Реферат Происхождение жизни на земле 8
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
Введение.
Вопрос о происхождение жизни на Земле принадлежит к числу наиболее сложных вопросов науки. Вокруг этого вопроса на протяжении многих веков развертывалась борьба религии и науки, идеализма и материализма. Исходя из этого, и из того, что данная работа проходит по курсу концепции современного естествознания, тема этой курсовой работы: «Естественно – научные модели происхождения жизни на земле».
Наши далекие предки и не подозревали, что вопрос о происхождении живого из неживого может стать серьезной проблемой для их потомков. Мудрецы Античности и Средневековья не видели непроходимой грани между живым и неживым. Вслед за Аристотелем все ученые вплоть до XVII века полагали самозарождение жизни самым обычным явлением. До XVIII в. не было речи о различии и единстве живого и косного вещества. Человек — боговдохновенное создание, а остальная природа — материя, управляемая законами механики, и развитие биологии и геологии шло раздельно. Теория эпигенеза (У. Гарвей, Р.Декарт) отрицала предопределенность развития организма, развивающегося под определяющим влиянием окружающей среды. Обращаясь больше к опытному изучению эмбриогенеза, эпигенетики[1] отходили от идей божественного творения жизни.
С того момента, как происхождение жизни на земле стало активно изучаться учеными, появилось множество рассуждений, теорий и гипотез, но учеными определился ряд моделей, которые действительно имеют место быть:
- жизнь была создана Творцом в определенное время (теория креационизма (от лат. creatio — сотворение);
- жизнь возникла самопроизвольно из неживого вещества (теория самозарождения);
- жизнь была занесена на Землю из Космоса (теория панспермии);
- жизнь существовала всегда (теория стационарного состояния жизни);
- жизнь возникла в результате биохимической эволюции (теория биохимической эволюции).
Но так как тема этой курсовой работы: «Естественно – научные модели происхождения жизни на земле», то в ней о теории креационизма мы говорить не будем.
В самом начале работы была поставлена цель: «изучить основные естественно – научные модели происхождения жизни на земле».
Для достижения этой цели предстоит выполнить следующие задачи:
1. Подобрать материал по данной теме;
2. Охарактеризовать состояние проблемы на сегодняшний день;
3. По каждой модели ответить на вопросы: Кем выдвинута? Когда выдвинута? В чем заключается? Какое отражение нашла в будущем, как восприняли современники? Какова степень вероятности ее действительного существования?
4. Выдвинуть предположение о более вероятной теории происхождения жизни на земле.
5. Разработать наглядное пособие по данной теме.
Основным методом работы будет являться работа с научной литературой (конспектирование).
I глава. Теория самозарождения.
Теория спонтанного зарождения жизни существовала в Вавилоне, Египте и Китае как альтернатива креационизму. Она восходит к Эмпедоклу и Аристотелю: определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при определенных условиях может создать живой организм. Аристотель считал, что активное начало есть в оплодотворенном яйце, солнечном свете, гниющем мясе. У Демокрита начало жизни было в иле, у Фалеса — в воде, у Анаксагора — в воздухе. Аристотель не сомневался в самозарождении лягушек, мышей и других мелких животных. Платон говорил о самозарождении живых существ из земли в процессе гниения. Различные случаи самозарождения описаны Цицероном, Плутархом, Сенекой и Апулеем.
С распространением христианства идеи самозарождения были объявлены еретическими, и долгое время о них не вспоминали. Но Гельмонт[2] придумал рецепт получения мышей из пшеницы и грязного белья. Бэкон считал, что гниение — зачаток нового рождения. Гарвей, как и Бэкон, думал, что черви и насекомые могут зарождаться при гниении. В XV—XVI вв. считали, что львы возникли из камней пустыни. Согласно Декарту, самозарождение — естественный процесс, который происходит при некоторых условиях. Идеи самозарождения жизни поддерживали Коперник, Галилей, Декарт, Гарвей, Гегель, Ламарк, Гете, Шеллинг. Их авторитет о многом определил широкое распространение этой идеи.
