Охарактеризуйте основные положения гипотезы происхождения живого опарина. Происхождение жизни. Теория Опарина - Холдейна. В чем основной принцип научного метода

Наиболее полно разработанной, аргументированной и имеющей широкое признание следует признать гипотезу происхождения жизни путем биохимической эволюции, или «гипотеза Опарина-Холдейна ».

А. И. Опарин, русский биохимик, академик, еще в 1924 г. опубликовал свою первую книгу по данной проблеме. Дж. Холдейн, английский генетик и биохимик, с 1929 г. развивал идеи, созвучные представлениям А. И. Опарина.

Она постулирует, что жизнь возникла на Земле именно из неживой материи, в условиях, имевших место на планете миллиарды лет назад. Эти условия включали наличие источников энергии, определенного температурного режима, воды и других неорганических веществ - предшественников органических соединений. Атмосфера тогда была бескислородной (источником кислорода в настоящее время являются растения, а тогда их не было).

В рамках данной теории можно выделить пять основных этапов на пути к возникновению жизни, которые приведены в табл. 1.

Таблица 1

Этапы развития жизни на Земле по гипотезе Опарина-Холдейна

Идеи о формировании и составе первичной атмосферы Земли базируются на объективных данных разных наук, на изучении газовых оболочек других планет Солнечной системы. Весьма убедительные доказательства возможности осуществления 2-го и 3-го этапов развития жизни получены в результате многочисленных экспериментов по искусственному синтезу биологических мономеров. Так, впервые в 1953 г. С. Миллер (США) создал достаточно простую установку, на которой ему удалось из смеси газов и паров воды под действием ультрафиолетового облучения и электрических разрядов синтезировать ряд аминокислот и других органических соединений (рис. 1).

Рис. 1. Установка Стэнли Миллера, в которой он синтезировал аминокислоты из газов, создав условия, предположительно существовавшие в атмосфере первобытной Земли. Газы и водяные пары, циркулировавшие в установке под высоким давлением, подвергали в течение недели воздействию высокого напряжения. После этого вещества, собранные в «ловушке», исследовали методом хроматографии на бумаге. В общей сложности было выделено 15 аминокислот, в том числе глицин, аланин и аспарагиновая кислота

В опыте С. Миллера в его установке были воспроизведены условия, существовавшие на Земле в предполагаемое время. В приборе присутствовала смесь газов: водорода, аммиака, метана и пары воды. В одну из камер были введены электроды для получения разрядов, имитировавших молнии, как возможный источник энергии для химических реакций. В другой камере была налита вода, и эта камера подогревалась (для насыщения газовой смеси парами воды). Еще одна камера подвергалась охлаждению, и здесь вода конденсировалась («дождевые осадки»). Уже через неделю в конденсате и были обнаружены различные органические вещества.

В последующие десятилетия во многих лабораториях мира был осуществлен искусственный синтез разных аминокислот, нуклеотидов, простых сахаров, а затем и более сложных органических соединений. Все это подтверждает возможность образования органических веществ на Земле в отдаленные времена без участия живых организмов. При отсутствии свободного кислорода (который разрушал бы их) и живых организмов (которые могли бы использовать их в виде пищи) эти вещества накапливались в первичном океане в высоких концентрациях.

На следующем этапе происходило образование более сложных соединений - белковоподобных веществ (цепочки из аминокислот) и коротких полинуклеотидных молекул. Вероятность этого многократно подтверждена: сегодня подобное получают экспериментально. При достижении определенной концентрации органических веществ в первичном океане могли возникать сложные агрегаты разнообразных соединений - коацерваты , мелкие шаровидные образования.

Изучение искусственно создаваемых коацерватов (очень широко исследованных А. И. Опариным и его сотрудниками) показало, что они проявляют некоторые свойства живых систем. Имея уплотненный наружный слой, некое подобие клеточной мембраны, коацерваты способны избирательно поглощать разные вещества из окружающей среды, которые участвуют в химических реакциях внутри коацерватных капель, а часть продуктов этих реакций выделяется обратно в среду. Накапливая вещества, коацерваты «растут» и, увеличившись в размерах, могут распадаться на несколько частей - «размножаться».

