Вопрос о происхождении жизни на земле. Происхождение жизни на Земле: гипотезы, теории, основные концепции. Теория панспермии и стационарного состояния

Гипотезы возникновения жизни на Земле

Проблема жизни и живого является объектом исследования многих естественных дисциплин, начиная с биологии и завершая философией, математикой, рассматривающих абстрактные модели феномена живого, а также физикой, определяющей жизнь с позиций физических закономерностей. Многовековые исследования и попытки решения этих вопросов породили различные гипотезы возникновения жизни.

В соответствии с двумя мировоззренческими позициями – материалистической и идеалистической - еще в древней философии сложились противоположные концепции происхождения жизни: креационизм и материалистическая теория происхождения органической природы из неорганической. Сторонники креационизма утверждают, что жизнь возникла в результате акта божественного творения, свидетельством чего является наличие в живых организмах особой силы, управляющей всеми биологическими процессами. Сторонники происхождения жизни из неживой природы утверждают, что органическая природа возникла благодаря действию естественных законов. Позднее эта концепция была конкретизирована в идее самозарождения жизни.

Итак, существуют следующие гипотезы происхождения жизни.

1. Креационизм . Согласно концепции креационизма, жизнь возникла в результате сверхъестественных, т. е. нарушающих законы физики, событий в прошлом. Концепции креационизма придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религий. Согласно традиционным иудейско-христианским представлениям о сотворении мира, изложенным в Книге Бытия, мир и все населяющие его организмы были созданы всемогущим Творцом за 6 дней продолжительностью 24 часа. Однако в настоящее время многие христиане не относятся к Библии как к научной книге и считают, что в ней в понятной для всех людей всех времен форме изложено теологическое откровение о сотворении богом всех живых существ.

Логически не может быть противоречия между научным и богословским объяснениями сотворения мира т.к. эти две сферы мышления взаимно исключают друг друга. Богословие познает истину через божественное откровение и веру и признает вещи, которым нет доказательств в научном смысле слова. Наука широко использует наблюдение и эксперимент, научная истина всегда содержит элемент гипотезы, в то время как для верующего теологическая истина абсолютна. Процесс божественного сотворения мира мыслится как имевший место единожды, поэтому он недоступен для наблюдения. Концепция божественного сотворения мира находится вне рамок научного исследования, поэтому наука, занимающаяся явлениями, поддающимися наблюдению, никогда не сможет ни доказать, ни опровергнуть эту концепцию.

В пользу неслучайного характера процесса зарождения и развития жизни говорит антропный принцип, сформулированный в 70-е годы нашего века. Его сущность заключается в том, что даже незначительные отклонения значения любой из фундаментальных констант приводит к невозможности появления во Вселенной высокоупорядоченных структур и, следовательно, жизни. Так, увеличение постоянной Планка на 10 % лишает протон возможности объединиться с нейтроном, т.е. делает невозможным первичный нуклеосинтез. Уменьшение постоянной Планка на 10 % привело бы к образованию устойчивого изотопа 2 Не, следствием чего явилось бы выгорание всего водорода на ранних этапах расширения Вселенной. Неслучайный характер значений фундаментальных констант может говорить о наличии “творческого замысла” с самого начала образования Вселенной, что подразумевает наличие Творца – автора этого замысла.

2. Гипотеза спонтанного зарождения жизни . Согласно Аристотелю, определенные “частицы“ вещества содержат некое “активное начало“, которое при подходящих условиях может создать живой организм.

Гипотеза спонтанного зарождения жизни была широко распространена в Древнем Китае, Вавилоне и Египте в качестве альтернативы креационизму. Вслед за Эмпедоклом, одним из первых высказавшим идею органической эволюции, концепции спонтанного зарождения жизни придерживался Аристотель, связывавший все организмы в единую “лестницу природы“. Согласно Аристотелю, определенные “частицы“ вещества содержат некое “активное начало“, которое при подходящих условиях может создать живой организм. Это начало, по мнению Аристотеля, присутствует в оплодотворенном яйце, в солнечном свете, тине и гниющем мясе. В 1688 г. итальянский врач Франческо Реди подверг сомнению теорию самозарождения жизни и провел ряд экспериментов, в которых показал, что жизнь может возникать только из предшествующей жизни (концепция биогенеза). Окончательно опроверг теорию спонтанного зарождения жизни и доказал справедливость теории биогенеза Луи Пастер (1860 г.). Опыты Л. Пастера продемонстрировали, что микроорганизмы появляются в органических растворах в силу того, что туда ранее были занесены их зародыши. Если сосуд с питательной средой оградить от занесения в него микробов, то никакого самозарождения жизни не происходит.

Концепция самозарождения, несмотря на ошибочность, сыграла позитивную роль; опыты, призванные ее подтвердить, представили богатый эмпирический материал для развивающейся биологической науки. Окончательный отказ от идеи самозарождения произошел только в XIX в.

Подтверждение теории биогенеза породило проблему первого живого организма, из которого возникли все остальные. Во всех теориях (кроме теории стационарного состояния) подразумевается, что на какой-то стадии истории жизни произошел переход от неживого к живому. Как же это произошло?

3. Гипотеза стационарного состояния . Согласно этой гипотезе, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; Земля всегда была способна поддерживать жизнь. Виды существовали всегда, у каждого вида есть только две возможности: изменение численности или вымирание.

4. Гипотеза панспермии утверждает, что жизнь могла возникнуть один или несколько раз в разное время и в разных местах Вселенной. Эта гипотеза возникла в 60-е годы XIX века и связана с именем немецкого ученого Г. Рихтера. Позднее концепцию панспермии разделяли такие крупные ученые, как С. Аррениус, Г. Гельмгольц, В.И. Вернадский. Для обоснования этой теории используются наблюдения за НЛО, наскальные изображения древних, похожих на ракеты и инопланетян и т.д. Советские и американские космические исследования позволяют считать вероятность обнаружения внеземной жизни в пределах Солнечной системы ничтожной, однако не дают оснований для подтверждения или опровержения существования жизни за ее пределами. При изучении материала метеоритов и комет в них были обнаружены многие “предшественники живого” (цианогены, синильная кислота и др.), которые могли бы сыграть роль ”семян” жизни. Как бы то ни было, теория панспермии не является теорией возникновения жизни как таковой; она просто переносит проблему возникновения жизни в другое место Вселенной.

