Тема №18. Происхождение и сущность жизни

План:

18.1 Теории происхождения жизни.

18.2 Катастрофизм и эволюционизм в биологии.

Вопросы о происхождении и сущности жизни издавна стали предметом интереса человека в его стремлении разобраться в окружающем мире, понять самого себя и определить свое место в мире.

В биологии существует шесть концепций, объясняющих происхождение жизни:

• Креационизм – сотворение жизни Богом. Почти во всех религиях выделяется бог – творец жизни, ответственный за её начало. Но креационизм не является научной концепцией, поскольку отражает религиозное мировоззрение, и принимает положение о сотворении жизни Богом абсолютом, сомневаться в котором нельзя.

• Концепция стационарного состояния – идея вечности жизни. В этой концепции проблема происхождения жизни вовсе не ставится: жизнь существовала всегда, а меняются лишь формы жизни, всё живое происходит только от живого. У каждого живого вида существует две возможности – изменение численности или вымирание.

• Концепция многократного самозарождения живого из неживого вещества. В этой концепции допускается, что головастики могут зародиться из ила, мухи из мяса и т.п. Хотя была доказана несостоятельность такой концепции, но эксперименты, поставленные для её проверки, позволили развить биологическую науку.

• Концепция панспермии – занесение жизни из космоса. Убедительных аргументов в пользу этой концепции нет, но есть серьёзные аргументы против неё: любые формы жизни погибают в космическом пространстве под действием космических лучей и температуры близкой к абсолютному нулю (–273 ⁰С = 0 ⁰К). Кроме того, все существующие варианты концепции панспермии не решают проблемы происхождения жизни. Они лишь выносят ее за пределы Земли – если жизнь была занесена на Землю из космоса, то где и как она возникла там?

• Случайное однократное происхождение жизни. В такой концепции предполагается случайный характер возникновения первичной живой молекулы, которая появилась лишь один раз за всё время существования нашей планеты. Степень доказательности концепции мало отличается от концепции креационизма, поскольку веских аргументов в её пользу не существует.

• Закономерное происхождение жизни путем химической эволюции. Концепция рассматривает жизнь как особую форму движения материи, закономерно возникшую на определенном этапе ее развития. Хотя возникновение жизни содержало элемент случайности, но оно было не абсолютно случайным, а в основе своей закономерным, необходимым. Появление жизни произошло в ходе процесса самоорганизации материи, когда химическая эволюция после одной из точек бифуркации привела к появлению живого организма и началу биологической эволюции. По А.И.Опарину на безжизненной Земле происходили абиотические синтезы углеродистых соединений и их последующая предбиологическая эволюция. Затем совершалось постепенное усложнение этих соединений и превращение их в протобионты (доклеточные предки живых организмов). Итогом стало появление первичных живых существ. Иными словами, в раннюю геологическую эпоху было возможно абиогенное происхождение жизни. А.И.Опарин стал рассматривать появление жизни как единый естественный процесс, который состоял из протекавшей в условиях ранней Земли химической эволюции, перешедшей на качественно новый уровень – биохимическую эволюцию. Исходя из теоретических предположений он экспериментально доказал, что под действием электрических разрядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси первичной атмосферы Земли, содержащие пары воды, аммиака, циана, метана и др., произошло появление аминокислот, нуклеотидов и их полимеров.

Слабой стороной концепции является невозможность объяснения самого момента скачка от сложных органических соединений к живым организмам, ведь ни в одном из поставленных экспериментов получить жизнь так и не удалось.

Современное состояние проблемы происхождения жизни. В настоящее время центральной проблемой в вопросе происхождения жизни на Земле является описание эволюции развития механизма наследственности. Ученые сегодня убеждены, что жизнь возникла только тогда, когда начал действовать механизм репликации. Любая самая сложная комбинация аминокислот и других сложных органических соединений – это еще не жизнь. Но проблема в том, что появление праДНК вместо коацерватной капли тоже не может считаться началом жизни на Земле. Дело в том, что современная ДНК может функционировать только при наличии белковых ферментов.

Таким образом, ученые-биологи, занимающиеся сегодня решением вопроса о происхождении жизни, сводят его к характеристике доклеточного предка – протобионта, его структурных и функциональных особенностей. Трудность решения этого вопроса объясняется хорошо известным фактом: для саморепродукции нуклеиновых кислот – основы генетического кода – необходимы ферментные белки, а для синтеза белков – нуклеиновые кислоты.