Коацерваты, различные по своему составу, характеризуются разной степенью устойчивости. Более устойчивые сохраняются, прочие исчезают, разрушаются.

Эти наблюдения дали основание А. И. Опарину предположить возможность действия естественного отбора (см. ниже) уже на этой стадии становления живого.

Тем не менее коацерваты при всей сложности их организации не могут считаться живыми существами прежде всего потому, что у них нет стабильного самовоспроизведения.

На следующем этапе в коацерватах образовались взаимосвязи нуклеиновых кислот и белков. Синтез белков определенного состава стал осуществляться на основе информации, заключенной в нуклеиновых кислотах.

Возникает способность нуклеиновых кислот к самовоспроизведению при участии специфических белков - ферментов. То есть можно говорить уже о появлении протобионтов - первичных форм жизни, не имеющих еще клеточной организации, но способных к самовоспроизведению и обмену веществ.

Дальнейшее развитие протобионтов, усложнение их организации привели к появлению организмов, обладающих клеточным строением, - первичных прокариот , бактерий. С этого момента начинается биологическая эволюция. По-видимому, первоначально существовали гетеротрофные организмы (поскольку в первичном океане содержалось много различных органических веществ). По мере увеличения их числа происходило уменьшение пищевых ресурсов и между ними возрастала конкуренция. Это привело к появлению автотрофов - организмов, синтезирующих необходимые им органические вещества из неорганических.

Вначале появились организмы, которые использовали энергию, полученную в результате окисления минеральных веществ. Этот процесс известен как хемосинтез , а организмы получили название хемосинтетиков . Затем, в ходе последующих эволюционных преобразований, возникли автотрофные организмы, использующие энергию солнечного света, - это фотосинтезирующие организмы (фотосинтетики ). Дальнейшая биологическая эволюция обусловила формирование того многообразного мира живой природы, который мы и видим сегодня.

Разнообразие видов как результат биологической эволю ции. Эволюционное учение (теория эволюции) - биологическая дисциплина, исследующая причины и движущие силы, закономерности и механизмы развития живых организмов.

Под биологической эволюцией понимают необратимый и закономерный процесс исторического развития живого от простого к более сложному начиная с момента возникновения первых живых организмов на Земле.

В ходе эволюции одни виды сменялись другими, происходило усложнение и повышение организации живых организмов, увеличивалось их разнообразие, появился человек.

Велико мировоззренческое значение эволюционного учения: оно утверждает идею единства происхождения всего живого, объясняет причины многообразия видов, обитающих на Земле, целесообразность организации живых существ (т. е. соответствие строения и функционирования всех их систем и органов условиям существования), одновременное наличие в природе и простых, и высокоорганизованных организмов.

Эволюционное учение служит теоретической основой современной биологии, объединяя, обобщая результаты, полученные многочисленными частными биологическими науками.

Очевидно его значение и для человека при решении проблем взаимодействия с биосферой.

Наконец, знание законов и механизмов эволюции - база для развития селекции - науки, разрабатывающей методы создания и улучшения сортов культурных растений и пород домашних животных.

История развития представлений о естественном происхождении жизни и эволюции организмов может быть подразделена на три этапа: додарвиновский, дарвиновский и последарвиновский (современный).

«Проблема происхождения и сущности жизни» - Современное понимание сущности живого. Справедливость теории биогенеза. Концепция панспермии. Вирус обладает очень сложной внутренней структурой. Основная заслуга Опарина. Новая форма стабильности. Сущность жизни и проблема происхождения жизни. Субстратный подход к определению жизни. Концепции происхождения жизни. Живое отличается от неживого клеточными строением. Вирусы. Симпозиумы по проблеме происхождения жизни.

«Теории зарождения жизни» - Белково-коацерватная теория Опарина. Доказательства. Панспермия. Теории происхождения вселенной и возникновение жизни. Мир РНК как предшественник современной жизни. Теории возникновения жизни. Идея возникновения мира. Самозарождение жизни. Теория стационарного состояния. Теории происхождения вселенной. Креационизм. Дата возникновения вселенной. Биохимическая эволюция.

