работа держится на трех китах: ДНК, РНК и белки. ДНК хранит наследственную информацию, белки осуществляют химические реакции по схеме, заложенной в ДНК, информацию от ДНК к белкам передает РНК. Что может входить в упрощенную систему? Какая-то одна из составных частей клетки, которая умеет, как минимум, воспроизводить себя и регулировать обмен веществ.
Поиски наиболее древней молекулы, с которой, собственно, и началась жизнь, продолжаются почти столетие. Подобно геологам, восстанавливающим историю Земли по пластам горных пород, биологи открывают эволюцию жизни по строению клетки. Череда открытий XX века привела к гипотезе спонтанно зародившегося гена, который стал прародителем жизни. Естественно думать, что таким первогеном могла быть молекула ДНК, ведь она хранит информацию о своей структуре и об изменениях в ней. Постепенно выяснили, что ДНК не может сама передать информацию другим поколениям, для этого ей нужны помощники — РНК и белки. Когда во второй половине XX века открыли новые свойства РНК, то оказалось, что эта молекула больше подходит на главную роль в пьесе о происхождении жизни.
Молекула РНК проще по своему строению, чем ДНК. Она короче и состоит из одной нити. Эта молекула может служить катализатором, то есть проводить избирательные химические реакции, например, соединять между собой аминокислоты, и в частности осуществлять собственную репликацию, то есть воспроизведение. Как известно, избирательная каталитическая активность — одно из основных свойств, присущих живым системам. В современных клетках эту функцию выполняют только белки. Возможно, эта способность перешла к ним со временем, а когда-то этим занималась РНК.
Чтобы выяснить, на что еще способна РНК, ученые стали разводить ее искусственно. В насыщенном молекулами РНК растворе кипит собственная жизнь. Обитатели обмениваются частями и воспроизводят сами себя, то есть идет передача информации потомкам. Спонтанный отбор молекул в такой колонии напоминает естественный отбор, а значит, им можно управлять. Как селекционеры выращивают новые породы животных, так же стали выращивать РНК с заданными свойствами. Например, молекулы, которые помогают сшивать нуклеотиды в длинные цепочки; молекулы, устойчивые к высокой температуре, и так далее.
Колонии молекул в чашках Петри — это и есть мир РНК, только искусственный. Натуральный мир РНК мог возникнуть 4 миллиарда лет назад в теплых лужах и мелких озерцах, где шло спонтанное размножение молекул. Постепенно молекулы стали собираться в сообщества и соревноваться между собой за место под солнцем, выживали наиболее приспособленные. Правда, передача информации в таких колониях происходит неточно, и вновь приобретенные признаки отдельной «особи» могут теряться, но этот недостаток покрывается большим количеством комбинаций. Отбор РНК шел очень быстро, и за полмиллиарда лет могла возникнуть клетка. Дав толчок возникновению жизни, мир РНК не исчез, он продолжает существовать внутри всех организмов на Земле.
Мир РНК — почти живой, до полного оживления ему остается всего один шаг — произвести клетку. Клетка отделена от окружающей среды прочной мембраной, значит, следующий этап эволюции мира РНК — заключение колоний, где молекулы связаны между собой родством, в жировую оболочку. Такая протоклетка могла получиться случайно, но, чтобы стать полноценной живой клеткой, мембрана должна была воспроизводиться от поколения к поколению. С помощью искусственного отбора в колонии можно вывести РНК, которая отвечает за рост мембраны, но произошло ли это на самом деле? Авторы экспериментов из Массачусетского технологического института США подчеркивают, что результаты, полученные в лаборатории, не обязательно будут похожи на реальную сборку живой клетки, а может быть, и вовсе далеки от истины. Впрочем, создать живую клетку в пробирке пока не удалось. Мир РНК не раскрыл до конца своих тайн.
Эпоху РНК-мира некоторые специалисты помещают где-то между 4,3 и 3,8 млрд. лет назад.
IV.
Первые организмы
Все живые организмы дискретны в пространстве и имеют наружную оболочку. Трудно представить себе живое существо в виде туманного облачка или раствора. Однако поначалу преджизнь существовала именно в виде растворов. Чтобы не раствориться окончательно, не рассеяться в водах древних водоемов, "живые растворы" должны были ютиться в крошечных полостях, которые часто встречаются в минералах. Это тем более удобно, что некоторые минералы (например, пирит) являются неплохими катализаторами для многих биохимических реакций. Кроме того, поверхность минералов могла служить своеобразной матрицей, основой, к которой прикреплялись молекулы РНК. Упорядоченная структура кристаллов помогала упорядочить и структуру этих молекул, придать им нужную пространственную конфигурацию.