Итальянский биолог Ф. Реди серией опытов с открытыми и закрытыми сосудами доказал (1688), что появляющиеся в гниющем мясе белые маленькие черви — это личинки мух, и сформулировал принцип: все живое — из живого (концепция биогенеза). Так он отверг доктрину самозарождения жизни. [1]
С открытием микроскопа и изучением микроскопических живых существ гипотеза самопроизвольного зарождения приняла иную форму. В 1745 году Нидгеем первый высказал мысль, что в сенных настоях сами собой развиваются мелкие организмы, инфузории, которых создает особая находящаяся сила произрастания.[4]
Но только острые дискуссии в середине XIX в. потребовали экспериментальных исследований.
В 1860 году проблемой происхождения жизни занялся французский химик Луи Пастер[3]. Своими опытами он доказал, что бактерии могут появляться в органических растворах только тогда, когда они были туда занесены ранее. Учёный кипятил в воде различные среды, в которых могли бы образоваться микроорганизмы. При дополнительном кипячении микроорганизмы и их споры погибали. Пастер присоединил к S-образной трубке запаянную колбу со свободным концом. Споры микроорганизмов оседали на изогнутой трубке и не могли проникнуть в питательную среду. Хорошо прокипяченная питательная среда оставалась стерильной, в ней не обнаруживалось зарождения жизни, несмотря на то, что доступ воздуха был обеспечен.
В результате ряда экспериментов Пастер доказал справедливость теории биогенеза и окончательно опроверг теорию спонтанного зарождения.
Опыты Пастера подтвердили принцип Реди и показали несостоятельность идеи самозарождения жизни. Но они не могли ответить на основной вопрос о происхождении жизни. И для избавления от микроорганизмов необходима стерилизация, получившая название пастеризации. Отсюда представление, что новый организм может быть только от живого, укрепилось.[2]
Таким образом, модель происхождения жизни на земле: самозарождение не нашла убедительных доводов и не стала рациональной.
Вскоре после того как стали известны эти работы Пастера, начали развиваться гипотезы, утверждающей вечность жизни. К ним относятся гипотеза космических зачатков (космозеев) и гипотеза панспермии (всеобщих зачатков).
II глава. Панспермия.
Панспермия (греч. panspermía — смесь всяких семян, от παν (pan) — весь, всякий и σπερμα (sperma) — семя) — гипотеза о появлении жизни на Земле в результате переноса с других планет неких «зародышей жизни».
В
Либих[4] считал, что «атмосферы небесных тел, а также вращающихся космических туманностей можно считать как вековечные хранилища оживленной формы, как вечные плантации органических зародышей», откуда жизнь рассеивается во Вселенной. Аналогично мыслили Кельвин, Гельмгольц и др.
В начале XX в. (1907) с идеей радиопанспермии выступил Аррениус[5]. Он описывал, как с населенных планет уходят в мировое пространство частички вещества, пылинки и живые споры микроорганизмов. Они, сохраняя жизнеспособность, летают во Вселенной за счет светового давления и, попадая на планету с подходящими условиями, начинают новую жизнь. Эту гипотезу поддерживали многие, в том числе русские ученые С. П. Костычев, Л.С.Берг, В.И.Вернадский и П.П.Лазарев.[1]
Для обоснования панспермии обычно используют наскальные рисунки с изображением предметов, похожих на ракеты или космонавтов, или появления НЛО. Полеты космических аппаратов разрушили веру в существование разумной жизни на планетах Солнечной системы, появившуюся после открытия Скиапарелли каналов на Марсе (1877). В
В конце 60-х гг. вновь возрос интерес к гипотезам панспермии. Так, геолог Б.И.Чувашов («Вопросы философии», 1966) критиковал теорию Опарина, о которой впоследствии пойдет речь, считал сомнительным применение понятия естественного отбора к анализу развития предбиологических систем, хотя и допускал возможность чрезвычайно редкого развития неживой материи до уровня живой. Потому оно может произойти только однажды в каждой данной галактике и переноситься спорами с метеоритами по планетным системам звезд.[1]
При изучении вещества метеоритов и комет были обнаружены многие «предшественники живого» — органические соединения, синильная кислота, вода, формальдегид, цианогены. Формальдегид, в частности, обнаружен в 60 % случаев в 22 исследованных областях, его облака с концентрацией около 103 мол/см3 заполняют обширные пространства. Предшественники аминокислот найдены в лунном грунте и метеоритах (1975). Сторонники этой гипотезы считают их посеянными на Земле. В предисловии к русскому изданию книги С. Фокса и К.Дозе «Молекулярная эволюция и возникновение жизни» А. С. Опарин писал: «Земля уже при самом своем образовании получила эти вещества, так сказать, «в наследство от Космоса». О существовании жизни вне Солнечной системы пока сказать нельзя, но обнаружены в спектрах далекой галактики линии, соответствующие линии спирта».[1]
Теория панспермии не решает принципиального вопроса о возникновении жизни, она только отдаляет его в еще более туманное прошлое Вселенной, хотя и не может исключаться как гипотеза о начале жизни на Земле, а потому не является рациональной.