«Гипотезы возникновения жизни на Земле» - Гипотезы самозарождения жизни. Космическое зарождение жизни. Сущность абиогенеза. Луи Пастер. Гипотеза креационизма находится вне поля научных изысканий. Самопроизвольное зарождение жизни. Франческо Реди. Опыт Франческо Реди. 2 взаимоисключающие точки зрения. Стационарное состояние жизни. Биохимическая гипотеза. Гипотезы возникновения жизни на Земле. Живое может зародиться из неживого. Гипотеза панспермии.

«Древнейшие организмы на Земле» - Современные представители. Строение тела трилобитов. Космическая теория. В каком периоде мы с вами живем. Рождение жизни. Понятие о геохронологической таблице. Оборудование. Тип Брахиоподы. Создал собственную теорию. Гребенчатый замок. Геохронологическая таблица. Кораллы. Древнейшие организмы. Перечень временных подразделений. Формирование представлений об условиях зарождения жизни. Черты сходства.

«Как возникла жизнь на Земле» - Теории происхождения жизни. Панспермия. Теория биохимической эволюции. Естественное происхождение жизни. Креационизм. Жизнь на Земле. Концепция биогенеза. Изменение атмосферы Земли. Л.Спалланцани. Ван Гельмонт. Теория стационарного состояния. Теория А.И. Опарина. Витализм. Л.Пастер. Опыт С. Миллера. Атмосфера Земли. Микроорганизмы. Самопроизвольное зарождение жизни. Ф.Реди. Возникновение жизни на Земле.

«История возникновения жизни на Земле» - Материалы. Возникновение жизни на Земле. Гипотеза самозарождения. Гипотеза биохимической эволюции. Гипотеза панспермии. Наука. Гипотеза креационизма. Возникновение жизни. Гипотезы самозарождения и станционарного состояния. Гипотеза стационарного состояния. Ученые.

Вопрос 1. Перечислите основные положения гипотезы А. И. Опарина.

В современных условиях возникнове­ние живых существ из неживой природы невозможно. Абиогенное (т. е. без участия живых организмов) возникновение живой материи возможно было только в услови­ях древней атмосферы и отсутствия жи­вых
организмов. В состав древней атмо­сферы входили метан, аммиак, углекис­лый газ, водород, пары воды и другие неорганические соединения. Под действи­ем мощных электрических разрядов, ультрафиолетового излучения и высокой радиации из этих веществ могли возни­кать органические соединения, которые накапливались в океане, образуя «пер­вичный бульон».
В «первичном бульоне» из биополи­меров образовывались многомолекуляр­ные комплексы — коацерваты. В коацерватные капли из внешней среды попадали ионы металлов, выступавшие в качестве первых катализаторов. Из огромного количества химических соединений, при­сутствовавших в «первичном бульоне», отбирались наиболее эффективные в ката­литическом отношении комбинации мо­лекул, что в конечном счете привело к появлению ферментов. На границе между коацерватами и внешней средой выстра­ивались молекулы липидов, что приводи­ло к образованию примитивной клеточ­ной мембраны.

На определенном этапе белковые пробионты включили в себя нуклеиновые кислоты, создав единые комплексы, что привело к возникновению таких свойств живого, как самовоспроизведение, сохра­нение наследственной информации и ее передача последующим поколениям.
Пробионты, у которых обмен веществ сочетался со способностью к самовос­произведению, можно уже рассматривать как примитивные проклетки, дальнейшее развитие которых происходило по зако­нам эволюции живой материи.

Вопрос 2. Какие экспериментальные доказа­тельства можно привести в пользу данной гипо­тезы?

В 1953 г. эта гипотеза А. И. Опарина была экспериментально подтверждена опытами американского ученого С. Мил­лера. В созданной им установке были смоделированы условия, предположительно существовавшие в первичной атмосфере Земли. В результате опытов были получе­ны аминокислоты. Сходные опыты много­кратно повторялись в различных лабора­ториях и позволили доказать принципи­альную возможность синтеза в таких условиях практически всех мономеров основных биополимеров. В дальнейшем было установлено, что при определенных условиях из мономеров возможен синтез более сложных органических биополиме­ров: полипептидов, полинуклеотидов, по­лисахаридов и липидов.