В начале XX в. идею космического происхождения биологических систем на Земле и вечности существования жизни в космосе развивал русский ученый академик В.И. Вернадский.

5. Гипотеза вечного существования жизни . Она была выдвинута в XIX в. Было высказано предположение, что жизнь существует в космосе и переносится с одной планеты на другую.

6. Гипотеза биохимической эволюции . Возраст Земли оценивается в 4,5–5 млрд лет. В далеком прошлом температура на поверхности нашей планеты составляла 4000-8000 градусов по Цельсию. По мере остывания углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались, образуя земную кору; в результате вулканической деятельности, непрерывных подвижек коры и сжатия, вызванного охлаждением, происходило образование складок и разрывов. Атмосфера Земли в давние времена была, очевидно, восстановительной (в самых древних породах Земли имеются металлы в восстановительной форме, например двухвалентное железо, более молодые породы содержат металлы в окисленной форме, например трехвалентное железо). Кислород в атмосфере практически отсутствовал. Появление жизни тесно связано с возникновением земных океанов, что произошло около 3,8 млрд лет назад. Палеонтологические данные свидетельствуют о том, что температура воды в них была не слишком низкой, но и не превышала 58 °С. Следы древнейших организмов обнаружены в пластах, возраст которых оценивается в 3,2-3,5 млрд лет.

Гипотеза биохимической эволюции была изложена академиком А.И. Опариным (1894-1980 гг.) в книге «Происхождение жизни», опубликованной в 1924 г. Он выступил с утверждением, что принцип Реди, вводящий монополию биотического синтеза органических веществ, справедлив лишь для современной эпохи существования нашей планеты. В начале же своего существования, когда Земля была безжизненной, на ней происходили абиотические синтезы углеродистых соединений и их последующая предбиологическая эволюция.

Суть гипотезы Опарина заключается в следующем: зарождение жизни на Земле – длительный эволюционный процесс становления живой материи в недрах неживой. Произошло это путем химической эволюции, в результате которой простейшие органические вещества образовались из неорганических под влиянием сильнодействующих физико-химических факторов.

Появление жизни А.И. Опарин рассматривал как единый естественный процесс, который состоял из протекавшей в условиях ранней Земли первоначальной химической эволюции, перешедшей постепенно на качественно новый уровень – биохимическую эволюцию. Рассматривая проблему возникновения жизни путем биохимической эволюции, Опарин выделяет три этапа перехода от неживой материи к живой.

Первый этап – химическая эволюция . Когда Земля была еще безжизненной (около 4 млрд лет назад), на ней происходили абиотический синтез углеродистых соединений и их последующаяпредбиологическая эволюция. Для этого периода эволюции Земли были характерны многочисленные вулканические извержения с выбросом огромного количества раскаленной лавы. По мере остывания планеты водяные пары, находившиеся в атмосфере, конденсировались и обрушивались на Землю ливнями, образуя огромные водные пространства (первичный океан). Эти процессы продолжались многие миллионы лет. В водах первичного океана были растворены различные неорганические соли. Кроме того, в океан попадали и различные органические соединения, непрерывно образующиеся в атмосфере под действием ультрафиолетового излучения, высокой температуры и активной вулканической деятельности. Концентрация органических соединений постоянно увеличивалась, и, в конце концов, воды океана стали «бульоном » из белковоподобных веществ – пептидов.

Рисунок 26 – Схема возникновения жизни по Опарину

Второй этап – появление белковых веществ . По мере смягчения условий на Земле, под воздействием на химические смеси первичного океана электрических разрядов, тепловой энергии и ультрафиолетовых лучей стало возможным образование сложных органических соединений – биополимеров и нуклеотидов, которые, постепенно объединяясь и усложняясь, превращались в протобионтов (доклеточных предков живых организмов). Итогом эволюции сложных органических веществ стало появление коацерватов, или коацерватных капель. Коацерваты – комплексы коллоидных частиц, раствор которых разделяется на два слоя: слой, богатый коллоидными частицами, и жидкость, почти свободную от них. Коацерваты обладали способностью поглощать различные вещества, растворенные в водах первичного океана. В результате внутреннее строение коацерватов менялось в сторону повышения их устойчивости в постоянно меняющихся условиях. Теория биохимической эволюции рассматривает коацерваты как предбиологические системы, представляющие собой группы молекул, окруженные водной оболочкой. Так, например, коацерваты способны поглощать вещества из окружающей среды, вступать во взаимодействие друг с другом, увеличиваться в размерах и т.д. Однако в отличие от живых существ коацерватные капли не способны к самовоспроизводству и саморегулированию, поэтому их нельзя отнести к биологическим системам.

Третий этап – формирование способности к самовоспроизводству, появление живой клетки . В этот период начал действовать естественный отбор, т.е. в массе коацерватных капель происходил отбор коацерватов, наиболее устойчивых к данным условиям среды. Процесс отбора шел в течение многих миллионов лет. Сохранившиеся коацерватные капли уже обладали способностью к первичному метаболизму – главному свойству жизни. Вместе с тем, достигнув определенных размеров, материнская капля распадалась на дочерние, сохраняющие особенности материнской структуры. Таким образом, можно говорить о приобретении коацерватами свойства самовоспроизводства – одного из важнейших признаков жизни. По сути дела, на этой стадии коацерваты превратились в простейшие живые организмы. Дальнейшая эволюция этих предбиологических структур была возможна только при усложнении обменных процессов внутри коацервата.

Внутренняя среда коацервата нуждалась в защите от воздействий окружающей среды. Поэтому вокруг коацерватов, богатых органическими соединениями, возникли слои липидов, отделившие коацерват от окружающей его водной среды. В процессе эволюции липиды трансформировались в наружную мембрану, что значительно повысило жизнеспособность и устойчивость организмов. Появление мембраны предопределило направление дальнейшей биологической эволюции по пути все более совершенной авторегуляции, завершившейся образованием первичной клетки – археклетки. Клетка – элементарная биологическая единица, структурно-функциональная основа всего живого. Клетки осуществляют самостоятельный обмен веществ, способны к делению и саморегулированию, т.е. обладают всеми свойствами живого. Образование новых клеток из неклеточного материала невозможно, размножение клеток происходит только благодаря делению. Органическое развитие рассматривается как универсальный процесс клеткообразования.