Но рано или поздно преджизнь должна была обзавестись собственными оболочками – перейти от доорганизменного уровня к организменному. Идеальным материалом для таких оболочек являются липиды, молекулы которых способны образовывать на поверхности воды тончайшие пленки. Если взболтать такую воду, в ее толще образуется множество мелких пузырьков – водяных капелек, покрытых двухслойной липидной оболочкой (мембраной). Эти капельки проявляют интересные свойства, которые делают их похожими на живые клетки. Например, они способны осуществлять обмен веществ. Липидные мембраны обладают избирательной проницаемостью: одни молекулы сквозь них проходят, другие нет. Благодаря этому одни вещества втягиваются в каплю, другие выводятся, третьи – накапливаются внутри. Правда, для того, чтобы это происходило постоянно, одних мембран недостаточно. Нужно еще, чтобы внутри капли одни вещества превращались в другие, а для этого там должны находиться катализаторы – белки или РНК.
Изучением свойств водно-липидных капель (коацерватов) занимался академик А.И.Опарин. Он считал, что коацерваты были одним из этапов на пути возникновения жизни. Опарин обнаружил, что при определенных условиях коацерваты могут расти и даже "размножаться" делением.
Первые коацерваты могли образоваться самопроизвольно из липидов, синтезированных абиогенным путем. Впоследствии они могли вступить в симбиоз (взаимовыгодное сожительство) с "живыми растворами" – колониями самовоспроизводящихся молекул РНК, среди которых были и рибозимы, катализирующие синтез липидов. Подобное сообщество уже можно назвать организмом. У всех живых существ до сих пор в синтезе липидов важнейшую роль играет кофермент А, представляющий собой не что иное, как модифицированный рибонуклеотид. Это – еще одно напоминание об РНК-мире.
Камнем преткновения для теории РНК-мира в течение некоторого времени была неспособность молекул РНК эффективно взаимодействовать с липидными мембранами. Недавно, однако, было показано, что комплексы из нескольких разных молекул РНК и ионов кальция способны не только прикрепляться к мембранам, но и регулировать их проницаемость.
Заключение:
Истинная основа жизни образовалась в результате появления клетки, в которой биологические мембраны объединили отдельные органеллы в единое целое.
Первые клетки были примитивны и не имели ядра. Но такие клетки существуют и в настоящее время. Удивительно, ведь они появились более 3 млрд. лет назад.
Первые клетки были прообразом всех живых организмов: растений, животных, бактерий. Позже, в процессе эволюции, под воздействием дарвиновских законов естественного отбора клетки совершенствовались и появились специализированные клетки высших многоклеточных, растений и животных — метафитов и метазоа.
В качестве объединяющей зависимости между химической эволюцией переходящей затем в биохимическую и биологическую эволюцию можно привести следующую:
1. атомы
2. простые молекулы
3. сложные макромолекулы и ультра молекулярные системы (пробионты)
4. одноклеточные организмы.
Итак, живой мир сотворен. На это потребовалось более 3 миллиардов лет, и это было самым трудным. Не поддается перечислению огромное количество вариантов развития исходных углеродных соединений. Однако самым важным был результат – возникновение жизни на Земле.
Несмотря на важность знаний, относительно условий, причин и процессов появления жизни на Земле в наше время НТП многие не уделяют этому должного внимания. Хотя для всех должно быть очень ясно, что жизнь, окружающая нас, формировалась в течение такого гигантского периода времени, который просто неподвластен нашему сознанию. И только поэтому, тот ущерб, который уже был нанесен всему живому за прошедший век, пока еще не привел к необратимым последствиям. Однако, благодаря НТП человек сам, не осознавая того, создает все более опасные для всего живого изобретения. И, к сожалению, никто не знает, какое из них будет последним….
А ведь мы часть живого мира, на создание которого потребовались миллиарды лет. Думаю, есть о чем задуматься.
Список используемой литературы:
1. Н.Л.Добрецов «Что мы знаем и чего не знаем об эволюции». Из журнала /Наука из первых рук.-2004.-№10.-С.9-20/
2. А.В.Марков статья «Происхождение жизни». http://www.evolbiol.ru/paleobac.htm
3. Шарден П. кн. «Феномен человека».Перевод и примечания Н.А.Садовского М.: 'Прогресс', 1965
4. Журнал «Вокруг Света» №3(2774)|Март 2005 Рубрика «Досье». Великая тайна жизни. http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/595/
5. Википедия- Свободная энциклопедия. http://ru.wikipedia.org.
6. кн. «Рыба»Издательство Слово.
