Тема 1-05-05. Происхождение жизни (эволюция и развитие живых систем)

Первичная атмосфера Земли

Первичная атмосфера Земли сильно отличалась от современной: она была значительно более плотной и состояла в основном из углекислого газа. Резкое изменение состава атмосферы произошло примерно 2 млрд. лет назад и связано оно с зарождением жизни.

Абиогенный синтез

Абиогенный синтез - образование органических соединений, характерных для живой природы, вне организмов и без участия ферментов, в результате химических реакций между неорганическими веществами.

Коацерваты

Коацерваты — мельчайшие коллоидальные частицы, капли, обладающие осмотическими свойствами.

В водах первичного океана концентрация органических веществ увеличивалась, происходили их смешивание, взаимодействие и объединение в мелкие обособленные структуры раствора. Такие структуры довольно просто получить искусственно, смешивая растворы разных белков, например желатина и альбумина. Эти обособленные в растворе органические многомолекулярные структуры русский ученый А.И. Опарин назвал коацерватными каплями, или коацерватами. Коацерваты образуются в слабых растворах. Вследствие взаимодействия противоположных электрических зарядов происходит агрегация молекул. Мелкие сферические частицы возникают потому, что молекулы воды создают вокруг образовавшегося агрегата поверхность раздела.

Исследования показали, что коацерваты имеют достаточно сложную организацию и обладают рядом свойств, которые сближают их с простейшими живыми системами. Например, они способны поглощать из окружающей среды разные вещества, которые вступают во взаимодействие с соединениями самой капли, и увеличиваться в размере. Эти процессы в какой-то мере напоминают первичную форму ассимиляции. Вместе с тем в коацерватах могут происходить процессы распада и выделения продуктов распада. Соотношение между этими процессами у разных коацерватов неодинаково. Выделяются отдельные динамически более стойкие структуры с преобладанием синтетической деятельности.

Гетеротрофы

Гетеротрофы — организмы, не способные синтезировать органические вещества из неорганических соединений. Они должны получать их готовыми с пищей. В сообществах гетеротрофы — это консументы различных порядков и редуценты. Гетеротрофами являются почти все животные и некоторые растения.

Растения-гетеротрофы полностью или частично лишены хлорофилла и питаются, прорастая в тело растения-хозяина. К животным-гетеротрофам относятся все простейшие, не способные синтезировать органические вещества фото- или хемосинтезом.

Автотрофы

Автотрофы - организмы, синтезирующие нужные им органические вещества из неорганических соединений. К автотрофам относятся наземные зелёные растения (образуют органические вещества из углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза), водоросли, фото– и хемосинтезирующие бактерии (см. Хемосинтез). Будучи основными продуцентами органического вещества в биосфере, обеспечивают существование всех других организмов.

Анаэробы

Анаэробы (анаэробные организмы) - организмы, способные жить и развиваться только при отсутствии свободного кислорода. Получают энергию за счёт окисления органических или (реже) неорганических веществ без участия свободного кислорода. К анаэробам принадлежат многие микроорганизмы, часть из которых являются болезнетворными, некоторые простейшие, обитающие в кишечнике членистоногих и рубце жвачных, ряд многоклеточных кишечных паразитов (аскариды и др.). Многие анаэробы используются в технологических процессах, в очистке сточных вод. Некоторые (напр., дрожжи) способны существовать как без кислорода, так и в его присутствии. Их называют факультативными анаэробами. Граница между анаэробами и аэробами условна: между ними много промежуточных форм организмов.

Термин «анаэробы» ввёл Л. Пастер, открывший в 1861 г. бактерии, вызывающие маслянокислое брожение.

Аэробы

Аэробы(аэробные организмы) - организмы, способные жить и развиваться только при наличии свободного кислорода, который они используют для дыхания. К аэробам относятся все растения, большинство простейших и многоклеточных животных, почти все грибы, т. е. подавляющее большинство живых организмов. У животных жизнь в отсутствие кислорода встречается как вторичное приспособление. Кислород может поглощаться всей поверхностью их тела или специальными органами дыхания.