Конечно, проще всего было бы предположить, что оба эти свойства появились одновременно, объединились в единую систему в пределах протобионта, после чего началась их коэволюция – одновременная и взаимосвязанная эволюция. К сожалению, этот компромиссный вариант не получил признания ученых. Дело в том, что белковые и нуклеиновые макромолекулы структурно и функционально глубоко различны. В силу этого они не могла появиться одновременно, в результате одного скачка в ходе химической эволюции. Таким образом, невозможно их сосуществование в протобиологической системе (протобионте).

В зависимости от ответа на вопрос о первичности белков или нуклеиновых кислот, все существующие гипотезы и концепции можно разделить на две большие группы – голобиоза и генобиоза. Концепция А.И.Опарина относится к группе голобиоза – методологического подхода, утверждающего первичность структур клеточного типа, способных к элементарному обмену веществ при участии ферментных белков. Появление нуклеиновых кислот в этой концепции считается завершением эволюции, итогом конкуренции протобионтов. Эту точку зрения можно назвать субстратной. Сторонники генобиоза исходят из убеждения в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода. Эту группу гипотез и концепций можно назвать информационной.

К началу 1980-х годов чаша весов стала склоняться в пользу концепции генобиоза. Во многом это произошло благодаря новому истолкованию открытого еще Л. Пастером свойства молекулярной хиральности (т.е. несимметричности молекул) живых организмов. Постепенно ученым стало ясно, что стереохимический код (т.е. информация о пространственной конфигурации молекул) передается одновременно с генетическим кодом. Сегодня считается, что молекулярная хиральность – изначальный и фундаментальный признак живой материи, а способность возрождать хирально чистые (обладающие строго определенной пространственной асимметрией) молекулярные блоки зародилась столь же рано, как и способность к генетической саморепродукции. Функцией стереохимического кода стало кодирование построения хирально чистых мономеров, без которых невозможны основные биохимические реакции. Это кодирование производится с помощью молекул ДНК или РНК. Важную роль при этом играет комплементарность, т.е. взаимное соответствие молекулярных структур. Так, например, две молекулярные нити ДНК являются комплементарными структурами.

Оставался нерешенным вопрос о том, какая из двух информационных молекул – ДНК или РНК - появилась первой и сыграла роль матрицы для первичной комплементарной полимеризации? Кроме того, по-прежнему стоял вопрос, как могла функционировать протобиотическая система в отсутствие ферментных белков, если мы допускаем, что они появились позже?

Ответ на эти вопросы был получен к концу 1980-х годов. Он гласил, что первичной была молекула РНК, а не ДНК. Признание этого факта было связано с наличием у РНК уникальных свойств. РНК наделена такой же генетической памятью, как и молекула ДНК. Далее была установлена настоящая вездесущность РНК – стало ясно, что нет организмов, в которых отсутствовала бы РНК, хотя есть множество вирусов, геном которых не содержит ДНК. Также, вопреки устоявшейся догме, утверждавшей, что перенос генетической информации идет в направлении от ДНК к РНК и белку, оказался возможным перенос этой информации от РНК к ДНК при участии фермента, открытого в начале 1970-х годов.

В начале 1980-х годов была установлена способность РНК к саморепродукции в отсутствии белковых ферментов, то есть была открыта ее автокаталитическая функция. Это объясняло все не решаемые ранее вопросы. Таким образом, сегодня считается, что протобионт, из которого впоследствии возникла вся биологическая материя, представлял собой молекулу РНК. Древняя РНК была транспортной и совмещала в себе черты как фенотипа, так и генотипа. Иными словами, она могла подвергаться как генетическим преобразованиям, так и естественному отбору. Сегодня уже очевидно, что процесс эволюции шел от РНК к белку, а затем к образованию молекулы ДНК, у которой С-Н связи более прочны, чем С-ОН связи РНК.

