Министерство образования и науки РФ
ФГБОУ ВПО "Челябинский государственный университет"
Реферат
на тему: "Возникновение жизни на Земле"
Выполнил: студент факультета "Экологии",
группы ЭВБ-201
Сайфутдинова Ю.И.
Научный руководитель: Сосненко С.В.
Челябинск - 2015 год
Античные и средневековые представления о сущности и происхождении жизни на земле
На протяжении всей истории человечества вопрос о происхождении жизни имел не только познавательный интерес, но и огромное значение для формирования мировоззрения. Возникновение живых существ - одна из центральных проблем естествознания.
На заре цивилизации и в античную эпоху бытовали стихийно-материалистические взгляды на происхождение и сущность жизни. Древние философы за первооснову жизни принимали факторы неживой природы: огонь, воду, воздух и др. Очень часто неспособность людей объяснить естественные явления природы приводила к ее обожествлению.
Римский поэт Лукреций, живший в I в. до н.э., писал, что люди поклоняются божеству, ибо "много видят явлений они, а земле и на небе, нередко коих причины никак усмотреть и понять не умеют, и полагают, что все это божьим велением творится". Он считал, что у природы нет загадок, каких не в силах был бы решить человеческий ум, что "за основание тут мы берем положенье такое: из ничего не творится ничто по божественной воле".
С тех пор прошло более 2 тыс. лет и человек накопил огромные знания об окружающем мире, научился использовать его законы для своих целей, сумел оторваться от Земли и подняться в воздух, а затем выйти в Космос. Однако путь этот был непростым.
Одни ученые возникновение жизни связывали с творческим актом духовного начала - Бога, другие утверждали возможность самозарождения жизни. Думали, например, что мыши и насекомые сами собой образуются из земли или гниющих нечистот.
С распространением христианской религии возникла точка зрения, основанная на мифах и легендах, созданных народами Передней Азии более 2 тыс. лет назад и нашедших отражение в древнееврейской Библии: все живое создано Творцом и остается неизменным - теория креационизма (от лат. creator - творец). Такие представления возникли не случайно.
С древнейших времен в течение длительного времени благодаря плодородию почв и мягкому климату основным центром цивилизации оставался бассейн Средиземного моря с прилегающими к нему странами Европы, Азии и Африки. Другие очаги культуры Древнего мира были отделены от средиземноморского большего расстояния. Редкие путешествия в далекие края - восточную и южную часть Африки, Индию, Тибет, Китай и другие страны подчас порождали о них фантастические представления. Торговля была ограниченна Европой и прибрежными государствами Азии, животной и растительный мир которых был хорошо известен. На памяти людей не происходило каких-либо крупных геологических или климатических преобразований, изменений фауны и флоры. Все это нашло отражение о взглядах людей того времени и послужило источником формирования религиозных догматов. Однако уже в эпоху Возрождения с развитием мореплавания и при большой свободе для развития наук и культуры возникают сомнения в истинности церковных догматов. Особенно бурного развития естествознание достигло в конце XVIII-XIX вв.
Уровни организации живой материи
Мир живой природы представляет собой совокупность биологических систем разного уровня организации и различной соподчиненности. Эти системы находятся в непрерывном взаимодействии и им независимо от уровня организации присущи общие черты.
Прежде чем рассматривать конкретные процессы, приведшие к возникновению жизни, необходимо ознакомиться со свойствами живых систем (от греч. systema - целое, состоящее из взаимосвязанных частей), с тем чтобы лучше понять пути и механизмы их возникновения.
Выделяют несколько уровней организации живой материи:
1. Молекулярный. Любая живая система, как бы сложно она ни была организована, проявляется на уровне функционирования биологических макромолекул: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, а также других важных органических веществ. С этого уровня начинаются важнейшие процессы жизнедеятельности организма: обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации и др.
2. Клеточный. Клетка - структурная и функциональная единица, а также единица размножения и развития всех живых организмов, обитающих на Земле. Неклеточных форм жизни нет, а существование вирусов лишь подтверждает это правило, так как они могут проявлять свойства живых систем только в клетках. происхождение жизнь земля эволюция
3. Тканевой. Ткань представляет собой совокупность сходных по строению клеток, объединенных выполнением общей функции.
4. Органный. У большинства животных орган - это структурно-функциональное объединение нескольких типов тканей. Например, кожа человека как орган включает эпителий и соединительную ткань, которые вместе выполняют целый ряд функций, среди которых наиболее значительная - защитная.