В структуре клетки выделяют: мембрану, отграничивающую содержимое клетки от внешней среды; цитоплазму, представляющую собой соляной раствор с растворимыми и взвешенными ферментами и молекулами РНК; ядро, содержащее хромосомы, состоящие из молекул ДНК и присоединенных к ним белков.

Следовательно, началом жизни следует считать возникновение стабильной самовоспроизводящейся органической системы (клетки) с постоянной последовательностью нуклеотидов. Только после возникновения таких систем можно говорить о начале биологической эволюции.

Переход от неживого к живому осуществился после того, как на базе предшественников возникли и развились зачатки двух основополагающих жизненных систем: системы обмена веществ и системы воспроизводства материальных основ живой клетки.

Вероятность того, что белковая молекула, состоящая из 100 аминокислот 20 видов, будет случайным образом сформирована по определенному образцу равна 1/20 100 ≈1/10 130 . Живая клетка – комплекс взаимодействующих белков, липидов и нуклеотидов, образующих генетический код. В простейшей клетке содержится более 2000 ферментов. Вероятность случайного образования таких сложных структур мала.

Возможность абиогенного синтеза биополимеров была экспериментально доказана в середине XX в. В 1953 г. американский ученый С. Миллер смоделировал первичную атмосферу Земли и синтезировал уксусную и муравьиную кислоты, мочевину и аминокислоты путем пропускания электрических зарядов через смесь газов (вода, углекислый газ, водород, азот, метан). Таким образом, было продемонстрировано, как под действием абиогенных факторов возможен синтез сложных органических соединений.

Несмотря на теоретическую и экспериментальную обоснованность, концепция Опарина имеет как сильные, так и слабые стороны. Сильной стороной концепции является достаточно точное экспериментальное обоснование химической эволюции, согласно которой зарождение жизни является закономерным результатом предбиологической эволюции материи. Убедительным аргументом в пользу этой концепции является также возможность экспериментальной проверки ее основных положений. Слабой стороной концепции является невозможность объяснения самого момента скачка от сложных органических соединений к живым организмам.

Одну из версий перехода от предбиологической к биологической эволюции предлагает немецкий ученыйМ. Эйген. Согласно его гипотезе возникновение жизни объясняется взаимодействием нуклеиновых кислот и протеинов. Нуклеиновые кислоты являются носителями генетической информации, а протеины служат катализаторами химических реакций. Нуклеиновые кислоты воспроизводят себя и передают информацию протеинам. Возникает замкнутая цепь – гиперцикл, в котором процессы химических реакций самоускоряются за счет присутствия катализаторов. В гиперциклах продукт реакции одновременно выступает и катализатором, и исходным реагентом. Такие реакции называются автокаталитическими.

Другой теорией, в рамках которой можно объяснить переход от предбиологической эволюции к биологической, является синергетика . Закономерности, открытые синергетикой, позволяют прояснить механизм возникновения органической материи из неорганической в терминах самоорганизации через спонтанное возникновение новых структур в ходе взаимодействия открытой системы с окружающей средой.

Вопрос КСЕ 42

Гипотезы происхождения жизни на земле

1.Креационизм

2.Самопроизвольное (спонтанное) зарождение

3.Гипотеза панспермии

4.Гипотеза биохимической эволюции

5. Стационарное состояние

1. Креационизм . Согласно этой концепции, жизнь и все населяющие Землю виды живых существ являются результатом творческого акта высшего существа в какое-то определенное время. Основные положения креационизма изложены в Библии, в Книге Бытия. Процесс божественного сотворения мира мыслится как имевший место лишь единожды и поэтому недоступный для наблюдения. Этого достаточно, чтобы вынести всю концепцию божественного сотворения за рамки научного исследования. Наука занимается только теми явлениями, которые поддаются наблюдению, а поэтому она никогда не будет в состоянии ни доказать, ни отвергнуть эту концепцию.

2. Самопроизвольное (спонтанное) зарождение . Идеи происхождения живых существ из неживой матёрии были распространены в Древнем Китае, Вавилоне, Египте. Крупнейший философ Древней Греции Аристотель высказал мысль о том, что определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм.

Ван Гельмонт (1579-1644), голландский врач и натурфилософ, описал эксперимент, в котором он за три недели якобы создал мышей. Для этого нужны были грязная рубашка, темный шкаф и горсть пшеницы. Активным началом в процессе зарождения мыши Ван Гельмонт считал человеческий пот. И вплоть до появления в середине Х века работ основоположника микробиологии Луи Пастера это учение продолжало находить приверженцев.

Развитие идеи самозарождения относится, по существу, к той эпохе, когда в общественном сознании господствовали религиозные представления. Те философы и натуралисты, которые не хотели принимать церковного учения о «сотворении жизни», при тогдашнем уровне знаний легко приходили к идее ее самозарождения. В той мере, в какой, в противовес вере в сотворение, подчеркивалась мысль о естественном возникновении организмов, идея самозарождения имела на определенном этапе прогрессивное значение. Поэтому против этой идеи часто выступали Церковь и теологи.

3. Гипотеза панспермии. Согласно этой гипотезе, предложенной в 1865г. немецким ученым Г. Рихтером и окончательно сформулированной шведским ученым Аррёниусом в 1895 г., жизнь могла быть занесена на Землю из космоса. Наиболее вероятно попадание живых организмов внеземного происхождения с мётеоритами и космической пылью. Это предположение основывается на данных о высокой устойчивости некоторых организмов и их спор к радиации, глубокому вакууму, низким температурам и другим воздействиям. Однако до сих пор нет достоверных фактов, подтверждающих внеземное происхождение микроорганизмов, найденных в метеоритах. Но если бы даже они попали на Землю и дали начало жизни на нашей планете, вопрос об изначальном возникновении жизни оставался бы без ответа.