Катастрофизм и эволюционизм в биологии. Современная концепция катастроф. Теории эволюции жизни на Земле базируются на данных палеонтологии – науки занимающейся изучением сохранившихся останков живых существ. В палеонтологии используется геохронологическая шкала времени. Наиболее древняя часть истории нашей планеты называется криптозоем. Она охватывает интервал от 3800 до 570 млн. лет назад. В этот период, как полагают, органическая жизнь находилась в скрытом состоянии. Более молодая часть истории Земли, длительностью в 570 млн. лет называется фанерозоем . Он разделен на 3 эры: палеозой (эра «древней жизни»), мезозой (эра «промежуточной жизни») и кайнозой (эра «новой жизни»). Эры делятся на периоды. Периоды получили свое название либо по месту, где были впервые описаны ископаемые породы данного возраста, либо по типичным организмам, относящимся к этому периоду.

Первые живые организмы появились на Земле примерно 3,5 млрд. лет назад. Это были простейшие существа – микроорганизмы. В кембрийский период стали появляться организмы более высокой сложности. Жизнь развивалась в основном в морях и была представлена примитивными ракообразными, моллюсками, кораллами. Морские позвоночные животные – щитковые рыбы, морские звезды и др. появились 450 млн. лет назад. Если сопоставлять по времени 3,5 млрд. лет биоэволюции и 570 млн. лет с начала кембрийского периода, то можно считать, что появление животных произошло весьма быстро. Жизнь, бурно развивавшаяся в морях в ордовикский период, 440 млн. лет назад стала угасать, как полагают из-за наступившего оледенения.

В силуре и девоне жизнь впервые вышла на сушу. К сильным изменениям в облике планеты привело обогащение растительного покрова Земли деревьями и кустарниками, дающими семена. Это произошло примерно 360…385 млн. лет назад. Растения перестали быть зависимыми от рек и болот: семена, снабженные питательными веществами, защищенные плотной оболочкой от превратностей климата, позволяли сохранять жизнь растительному миру, перенося ее по суше все дальше и дальше. Считается, что сотни тысяч лет было достаточно, чтобы леса покрыли оголенные до того скалы континентов. Каменистая поверхность преображалась под воздействием корневой системы растений.

В мезозое по теории о дрейфе континентов существовал только один сверхконтинент – Пангея, омываемый волнами единственного океана Татис. Этот сверхконтинент длительно дрейфовал и затем разделился на несколько континентов. Огромная территория Пангеи была покрыта лесами. Растительная и животная жизнь процветала. Но 250 млн. лет назад произошла грандиозная катастрофа. Жизнь на Земле почти прекратилась. За несколько миллионов лет погибло 95 % всей органической материи. Исчезло 80% четвероногих. Линия млекопитающих была практически прервана. Сохранился единственный вид млекопитающих – дицинодон, ставший предком всех других млекопитающих.

Ещё одна глобальная катастрофа в истории Земли произошла 65 млн. лет назад. По общепризнанной гипотезе Л. Альвареца причиной катастрофы стал упавший на Землю гигантский метеорит размером около 10 километров. Он упал на северный берег сегодняшнего полуострова Юкатан, оставил «след» глубиной 20 километров и попал в скалу из серосодержащих кристаллов. После этого в атмосферу было выброшено около 100 миллиардов тонн серы. Кроме того, облака пыли и дыма долгие месяцы окутывали Землю. Удар метеорита привел в движение мантию Земли, которая передала ударную волну на противоположную сторону Земного шара, что привело к разрыву земной коры и выбросу в атмосферу огромной массы пепла и, как следствие, к долголетнему похолоданию. С этой катастрофой связывают гибель динозавров.

Контрольные вопросы:

1. Как возникла жизнь на Земле?

2. В чем значение опыта С.Миллера?

3. Каковы проблемы в доказательной базе теории Опарина?

4. Каковы основные катастрофы, повлиявшие на развитие жизни?

Рекомендуемая литература:

1. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Учеб. Для вузов. М.: Высшая школа, 2003 – 488 с. ISBN 5-06-004242-1.

2. Крюков Р. В.; Р. В. Крюков Концепции современного естествознания. Пособие для подготовки к экзаменам. Москва, Приор-издат, 2005 - 176 с. ISBN: 5-9512-0491-7, 5-9030-4679-7.

Интернет ресурсы:

1. http://evolution.powernet.ru/library/beginnings.htm -возникновение жизни.

2. http://earth-history.ru/ - история Земли.