Следующая модель происхождения жизни - теория стационарного состояния жизни. О ней пойдет речь в следующей главе.
III глава. Теория стационарного состояния.
Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень незначительно. Согласно этой версии, виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности — либо изменение численности, либо вымирание.
Однако гипотеза стационарного состояния в корне противоречит данным современной астрономии, которые указывают на конечное время существования любых звёзд и, соответственно, планетных систем вокруг звёзд. По современным оценкам, основанным на учете скоростей радиоактивного распада, возраст Земли, Солнца и Солнечной системы исчисляется ~4,6 млрд лет. Поэтому эта гипотеза обычно не рассматривается академической наукой.[1]
Сторонники этой теории не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводит в качестве примера представителя кистеперых рыб — латимерию (целаканта). По палеонтологическим данным кистеперые вымерли в конце мелового периода. Однако это заключение пришлось пересмотреть, когда в районе Мадагаскара были найдены живые представители кистеперых. Сторонники теории стационарного состояния утверждают, что только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми останками, можно сделать вывод о вымирании, да и в этом случае весьма вероятно, что он окажется неверным. Используя палеонтологические данные для подтверждения теории стационарного состояния, ее сторонники интерпретируют появление ископаемых остатков в экологическом аспекте. Так, например, внезапное появление какого-либо ископаемого вида в определенном пласте они объясняют увеличением численности его популяции или его перемещением в места, благоприятные для сохранения остатков.[5]
В настоящее время теории стационарного состояния, как и теория самозарождения и представляют собой только исторический или философский интерес, так как результаты научных исследований противоречат выводам этих теорий.
Следующая теория происхождения жизни на земле - теория биохимической эволюции.
IV глава. Теория биохимической эволюции
В теорию биохимической эволюции входит ряд моделей происхождения жизни на земле:
- генобиоз и голобиоз
- белково-коацерватная теория Опарина
- теория мира РНК.
4.1 Генобиоз и голобиоз
В зависимости от того, что считается первичным, различают два методологических подхода к вопросу возникновения жизни:
Генобиоз - методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на убеждении в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода.
Голобиоз - методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на идее первичности структур, наделенных способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма.
Концепция «генобиоза» (информационная) появилась в 50-е гг. в связи с работами Холдейна. Он считал, что первичная среда — макромолекулярная система (типа гена), способная к саморепродукции, он назвал ее «голым геном». Пастер тоже рассматривал зарождение живого как возникновение дисимметричной молекулы из симметричной неживой. Американский ученый Г. Блюм (1951) обратил внимание на то, что на ранних этапах эволюции жизни и фотосинтез должен отличаться от современного. Г. Гаффон делил эволюцию энергетики организмов на пять этапов, связанных с последовательной эволюцией внешних условий, в частности, изменением состава солнечного излучения, достигающего земной поверхности (1962). Примитивный фотосинтез использовал ультрафиолетовое излучение, а по мере образования озонового слоя живое постепенно приспосабливалось к фотонам меньшей энергии, но в большем количестве. [2]
Концепция голобиоза, признающая первичность белков, не потеряла своего значения. Полипептиды обладают каталитическими свойствами.