Прокариоты

Прокариоты - организмы, клетки которых не имеют оформленного, ограниченного мембраной ядра («прокариоты» буквально означает «доядерные»). К прокариотам относятся все бактерии, включая цианобактерии (по другой классификации – синезелёные водоросли). Генетический материал у прокариот представлен примитивной хромосомой, состоящей из одной расположенной в цитоплазме и замкнутой в кольцо молекулы ДНК. Многие органоиды, свойственные клеткам «ядерных» организмов – эукариот. у прокариот отсутствуют. У них нет митохондрий, эндоплазматической сети, аппарата Гольджи и ряда др. органоидов, т. е. более древние прокариотические клетки лишены тех мембранных структур, которые организуют и упорядочивают строение и деятельность эволюционно более поздних эукариотических клеток. Митоз у прокариот также отсутствует. Размножаются они делением надвое. Различия между прокариотами и эукариотами столь велики, что систематики рассматривают эти группы организмов как два самых крупных подразделения живой природы – надцарства.

Эукариоты

Эукариоты - организмы, клетки которых содержат оформленные, ограниченные оболочкой ядра («эукариоты» буквально означает «ядерные»). К эукариотам относятся животные, растения и грибы, т. е. все организмы, как многоклеточные, так и одноклеточные, за исключением бактерий. В отличие от прокариот, основная часть генетического материала эукариотической клетки находится в ядре и представлена ДНК, которая соединена с белками и обычно не образует кольцевидной структуры. На определённом этапе клеточного цикла генетический материал ядра преобразуется в видимые в световом микроскопе хромосомы. Цитоплазма эукариотической клетки сложно организована: она имеет цитоскелет и включает различные органоиды, выполняющие энергетические, пищеварительные, выделительные и др. функции. Некоторые органоиды, напр., митохондрии и хлоропласты, имеют собственную ДНК. Делится эукариотическая клетка путём митоза. Систематики рассматривают примитивных и древних прокариот и эволюционно более продвинутых и сложно организованных эукариот как отдельные надцарства.

Голобиоз

Голобиоз - методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на идее первичности структур, наделенных способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма.

Генобиоз

Генобиоз - методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на убеждении в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода.

Креационизм

Креационизм - мировоззрение, согласно которому весь существующий наблюдаемый нами материальный мир был сотворен (создан) нематериальным Творцом некоторое определенное время тому назад. Креационизм можно подразделить на научный и библейский. Научный креационизм основное внимание уделяет эмпирическим фактам, научным исследованиям, доказывающим сотворенность материи. Библейский креационизм большее внимание уделяет библейской картине мира и тем положениям Библии, из которых также явствует сотворенность материи.

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.

Биохимическая эволюция

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.

Современная теория возникновения жизни на Земле, называемая теорией биопоэза, была сформулирована в 1947 г. английским ученым Дж. Берналом.

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.

Постоянное самозарождение

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.

В ХVII—ХVIII веках благодаря успехам в изучении низших организмов, оплодотворения и развития животных, а также наблюдениям и экспериментам итальянского естествоиспытателя Ф. Реди (1626—1697), голландского микроскописта А. Левенгука (1632—1723), итальянского ученого Л. Спалланцани (1729—1799), русского микроскописта М. М. Тереховского (1740—1796) и других вера в самопроизвольное зарождение была основательно подорвана. Однако 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.

Стационарное состояние

Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень мало; виды также существовали всегда.

Оценки возраста Земли сильно варьировали — от примерно 6 000 лет по расчетам архиепископа Ашера до 5000 106 лет по современным оценкам, основанным на учете скоростей радиоактивного распада. Более совершенные методы датирования дают все более высокие оценки возраста Земли, что позволяет сторонникам теории стационарного состояния полагать, что Земля существовала всегда. Согласно этой теории, виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности — либо изменение численности, либо вымирание.

Сторонники этой теории не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводят в качестве примера представителя кистеперых рыб — латимерию. По палеонтологическим данным кистеперые вымерли в конце мелового периода 70 млн лет назад. 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 немногочисленные 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. Большая часть доводов в пользу этой теории связана с такими неясными аспектами эволюции, как значение разрывов в палеонтологической летописи, и она наиболее подробно разработана именно в этом направлении.