4. Гипотеза биохимической эволюции . В 1924 г. биохимиком А. И. Опариным, а позднее английским ученым Дж. Холдейном (1929) была сформулировала гипотеза, рассматривающая жизнь как результат длительной эволюции углеродных соединений.

В настоящее время в процессе становления жизни условно выделяют четыре этапа:

1. Синтез низкомолекулярных органических соединении (биологических мономеров) из газов первичной атмосферы.

2. Образование биологических полимеров.

3. Формирование фазообособленных систем органических веществ, отделенных от внешней среды мембранами (протобионтов).

4. Возникновение простейших клеток, обладающих свойствами живого, в том числе репродуктивным аппаратом, обеспечивающим передачу дочерним клеткам свойств клеток родительских.

«ПЕРВИЧНЫЙ БУЛЬОН» (не обязательно)

В 1923 г. российский учёный Александр Иванович Опарин предположил, что в условиях первобытной Земли органические вещества возникали из простейших соединений - аммиака, метана, водорода и воды. Энергия, необходимая для подобных превращений, могла быть получена или от ультрафиолетового излучения, или от частых грозовых электрических разрядов - молний. Возможно, эти органические вещества постепенно накапливались в Древнем океане, образуя первичный бульон, в котором и зародилась жизнь.

По гипотезе А. И. Опарина, в первичном бульоне длинные нитеобразные молекулы белков могли сворачиваться в шарики, «склеиваться» друг с другом, укрупняясь. Благодаря этому они становились устойчивыми к разрушающему действию прибоя и ультрафиолетового излучения. Происходило нечто подобное тому, что можно наблюдать, вылив на блюдце ртуть из разбитого градусника: рассыпавшаяся на множество мелких капелек ртуть постепенно собирается в капли чуть побольше, а потом - в один крупный шарик. Белковые «шарики» в «первичном бульоне» притягивали к себе, связывали молекулы воды, а также жиров. Жиры оседали на поверхности белковых тел, обволакивая их слоем, структура которого отдалённо напоминала клеточную мембрану. Этот процесс Опарин назвал коацервацией (от лат. соасеrvus - «сгусток»), а получившиеся тела - коацерватными каплями, или просто коацерватами. С течением времени коацерваты поглощали из окружавшего их раствора всё новые порции вещества, их структура усложнялась до тех пор, пока они не превратились в очень примитивные, но уже живые клетки.

5. Стационарное состояние

Согласно теории стационарного состояния, 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.

Проблема возникновения жизни на Земле издавна интересовала и волновала человека. Существует несколько гипотез о происхождении жизни на нашей планете:

жизнь создана Богом;
жизнь на Землю занесена извне;
живое на планете неоднократно самозарождалось из неживого;
жизнь существовала всегда;
жизнь возникла как следствие биохимической революции.

Все многообразие различных гипотез сводится к двум взаимоисключаемым точкам зрения. Сторонники теории биогенеза полагали, что все живое происходит только от живого. Их противники защищали теорию абиогенеза – они считали возможным происхождение живого от неживого.

Многие ученые допускали возможность самозарождения жизни. Невозможность самопроизвольного зарождения жизни была доказана Луи Пастером.

Второй этап – образование из простых органических соединений в водах первичного океана белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот. Разрозненные молекулы этих соединений концентрировались и формировали коацерваты, действующие как открытые системы, способные к обмену веществ с окружающей средой и росту.

Третий этап – в результате взаимодействия коацерватов с нуклеиновыми кислотами образовались первые живые существа – пробионты, способные, помимо роста и обмена веществ, к самовоспроизведению.

История жизни на Земле скрывает много тайн. Будут ли они когда-нибудь раскрыты, покажет будущее развитие науки.

Мы ограничимся культурно-историческим рассмотрением всех гипотез возникновения жизни на Земле. В рамках же естественнонаучной концепции особое внимание уделим конструктивно-теоретическим моделям теории биохимической эволюции.

Так как биологическое время – возраст обладает «стрелой времени», направленной от прошлого к будущему и описывается триадой: рождение – старение – гибель, то эволюционная идея возникла уже в мифологии и сформировалась в античной натурфилософии в теорию самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества, при этом предполагалось многократное зарождение на основе наивного трансформизма путем случайного сочетания отдельных органов (Эмпедокл, 495-435 до н.э.), внезапном превращении видов (Анаксимен, 384-322 до н.э.). Аристотель (384-322 до н.э.) оформил теорию самопроизвольного зарождения жизни в теорию постепенного развития живых форм (от простого к сложному), которая пересекается в средние века с теорией креационизма.

Креационизм (созидание, творение) – содержит тезис о божественном творении мира и человека. Согласно этой теории жизнь – результат сверхъестественных событий в прошлом. Многие ученые в эстетике мышления фактически объединяют эволюционную идею с креационизмом. Нам представляется оправданной эстетика мышления российского философа ХХ века Мераба Мамардашвили, приводящая к пересечению сакрального и секулярного мышления в «точке встречи, которой мы помыслили мысль, которую невозможно иметь волей или желанием мысли. Она помыслится или не помыслится. И если помыслится, если мы в этой точке пересечения в полноте собранного бытия, она мимо нас не пройдет. Тогда мы достойны этой мысли или говоря иначе, достойны дара. Дар не вытекает из наших заслуг, мы достойны его, лишь когда он с нами случится и это путь по дуге, а не по горизонтали, поскольку мы сцеплены и сращены с высшим, сверхсознательным».

В ХVII веке возникла теория биогенеза , которая сводится к утверждению, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни, т. е. «живое от живого.» Она была сформирована итальянским врачом и биологом Ф. Реди и известна в литературе как «принцип Реди». Французский биолог Луи Пастер в 1862 году убедительными опытами доказал невозможность самопроизвольного зарождения простейших организмов в современных условиях и утвердил принцип «все живое из живого». Эстетика мышления основателя современной микробиологии и иммунологии Л. Пастера явно пересекается с креационизмом в следующем высказывании: «Чем более я занимаюсь изучением природы, тем более я останавливаюсь в благоговейном изумлении перед делами Творца. Я молюсь во время работ своих в лаборатории».