4.2 Белково-коацерватная теория Опарина
Среди современных теорий происхождения жизни на Земле, наиболее обоснованной является теория академика А. И. Опарина.
В
Согласно этой теории процесс, приведший к возникновению жизни на Земле, может быть разделен на шесть этапов:
1. Возникновение органических веществ;
2. Возникновение белков;
3. Возникновение белковых тел
4. Постепенное формирование коацерватов
5. Длительный естественный отбор среди коацерватов, закончившийся появлением белка, наделённого основным качеством жизни - самостоятельным обменом вещества
6. происхождение рибосом и транспортных РНК, генетического кода и энергетического механизма клетки с использованием АТФ (рис. 1)
Рис. 1 Схема белково-коацерватной теории Опарина.
Астрономические исследования показывают, что как звезды, так и планетные системы возникли из газопылевого вещества. В некоторых случаях эта газопылевая материя объединяется в плотное вещество, которое можно видеть невооруженным глазом. Химические исследования находящегося в галактике газопылевого вещества показали, что в нем наряду с металлами и их окислами обнаружены: водород, аммиак, вода и простейший углеводород – метан.
Второй этап – возникновение белков. Условия для начала процесса формирования белковых структур создались с момента создания первичного океана. Прежде всего, в водной среде производные углеводородов могли подвергаться сложным химическим изменениям и превращениям. В результате такого усложнения молекул могли образоваться более сложные органические вещества, а именно углеводы.
Известно, что белковая молекула состоит из отдельных звеньев – аминокислот, которые соединены между собой при помощи полиптеидных связей. Показано, что в результате применения ультрафиолетовых лучей можно искусственно синтезировать не только аминокислоты, но и другие биохимические вещества.
Согласно теории Опарина, дальнейшим шагом по пути к возникновению белковых тел могло явиться образование коацерватных[6] капель, т. е. капель микроскопического размера, выпадающих при смешении двух белковых растворов. Отсюда возникла новая закономерность уже биологического характера – естественный отбор коацерватных капель. В процессе отбора оставались лишь те капли, которые при распаде на дочерние сохраняли особенности своей структуры, т.е. приобретали свойство самовоспроизведения — важнейшего признака жизни. [3]
По достижении этой стадии коацерватная капля превратилась в простейший живой организм. Коацерватные капли были местом встречи и взаимодействия до этого независимо возникавших простых белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и липидов. [1]
Под влиянием естественного отбора качество организации белкового вещества все время менялось. В результате возникла та согласованность процессов синтеза и распада, которая привела к возникновению первых живых организмов.
Строение первичных живых существ резко отличалось даже от строения самых примитивных ископаемых организмов. Они не имели обычных элементов клетки - ядра, оболочек, и т.п., питались органическими веществами, растворёнными в окружающей среде; жили в бескислородной среде и представляли собой анаэробные существа. Доклеточные организмы дали начало клеточным организмам. Дальнейший этап в развитии примитивных организмов был вызван, по А. И. Опарину, недостатком растворённых в воде питательных органических соединений при растущем количестве живых организмов. Недостаток пищи привёл к необходимости приспособления организмов к самостоятельному образованию органических веществ из углекислоты и воды. Позднее организмы выработали способность поглощать солнечную энергию и создавать органическое вещество за счёт углерода. Так возникли первые автотрофные организмы - простейшие растения. Возникновение фотосинтеза у организмов имело крупнейшее значение в развитии органического мира. Началось накопление и выделение свободного кислорода, что привело к смене анаэробных[7] форм аэробными. Смена условий вызвала и дальнейшую эволюцию органического мира - появление ветви первичных примитивных животных, остатки которых не сохранились даже в наиболее древних слоях земной коры».