Вопрос 3. В чем отличия гипотезы А. И. Опа­рина от гипотезы Дж. Холдейна?

Дж. Холдейн также выдвинул гипотезу абиогенного зарождения жизни, но, в от­личие от А. И. Опарина, он отдавал пер­венство не белкам — коацерватным систе­мам, способным к обмену веществ, а нук­леиновым кислотам, т. е. макромолекулярным системам, способным к самовоспроизводству.

Вопрос 4. Какие доводы приводят оппоненты, критикуя гипотезу А. И. Опарина?

К сожалению, в рамках гипотезы

А. И. Опарина (да и Дж. Холдейна тоже) не удается объяснить главную проблему: как произошел качественный скачок от неживого к живому.

Существуют разные точки зрения на проблему возникновения жизни на Земле. Например по мнению Вернадского - она появилась одновременно с образованием Земли. Рихтер считал, что жизнь занесена из космоса (концепция панспермии). В настоящее время, широкое признание получила гипотеза, сформулированная советским ученым акад. А. И. Опариным и английским ученым Дж. Холдейном. Она исходит из предположения о постепенном возникновении жизни на Земле из неоргани­ческих веществ путем длительной абиогенной (небиологической) молекулярной эволюции. Взгляды этих ученых представляют собой обобщение доказательств возникновения жизни на Земле в результате закономерного процесса перехода химической формы движения материи в биологическую(Образование простых органич. соединений.) Для обоснования этого они рассматривают условия, существовавшие на планете несколько миллиардов лет назад:На начальных этапах своей истории Земля представляла раскаленную планету. Вследствие вращения при постепенном сниже­нии t атомы тяжелых элементов перемещались к центру, а на поверхности концентрировались атомы легких элемен­тов (водорода, углерода, кислорода, азота).При дальнейшем охлаждении планеты появились химические соединения: метан, углекислый газ, аммиак, циа­нистый водород, кислород, азот и д.р. Физич. и химич. св-ва воды и углерода позволили именно им выделится и оказатся у колы­бели жизни. На этих начальных этапах сложилась и первичная атмосфера, которая носила восстанови­тельный характер, после на ее месте образовалась вторая атмосфера, состоящая из наиболее химически активных газов. Дальнейшее снижение температуры обусловило переход ряда га­зообразных соединений в жидкое и твердое состояние, т.е. обра­зование земной коры. В результате активной вулканической деятельности из внутренних слоев Земли на поверхность выносилось много раскаленной массы, содержащей углерод. Она попадала в океан и образовывала углеводородные соедине­ния. Так на поверхности накапливались простейшие органические соеди­нения и в конечном итоге под действием синтеза, энергии Солнца они образовали первичный бульон в котором и смогла возникнуть жизнь.

Происхождение жизни. Теория панспермии. Теория вечности жизни.