Принцип дополнительности эволюционных идей с креационизмом характерен и для принципа развития Ж.Б. Ламарка (1744-1829), который постулировал следующие положения: организмы изменчивы; виды (и другие таксономические категории) условны и постепенно преобразуются в новые виды; общая тенденция исторических изменений организмов – постепенное совершенствование их организации (градация), движущей силой которой является изначальное (заложенное Творцом) стремление природы к прогрессу. Для ламаркизма характерны два дополняющих друг друга признака: телеологизм – как присущее организмам стремление к совершенствованию, организмоцентризм – признание организма в качестве элементарной единицы эволюции.

Чарльз Дарвин (1809 - 1882), обобщив отдельные эволюционные идеи, создал стройную развернутую теорию эволюции. Движущими силами эволюции он считал наследственную изменчивость и естественный отбор, а в качестве элементарной единицы эволюции организм каждого вида, т. е. фактически отдельных особей. Выживающие особи дают начало следующему поколению, и таким образом «удачные» положительные изменения передаются следующим поколениям. Очень часто теорию естественного отбора Чарльза Дарвина противопоставляют креационизму. Однако обратимся к эстетике мышления Чарльза Дарвина: «Мир покоится на закономерностях и в своих проявлениях представляется, как продукт разума – это указание на его Творца».

«Бог, воистину dues ex machine, позволяет перескочить пропасть между живым и мертвым, природой и духом, сохранив при этом и пропасть».Бог (Творец) – это сложная, творческая конструкция нашего ума, демонстрирующая способность цивилизующего человечества мыслить абстрактно. В средние века теория креационизма оформляется в конфессиональных философских теологиях и религиях, в основе которых лежит тезис: «Бог познается только через веру», тем самым религия отделила веру в божественное творение мира от науки, т. е. от научного метода познания мира, опирающегося на совокупность эмпирических и теоретических методов. В то же время добро и зло получают в религии священную санкцию и человек обретает внутренний покой и свет для труда в нашем несовершенном мире. Наиболее ярко это выражено в следующем поучение М.В. Ломоносова: «Не здраво рассудителен математик, ежели он хочет Божественную волю измерить циркулем. Таков же богословия учитель, если он думает, что по Псалтарю можно научиться астрономии и химии».

Появление жизни на Земле пытались объяснить и занесением ее из других космических миров. В 1865 году немецкий врач Г. Рихтер выдвинул гипотезу космозоев (космических зачатков), в соответствие с которой жизнь является вечной и зачатки, населяющие мировое пространство могут переносится с одной планеты на другую. Возникла теория стационарного состояния , согласно которой жизнь существовала всегда, опирающаяся в определенной степени и на «принцип Реди». Эта гипотеза была поддержана многими ученными XIX века – У. Томпсоном, Г. Гельмгольцем и другими. Теорию стационарного состояния в определенной степени разделял и наш великий ученый В.И. Вернадский, считавший, что жизнь на Земле появилась одновременно с появлением Земли.

Теория стационарного состояния в модели Рихтера пересекается с теорией панспермии , которую в 1907 году выдвинул известный шведский естествоиспытатель С. Аррениус: «Во Вселенной вечно существуют зародыши жизни, которые движутся в космическом пространстве под давлением световых лучей; попадая в сферу притяжения планеты, они оседают на ее поверхности и закладывают на этой планете начало живого». Конструктивно – теоретические возможности панспермии подтверждаются рядом экспериментов: обнаружением следов органических соединений в метеоритном и кометном веществах, предшественников аминокислот в лунном грунте, следов микроорганизмов в метеорите предположительно марсианского происхождения. Очевидно, что эти открытия второй половины XX века будут расширены по мере освоения человеком космического пространства.

Однако в рамках естественнонаучного принципа глобальной эволюции теория стационарного состояния не продуктивна, а теория панспермии так же не предлагает ни какого механизма для объяснения первичного возникновения жизни; она просто переносит проблему возникновения жизни в какое-то другое место Вселенной.

Итак в рамках эволюционных «стрел времени» на основе принципа дополнительности остаются две взаимоисключающие, а возможно дополняющие друг друга, по крайней мере в эстетике мышления, теория креационизма и теория биохимической эволюции. На наш взгляд, в пересечении этих теорий представляется неоправданным как вера в религиозный фанатизм, так и в научный абсолютизм. Нам представляется, что чувство «религиозной веры в высшее, сверхсознательное и преклонения» перед гармонией природы на Земле и в Космосе и убеждения что в «концептуальном фонде (как и в генофонде) Земли» все элементы значимы и важны является основой не только духовной, но и материальной культуры человеческой цивилизации.

В пользу неслучайного характера процесса как зарождения, так и развития жизни говорит антропный принцип, сформулированный в 70-е годы XX века. Его сущность заключается в том, что даже незначительное отклонение значения любой из фундаментальных констант приводит к невозможности появления во Вселенной высокоупорядоченных структур. Например, увеличение постоянной Планка на 10% лишает протон возможности объединиться с нейтроном, то есть становиться невозможным нуклеосинтез. А уменьшение постоянной Планка на 10% привело бы к образованию устойчивого ядра 2 He, следствием чего явилось бы выгорание всего водорода на ранних стадиях расширения Вселенной, либо коллапс звезд на более поздних стадиях. Наука столкнулась с большой группой фактов, раздельное рассмотрение которых создает впечатление о необъяснимых совпадениях, граничащих с чудом. (более подробно: Barron J.D., Tipler F.J. The antropic cosmological principle, Oxford, 2-nd., ed., 1986). По мнению ученого-физика Дж. Уилера: «Фактор, дающий жизнь, лежит в центре всего механизма и конструирует мир».

В то же время конструктивно-теоретические модели биохимической эволюции опираются на гипотезу, что жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам. Тем самым мы ставим оправданно или нет законы физики и химии в центр «всего механизма, конструирующего мир».