Последние этапы возникновения жизни – происхождение рибосом и транспортных РНК, генетического кода и энергетического механизма клетки с использованием АТФ – еще не удалось воспроизвести в лаборатории. Все эти структуры и процессы имеются уже у самых примитивных микроорганизмов, и принцип их строения и функционирования не менялся за всю историю Земли. Поэтому заключительный этап происхождения жизни мы можем пока реконструировать только предположительно – до тех пор, пока его не удастся воссоздать в экспериментах. [3]
Подобные условия, существовавшие на Земле 3 — 4 млрд лет назад, в
В настоящее время излучение с длиной волны менее 2,9 •
Итак, солнечное излучение способно обеспечить ход мощных процессов синтеза, неорганического фотосинтеза, чтобы начали вдруг «выживать» более сложные молекулы вместо простых. Если химическая эволюция Земли заняла 4,5 млрд лет, то этап биохимической эволюции, который привел к формированию простейших организмов, — более 2 млрд лет. Теория Опарина получила признание, но оставалось неясным, как из простейших веществ вдруг образовалась молекула, способная размножаться. Так считал и известный американский генетик Г. Миллер: жизнь возникла в форме гена — элементарной единицы наследственности — путем случайного сочетания атомных групп и молекул, встречавшихся в водах первичного океана.
В
Пока можно лишь утверждать, что на возникновение жизни в земном варианте потребовалось относительно мало времени – менее одного млрд. лет. Уже 3,8 млрд. лет назад существовали первые микроорганизмы, от которых произошло все многообразие форм земной жизни.
Жизнь возникла на земле абиогенным путем. В настоящее время живое происходит только от живого (биогенное происхождение). Возможность повторного возникновения жизни на земле исключена.
4.3. Мир РНК как предшественник современной жизни
Мир РНК — гипотетическая стадия возникновения жизни на Земле, в которую функции как хранения генетической информации, так и катализа химических реакций выполняли ансамбли молекул РНК. Впоследствии из их ассоциаций возникла современная ДНК-РНК-белковая жизнь, обособленная мембраной от внешней среды.
Идея РНК мира была впервые высказана Карлом Вёзе в 1968 году, позже развита Л. Оргелем и окончательно сформулирована Уолтером Гильбертом в 1986 году. [7]
В живых организмах практически все процессы происходят в основном благодаря ферментам белковой природы. Белки, однако, не могут самореплицироваться и синтезируются в клетке de novo на основании информации, заложенной в ДНК. Но и удвоение ДНК происходит только благодаря участию белков и РНК. Образуется замкнутый круг, из-за которого, в рамках теории самозарождения жизни приходилось признать необходимость не только абиогенного синтеза обоих классов молекул, но и спонтанного возникновения сложной системы их взаимосвязи, вероятность чего крайне низка.
В начале 1980-х годов в лаборатории Т. Чека и С. Олтмана в США была открыта каталитическая способность РНК. По аналогии с энзимами[8] (ферментами) РНК-катализаторы были названы рибозимами[9], за их открытие была присуждена Нобелевская премия 1989. Более того, оказалось, что активный центр рибосом содержит большое количество РНК. Также РНК способны создавать двойную цепочку и самореплицироваться. [4]
Таким образом, РНК могли существовать полностью автономно, катализируя «метаболические» реакции, например, синтеза новых рибонуклеотидов и самовоспроизводясь, сохраняя из «поколения» в «поколение» каталитические свойства. Накопление случайных мутаций привело к появлению РНК, катализирующих синтез определённых белков, являющихся более эффективным катализатором, в связи с чем эти мутации закреплялись в ходе естественного отбора. С другой стороны возникли специализированные хранилища генетической информации — ДНК. РНК сохранилось между ними как посредник.
Реликты мира РНК остались в клеточных носителях энергии и в путях синтеза самих дезоксирибонуклеотидов: им всегда предшествуют рибонуклеотиды, для удвоения ДНК необходимы РНК-"затравки".
Заключение.
Вопрос о происхождении жизни является одним из наиболее трудных и, в тоже время, интересных вопросов в современном естествознании. Он труден потому, что, когда наука подходит к проблемам развития как создания нового, она оказывается у предела своих возможностей как отрасли культуры, основанной на доказательстве и экспериментальной проверке утверждений. Учёные сегодня не в состоянии воспроизвести процесс возникновения жизни с такой же точностью, как это было несколько миллиардов лет назад. Даже наиболее тщательно поставленный опыт будет лишь модельным экспериментом, лишённым ряда факторов, сопровождавших появление живого на Земле.