Существуют несколько гипотез, поразному объясняющих появление жизни на Земле: 1.Креационизм – божественное сотворение живого;2. концепция многократного спонтанного зарождения жизни из неживого вещества (сторонником ее был Аристотель, который считал, что живое может возникать и в результате разложения почвы); 3. концепция происх-ния жизни в результате процессов, подчиняющихся физич. и хим. законам; 4. концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь сущ. вечно; 5. концепция панспермии – внеземного происхождения жизни. Особое место в естествознании отводится двум последним. Согласно гипотезе панспермии , жизнь занесена из космоса либо в виде спор микроорганизмов, либо путем намеренного «заселения» планеты разумными пришельцами из других миров. Прямых свидетельств в пользу этого нет. Да и сама теория панспермии не предлагает никакого механизма для объяснения первич. возникновения жизни и переносит проблему в другое место Вселенной. Либих считал, что атмосферы небесных тел, а также вращающихся космических туманностей можно рассматривать как вековечные хранилища оживленной формы, как вечные плантации органич. зародышей, откуда жизнь рассеивается в виде этих зародышей во Вселенной. В 1865 г. немецкий врач Г. Рихтер выдвинул гипотезу космозоев (космических зачатков), в соответст­вии с которой жизнь является вечной и зачатки, населяющие миро­вое пространство, могут переноситься с одной планеты на другую. Его гипотеза была поддержана многими выдающимися учеными. Подобным образом мыслили Кельвин, Гельмгольц и др. в начале нашего века с идеей радиопанспермии выступил Аррениус. Он описывал, как с населенных др. существами планет уходят в мировое пространство частички вещества, пылинки и живые споры микроорганизмов. Они сохраняют свою жизнеспособность, летая в пространстве Вселенной за счет светового давления. Попадая на планету с подходящими условиями для жизни, эти споры начинают на ней новую жизнь. Для обоснования панспермии обычно используют наскальные рисунки, напоминающие живые организмы, или появления НЛО. Сторонники же теории вечности жизни (де Шарден и др.) считают, что на всегда существующей Земле некоторые виды вынуждены были вымереть или резко изменить численность в тех или иных местах планеты из-за изменения внешних условий. Четкой концепции на этом пути не выработано, поскольку в палеонтологической летописи Земли есть некоторые разрывы и неясности. Согласно Шардену, в момент возникновения вселенной Бог слился с материей и дал ей вектор развития. Т.о. мы видим, что эта концепция тесно взаимодействует с креоционизмом.

Интерес к вопросу о том, как в далеком прошлом возникла жизнь, появился в основном после того, как в 1862 г. были опубликованы результаты знаменитых экспериментов Пастера , разрушивших всякую веру в возможность спонтанного зарождения жизни в наше время. Наряду с другими эта проблема «биопоэза» обсуждалась физиком-экспериментатором Тиндалем в 1874 г. . Сейчас мало знают об идеях Больцмана, который был не только физиком-теоретиком, но и горячим сторонником Дарвина относительно ранней истории живой материи. В 1886 г. он писал :

«Мы предполагаем, что развились комплексы атомов, которые были способны размножаться, образуя вокруг себя такие же комплексы. Из возникавших таким образом более крупных масс более жизнеспособными были те, которые смогли размножаться делением, затем те, которые обладали тенденцией двигаться в сторону более благоприятных жизненных условий. Этой тенденции сильно способствовала чувствительность к внешним воздействиям - химическому составу и движению окружающей среды, к свету и тени и т. д.».

В 1904 г. в споре с Оствальдом по поводу счастливой случайности (!) он писал: «Для нас в данном случае безразлично, где миллионы лет тому назад возникла первая протоплазма: зародилась ли она на Земле «случайно», в толще воды или в илистом дне первобытного океана, или же яйцеклетки, споры или другие подобные зародыши попали когда-то на Землю из космического пространства в виде пыли или внутри метеоритов. Более высокоразвитые особи вряд ли могли упасть с неба. Итак, сначала имелись только совсем простые организмы, простые клетки или комочки протоплазмы. Как известно, всем мелким тельцам свойственно постоянное, так называемое броуновское движение; вполне также можно себе представить их чисто механический рост и размножение посредством всасывания соответствующих составных частей из среды и последующего деления. Столь же легко понять, что внешняя среда влияла на их быстрые движения,

изменяя его. Те комочки, у которых это изменение приводило к тому, что они в среднем (преимущественно) двигались туда, где были более подходящие для всасывания вещества (лучшее питание), лучше росли, чаще делились и вскоре вытеснили всех остальных».

Но тогда было слишком мало физиологических и биохимических данных для успешной работы в этом направлении, и интерес к проблеме пропал. Обсуждение возобновилось только после публикации первых основополагающих работ Опарина и Холдейна . Оно расширилось после появления классического труда Опарина «Происхождение жизни» сначала на русском , а затем на английском языках .

В основе идей Опарина и Холдейна лежит дарвиновский подход к событиям на недавно возникшей Земле. Мы не можем здесь обсудить подробнее эти новые идеи, сейчас ставшие общепринятыми, и отсылаем читателя к соответствующим монографиям и статьям . Можно рекомендовать также популярную книгу Поннамперумы с прекрасными иллюстрациями .