Первые три этапа относят к периоду химической эволюции, с четвёртого начинается биологическая эволюция. Представление о химической эволюции подтверждены рядом экспериментов. Начало этой работы было положено в 1953 г. С. Миллером и Г. Юри, которые при воздействии искрового заряда на газовую смесь из метана, и паров воды получили набор малых органических молекул, впервые показав возможность абиогенного синтеза органических соединений в системах, имитирующих предположительный состав первичной земной атмосферы.

Сложные процессы химической эволюции, которая переходит в биохимическую и биологическую эволюцию, могут быть выражены в виде простой последовательности: атомы
простые молекулы
сложные макромолекулы и ультрамолекулярные системы (пробионты)

одноклеточные организмы.

Первые клетки считаются прообразом всех живых организмов растений, животных, бактерий.

Однако в этом физико-химическом конструировании всего живого естественно присутствует антропный принцип, т.е. вера в неслучайный характер процесса как зарождения, так и развитие жизни на Земле. Кроме того не снимается и возможность пересечения теории биохимической эволюции земной материи с теорией панспермии. Сама теория биохимической эволюции приобрела научный характер теоретического конструирования моделей, подтверждённый экспериментально геохронологической историей Земли только в 20 веке после раскрытия молекулярно-генетического уровня биологического уровня материи и становления эволюционной химии.

Теория биохимической эволюции опирается на понятие абиогенеза – образования органических соединений, распространённых в живой природе вне организма, без участия ферментов.

Все многочисленные гипотезы, которые выдвигались в 60-80-е годы 20 века, имели чётко выраженные противостояние по вопросу о характеристиках протобиологической системы, т. е. доклеточного предка. Проблема состояла в том, что между химической формой материи, которая ещё не жизнь, и биологической формой материи, которая уже есть жизнь, существует предбиотическая структура, связанная с переходом от физико-химической эволюции к биологической. Необходимо было найти некую доклеточную структуру, способную эволюционировать, чтобы она была подвержена генетическим преобразованиям и естественному отбору. В итоге обозначились две гипотезы – коацервантная и генетическая.

Основу коацервантной гипотезы составляет утверждение, что начальные этапы биогенеза были связаны с формированием белковых структур из «первичного океана» благодаря коацервации – самопроизвольному разделению водного раствора полимеров на фазы с различной концентрацией. Основные положения этой гипотезы впервые были сформулированы А. И. Опариным в 1924 году (см.: Опарин А.И. Жизнь, её природа, происхождение и развитие. М., 1968). Отбор как основная причина совершенствования коацервантов до первичных живых существ – важнейшее положение гипотезы Опарина.

В рамках коацервантной гипотезы возник методологический принцип, получивший название голобиоза , т.е. первичности структур типа клеточной, наделенной способностью к элементарному обмену веществ, в том числе и к ферментному катализу.

Однако, если опираться на равновесную термодинамику, то молекулы живых существ не возникают спонтанно, для их образования требуется сложный механизм непрерывного и согласованного действия «нагревателя» и «холодильника» в соответствии со вторым началом термодинамики. Вероятность того, что белковая молекула, состоящая, из аминокислот 20 видов, будет случайно сформирована по определённому образцу равна

Число стоящее в знаменателе, слишком велико, чтобы его можно было охватить разумом. «Вероятность - как утверждает астроном Фрёйд Хойл, вопиюще мала, до того мала, что это было бы немыслимо даже в случае, если вся Вселенная состояла из органического бульона». Однако, если перейти к неравновесной термодинамике, то энтропия излучения S изл. много больше энтропии вещества S вещ. (S изл >> S вещ.), то вероятность образования упорядоченных структур от кристаллов до белков и нуклеиновых кислот резко возрастает.

Однако, для этого вряд достаточно только естественного отбора, который направлен на очищение генофонда популяции от «бракованных» генов, видоизменение происходит только в рамках существующего генетического материала, как адаптивная реакция на изменение окружающей среды.

Выдвигается на первый план генетическая гипотеза, согласно которой вначале возникли нуклеиновые кислоты как матричная основа синтеза белков. Впервые эту гипотезу выдвинул в 1929 году американский генетик Г. Меллер.

В рамках генетической гипотезы возник методологический принцип, получивший название генобиоза , утверждающий первичность возникновения в результате биохимической эволюции молекулярной системы со свойствами генетического кода.

К естественному отбору добавилась идея дискретного расщепления генетических признаков, в определённой степени опирающаяся на основное положение квантовой механики: «Всё: материя, энергия, квантовые характеристики частиц – выступают дискретными величинами, и нельзя измерить ни одну из них, не изменив её». Генетическая гипотеза связывает теорию биохимической эволюции с глобальным эволюционизмом, а теория происхождения жизни на Земле связывается с верой в существование «сверхрационального, сверхразумного» телеологизма – как присущего всей Вселенной стремления к совершенствованию вплоть до создания «разумного наблюдателя».

В настоящее время генетическая концепция получила широкое признание в результате открытий, сделанных в 80-е годы. Экспериментально было доказано, что несложные нуклеиновые кислоты могут редуплицироваться и без ферментов. Способность нуклеиновых кислот служить матрицами при образовании комплементарных цепей – наиболее убедительный аргумент в пользу представлений о ведущем значении в процессе биогенеза наследственного механизма и, следовательно, в пользу генетической гипотезы происхождения жизни.

К началу 80-х годов XX стало ясно, что первичной из нуклеиновых кислот могла быть только рибонуклеиновая кислота (РНК).

Иными словами, именно молекула РНК могла составить макромолекулярный субстрат доклеточного предка. Решающее открытие относительно роли молекулы РНК в происхождении жизни сводится к следующему. Во первых, это установление способности РНК к саморепродукции в отсутствие белковых ферментов. Во вторых, установление того факта что одна из небольших молекул РНК (рибозин) сама обладает функциями фермента. Наконец, в третьих, было установлено, что РНК обладает автокаталитическими свойствами.