Изучив основные теории происхождения жизни на земле, можно сделать такой вывод.
Все теории можно разделить на теории абиогенеза - идеи о происхождении живого из неживого - исходная гипотеза современной теории происхождения жизни, и биогенеза – теории, утверждающие, что все живое произошло от живого. В настоящее время наиболее вероятны гипотезы второй группы, живое происходит только от живого (биогенное происхождение), возможность повторного возникновения жизни на Земле исключена.
Завершить работу хотелось бы словами Т. Николова: "И все же, как ни была бы сомнительна любая из теорий о развитии жизни на земле, каждая теория имеет право на существование, раз имеет сторонников. Но человечество не остановится на этом - оно будет искать единственно правильную теорию, даже если нужно будет разрушить то, что есть. Человечество поставило перед собой загадку, теперь появилась проблема на нее ответить".
Список использованных источников.
1. Т.Я.Дубнищева «Концепция современного естествознания» учебник., М.,
2. А.А.Горелов «Концепции современного естествознания». М. «Центр»
3. А.И.Опарин «Жизнь, её природа, происхождение и развитие» М.
4. С. Поннамперума «Происхождение жизни», М., «Мир»,
5. В.И Серпухов. «Курс общей геологии» Ленинград изд-во «Недра»
6. В.В. Кесарев Эволюция вещества во вселенной – М. Атомиздат 1976
7. Й. Клечек Вселенная и земля – М. Артия 1985
8. Т. Николов «Долгий путь жизни» Москва изд-во «Наука» 1986 год
[1] Эпигенетика - наследуемые изменения в фенотипе (внешнем виде) или в экспрессии генов, вызываемые другими механизмами, чем изменения последовательности ДНК (приставка эпи- означает в дополнении).
[2] Ян Баптиста ван Гельмонт (также именуемый: Ян Баптист ван Гельмонт, Жан Батист ван Гельмонт, Жан Баптист ван Гельмонт; 12 января 1580, Брюссель — 30 декабря 1644, Вильвард, Бельгия) — химик, физиолог, врач и теософ-мистик.
[3] Луи Пастер (27 декабря 1822, Доль, департамент Юра — 28 сентября 1895, Вильнёв-Л'Этан близ Парижа) — выдающийся французский микробиолог и химик.
[4] Ю́стус Ли́бих (12 мая 1803, Дармштадт — 18 апреля 1873, Мюнхен) — немецкий химик.
[5] Сванте Август Аррениус
(швед. Svante August Arrhenius; 19 февраля 1859, имение Вейк, недалеко от Упсалы — 2 октября 1927, Стокгольм) — выдающийся шведский физико-химик, лауреат нобелевской премии по химии (1903).
[6] Коацерваты — это комплексы коллоидных частиц. Они могут возникать, например, из комплексных солей кобальта, кремнекислого натрия и нашатырного спирта, в растворе ацетилцеллюлозы, в хлороформе или бензоле, при смешивании растворов различных белков. Такой раствор, как правило, разделяется на два слоя — слой, богатый коллоидными частицами, и жидкость, почти свободную от них. В некоторых случаях коацерваты образуются в виде отдельных капель, видимых под микроскопом. Для их образования необходимо присутствие в растворе нескольких (хотя бы двух) разноименно заряженных высокомолекулярных веществ.
[7] Анаэро́бные формы организмов — формы, при которых организмы не требуют для своего развития наличия в среде молекулярного кислорода.
[8] Энзи́мы или ферме́нты (от лат. fermentum, греч. ζύμη, ἔνζυμον — дрожжи, закваска) — обычно белковые молекулы или молекулы РНК или их комплексы, ускоряющие (катализирующие) химические реакции в живых системах.
[9] Рибозим (сокращение от «рибонуклеиновая кислота» и «энзим»), также называемая ферментативной РНК или каталитической РНК — это молекула РНК, обладающая каталитическим действием.