Таким образом, можно считать, что древняя РНК совмещала в себе обе функции: каталитическую и информационно-генетическую, что и обеспечивало возможность саморепродукции макромолекулярного объекта. Иначе говоря, она отвечала всем требованиям механизма эволюции в соединении теории естественного отбора с наследственным (генетическим) дискретным расщеплением признаков (аллельных генов), так и с теорией сцепления неаллельных генов. Это способствовало последующей эволюции макромолекулярной системы на основе РНК в более эффективную с точки зрения синтеза белков макромолекулярную систему на основе ДНК. В процессе такой эволюции в большинстве случаев произошло разделение информационно – генетических и каталитических функций. Особо следует подчеркнуть существенную роль дисимметрии «право-лево» как нуклеиновых, так и белковых молекул, происхождение которой имеет много гипотез и пока не имеет экспериментального обоснования. Не исключено, что возникновение такой дисимметрии имело столь же глубокие последствия для происхождения жизни, как и возникновение барион-антибарионной дисимметрии для эволюции Вселенной.

Проблема состоит и в том, является ли время и место действия - Земля около 4,5 млрд. лет назад - уникальной ареной для биохимической эволюции. Или этот процесс происходил и происходит стихийно и в тоже время на основе “сверхрационального, сверхразумного” телеологизма в различных частях космического пространства, а Земля лишь предоставила благоприятные условия для развития уже возникшей жизни.

Переходя на онтогенетический (организменный) уровень живой природы, структурным признаком живого организма, начиная с 1940-х годов, считается клетка – завод жизни. Иными словами, наинизшим объектом живой природы признаётся клетка либо как самостоятельный одноклеточный организм, либо как автономная часть многоклеточного организма. Доклеточные формы жизни – вирусы – занимают промежуточное место между живым и неживым.

Только в начале 60-х годов XX века появилась генетическая концепция клеточной организации живой материи позволившая дискретно разделить всё живое на два надцарства – прокариоты и эукариоты . Наиболее принципиальные различия двух типов организмов касается характера организации и репликации на генетическом уровне; структуры аппарата, синтезирующего белки; характера «пусковых» механизмов биосинтеза белка; структуры молекулы РНК; организации и характера фотосинтезирующего аппарата и т.п. При этом ни прокариоты, ни эукариоты не имеют определённых эволюционных преимуществ. Это позволяет предложить, что оба эти типа организмов происходят от общего предка, или археклетки, совмещающей в себе черты прокариотов и эукариотов.

В 1970-е годы эта точка зрения получила серьёзное подтверждение благодаря открытию архебактерий , которые будучи прокариотами по типу организации генетического аппарата, имеют признаки, сближающие их с эукариотами. Наиболее популярна в настоящее время симбиотическая гипотеза, согласно которой эукариотная клетка – результат симбиоза нескольких прокариотных клеток.

Важной концепцией функционирования живой природы на онтогенетическом уровне является её функциональная системность. Согласно этой концепции, функциональная системность обусловлена тем, что компоненты систем не только взаимодействуют, но и взаимосодействуют.

Концепция функциональной системности универсальна на всех структурных уровнях живой природы. Она основана на взаимосодействии мутационного (генетически наследственного расщепления альтернативных признаков (аллельных генов) и сцепления неаллельных генов в генетике пола) отбора с естественным отбором, когда процессы на низших уровнях как бы организуются функциональными связями на высших уровнях, а часть специализированными аппаратами регуляции (гомеостаза), как, например, гормональными и первыми системами в организме животных.

Концепция функциональной системности могла появиться на молекулярно-генетическом уровне и в виде симбиоза методологических принципов голобиоза и генобиоза.

Такой подход в определённой степени снимает проблему первичности белка или ДНК / РНК в возникновении пробионтов. Считается, что жизнь эволюционировала на базе динамичной игры малых молекул (органических и неорганических) и первые биополимеры могли быть результатом автокаталитических реакций малых молекул в дождевых каплях, озарённых ультрафиолетом первобытного Солнца. Однако, возникает проблема дозревания этих капель в коацервантные капли в соответствие с опаринским сценарием «первичного бульона» или в первичные двухцепочные РНК в соответствие с генетической гипотезой и последующем их симбиозе в археклетку.

На наш взгляд, если исходить из выдвинутой Н.В. Тимофеевым-Ресовским аксиомы, что эволюция живой природы принципиально непредсказуема, то эта аксиома указывает на достаточно трудный путь исследования происхождения жизни на Земле и антропологического исследования родословной человека, что, на наш взгляд, приводит к пересечению, по крайней мере, трёх теорий (концепций), а именно естественнонаучной концепции биохимической эволюции с концепциями панспермии и креационизма с опорой на антропный принцип и принцип глобального эволюционизма.

Муниципальное общеобразовательное учреждение

Средняя общеобразовательная школа № 45

Теории происхождения жизни на Земле

Выполнила : ученица 11 «В» класса

Нигматуллина Мария

Провеила : учитель биологии

Трапуева Л. С.

г. Челябинск

2010 г.

1. Введение

2. Гипотезы о возникновении жизни

3. Генобиоз и голобиоз

4. Теория Опарина – Холдейна

5. Мир РНК как предшественник современной жизни

6. Панспермия

7. Самозарождение жизни

8. Теория стационарного состояния

9. Креационизм

10. Теория эволюции

11. Дарвиновская теория

12. Заключение

Введение

Теории, касающиеся возникновения Земли и жизни на ней, да и всей Вселенной, разнообразны и далеко не достоверны. Согласно теории стационарного состояния, Вселенная существовала вечно. Согласно другим гипотезам, Вселенная могла возникнуть из сгустка нейтронов в результате «Большого взрыва», родилась в одной из черных дыр или же была создана Творцом. Вопреки бытующим представлениям, наука не может опровергнуть тезис о божественном сотворении Вселенной, так же как теологические взгляды не обязательно отвергают возможность того, что жизнь в процессе своего развития приобрела черты, объяснимые на основе законов природы.

Гипотезы о возникновении жизни

В разное время относительно возникновения жизни на Земле выдвигались следующие Гипотезы:

• Гипотеза биохимической эволюции
• Гипотеза панспермии
• Гипотеза стационарного состояния жизни
• Гипотеза самозарождения

Теории самозарождения и стационарного состояния представляют собой только исторический или философский интерес, так как результаты научных исследований противоречат выводам этих теорий.

Теория панспермии не решает принципиального вопроса о возникновении жизни, она только отдаляет его в ещё более туманное прошлое Вселенной, хотя и не может исключаться как гипотеза о начале жизни на Земле.

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, наделённых способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма.

Теория Опарина – Холдейна

В 1924 году будущий академикОпарин опубликовал статью «Происхождение жизни», которая в 1938 году была переведена на английский и возродила интерес к теории самозарождения. Опарин предположил, что в растворах высокомолекулярных соединений могут самопроизвольно образовываться зоны повышенной концентрации, которые относительно отделены от внешней среды и могут поддерживать обмен с ней. Он назвал их Коацерватные капли , или просто коацерваты .

Согласно его теории процесс, приведший к возникновению жизни на Земле, может быть разделён на три этапа:

• Возникновение органических веществ
• Возникновение белков
• Возникновение белковых тел

Астрономические исследования показывают, что как звёзды, так и планетные системы возникли из газопылевого вещества. Наряду с металлами и их оксидами в нём содержались водород, аммиак, вода и простейший углеводород - метан.

Условия для начала процесса формирования белковых структур установились с момента появления первичного океана. 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.

Наука доказала, 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 капель. При определённых условиях водная оболочка органических молекул приобретала чёткие границы и отделяла молекулу от окружающего раствора. Молекулы, окружённые водной оболочкой, объединялись, образуя многомолекулярные комплексы - коацерваты.

Коацерватные капли также могли возникать при простом смешивании разнообразных полимеров. При этом происходила самосборка полимерных молекул в многомолекулярные образования - видимые под оптическим микроскопом капли.

Капли были способны поглощать извне вещества по типу открытых систем. При включении в коацерватные капли различных катализаторов (в том числе и ферментов) в них происходили различные реакции, в частности полимеризация поступающих из внешней среды мономеров. За счёт этого капли могли увеличиваться в объёме и весе, а затем дробиться на дочерние образования. Таким образом, коацерваты могли расти, размножаться, осуществлять обмен веществ.

Подобные взгляды также высказывал британский биолог Джон Холдейн.

Проверил теорию Стэнли Миллер в 1953 году в эксперименте Миллера - Юри. Он поместил смесь H 2 O, NH 3 , CH 4 , CO 2 , CO в замкнутый сосуд(рис. 1) и стал пропускать через неё электрические разряды. Оказалось, что образуются аминокислоты. Позднее в разных условиях были получены другие сахара и нуклеотиды. Он сделал вывод, что эволюция может произойти при фазовообособленном состоянии из раствора (коацерватов). Однако, такая система не может сама себя воспроизводить.

Теория была обоснована, кроме одной проблемы, на которую долго закрывали глаза почти все специалисты в области происхождения жизни. Если спонтанно, путём случайных безматричных синтезов в коацервате возникали единичные удачные конструкции белковых молекул (например, эффективные катализаторы, обеспечивающие преимущество данному коацервату в росте и размножении), то как они могли копироваться для распространения внутри коацервата, а тем более для передачи коацерватам-потомкам? Теория оказалась неспособной предложить решение проблемы точного воспроизведения - внутри коацервата и в поколениях - единичных, случайно появившихся эффективных белковых структур. Однако, было показано, что первые коацерваты могли образоваться самопроизвольно из липидов, синтезированных абиогенным путем, и они могли вступить в симбиоз с «живыми растворами» - колониями самовоспроизводящихся молекул РНК, среди которых были и рибозимы, катализирующие синтез липидов, а такое сообщество уже можно назвать организмом.

Александр Опарин (справа) в лаборатории

Мир РНК как предшественник современной жизни

К XXI веку теория Опарина-Холдейна, предполагающая изначальное возникновение белков, практически уступила место более современной. Толчком к её разработке послужило открытие рибозимов - молекул РНК, обладающих ферментативной активностью и поэтому способных соединять в себе функции, которые в настоящих клетках в основном выполняют по отдельности белки и ДНК, то есть катализирование биохимических реакций и хранение наследственной информации. Таким образом, предполагается, что первые живые существа были РНК-организмами без белков и ДНК, а прообразом их мог стать автокататилический цикл, образованный теми самыми рибозимами, способными катализировать синтез своих собственных копий.

Панспермия

Согласно теории Панспермии, предложенной в 1865 году немецким ученым Г. Рихтером и окончательно сформулированной шведским ученым Аррениусом в 1895 году, жизнь могла быть занесена на Землю из космоса. Наиболее вероятно попадание живых организмов внеземного происхождения с метеоритами и космической пылью. Это предположение основывается на данных о высокой устойчивости некоторых организмов и их спор к радиации, глубокому вакууму, низким температурам и другим воздействиям. Однако до сих пор нет достоверных фактов, подтверждающих внеземное происхождение микроорганизмов, найденных в метеоритах. Но если бы даже они попали на Землю и дали начало жизни на нашей планете, вопрос об изначальном возникновении жизни оставался бы без ответа.

Фрэнсис Крик и Лесли Оргел предложили в 1973 году другой вариант - управляемую панспермию, то есть намеренное «заражение» Земли (наряду с другими планетными системами) микроорганизмами, доставленными на непилотируемых космических аппаратах развитой инопланетной цивилизацией, которая, возможно, находилась перед глобальной катастрофой или же просто надеялась произвести терраформирование других планет для будущей колонизации . В пользу своей теории они привели два основных довода - универсальность генетического кода (известные другие вариации кода используются в биосфере гораздо реже и мало отличаются от универсального) и значительную роль молибдена в некоторых ферментах. Молибден - очень редкий элемент для всей Солнечной системы. По словам авторов, первоначальная цивилизация, возможно, обитала возле звезды, обогащённой молибденом.

Против возражения о том, что теория панспермии (в том числе управляемой) не решает вопрос о зарождении жизни, они выдвинули следующий аргумент: на планетах другого неизвестного нам типа вероятность зарождения жизни изначально может быть намного выше, чем на Земле, например, из-за наличия особенных минералов с высокой каталитической активностью.

В 1981 году Ф. Крик написал книгу «Life itself: its origin and nature», в которой он более подробно, чем в статье, и в популярной форме излагает гипотезу управляемой панспермии.