5. Организменный. Многоклеточный организм представляет собой целостную систему органов, специализированных для выполнения различных функций.
6. Популяционно-видовой. Совокупность организмов одного и того же вида, объединенных общим местом обитания, создает популяцию как систему над организменного порядка. В этой системе осуществляются простейшие, элементарные эволюционные преобразования.
7. Биогеоценотический. Биогеоценоз - совокупность организмов разных видов и различной сложности организации и всех факторов среды обитания.
8. Биосферный. Биосфера - самый высокий уровень организации живой материи на нашей планете, включающая все живое на Земле.
Таким образом, живая природа представляет собой сложно организованную иерархическую систему.
Предпосылки возникновения жизни
Для того чтобы правильно представить процесс возникновения жизни, необходимо кратко рассмотреть современные взгляды на образование Солнечной системы и положение Земли среди ее планет. Эти представления очень важны, так как, несмотря на общность происхождения планет, окружающих Солнце, только на Земле появилась жизнь и достигла исключительного многообразия.
Земля и другие планеты Солнечной системы образовались из газово-пылевого облака около 4,5 млрд. лет назад. Такая газово-пылевая материя встречается в межзвездном пространстве и в настоящее время. Водород - преобладающий элемент Вселенной. Путем реакции ядерного синтеза из него возникает гелий, из которого в свою очередь образуется углерод. Ядра атомов гелия объединялись с ядрами углерода и формировали ядра кислорода, затем неона, магния, кремния, серы и т.д.
Для возникновения жизни на Земле необходимы были некоторые космические и планетарные условия. Во-первых, оптимальные размеры планеты. Масса ее не должна была быть слишком большой, так как энергия атомного распада природных радиоактивных веществ может привести к перегреванию планеты или к радиоактивному загрязнению среды, несовместимому с жизнью. Слишком маленькие планеты не способны удерживать около себя атмосферу, потому что сила притяжения их невелика. Во-вторых, движение планеты вокруг звезды по круговой или близкой к круговой орбите позволяет постоянно и равномерно получать от нее необходимое количество энергии. В-третьих, постоянная интенсивность излучения светила. Неравномерность потока энергии препятствовала бы возникновению и развитию жизни, так как существование живых организмов возможно лишь в узких температурных пределах.
Всем этим условиям удовлетворяла наша планета - Земля, на которой около 4,5 млрд. лет назад создались условия для более высокого уровня развития материи - ее эволюции в направлении возникновения жизни.
Современные представления о возникновении жизни
Все современные представления о происхождении жизни на Земле основываются на признании абиогенного, т.е. небиологического возникновения органических веществ из неорганических молекул, что нашло отражение в теории А.И. Опарина (1924) и Дж. Холдейна (1929).
Химическая эволюция. На первых этапах формирования Земля имела очень высокую температуру. По мере остывания планеты тяжелые элементы перемешались к ее центру, а более легкие оставались на поверхности. Металлы и другие способные окисляться элементы соединялись с кислородом, и в атмосфере Земли свободного кислорода не было. Атмосфера состояла из свободного водорода и его соединений (Н2О, СН4, NH3, HCN) и поэтому носила восстановительный характер. По мнению А.И. Опарина, это служило важной предпосылкой возникновения органических молекул небиологическим путем. До начала XIX в. многие ученые предполагали, что эти соединения могут возникать только в живом организме. В связи с этим их назвали органическими соединениями в противоположность веществам неживой природы - минералам, названным неорганическими соединениями.
Однако в 1953 г. американский ученый С.Л. Миллер экспериментально доказал возможность абиогенного синтеза органических соединений из неорганических. Пропуская электрический разряд через смесь H2, H2O, CH4 и NH3, он получил набор нескольких аминокислот, органические кислоты и цианистый водород. Органические вещества образуются и при облучении этой смеси коротковолновыми ультрафиолетовыми лучами. При ультрафиолетовом облучении из HCN образуется аденин и гуанин, из формальдегида - сахара, в том числе рибоза и дезоксирибоза. В дальнейшем оказалось, что абиогенным путем в отсутствии кислорода могут быть синтезированы очень многие органические соединения, входящие в состав биологических полимеров: белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов.
Возможность абиогенного синтеза органических соединений подтверждается тем, что они обнаружены в космическом пространстве. В космосе найдены цианистый водород, формальдегид, муравьиная кислота, метиловый и этиловый спирты и др. в некоторых метеоритах заключены жирные кислоты, сахара, аминокислоты. Все это свидетельствует о том, что достаточно сложные органические соединения могли возникать в условиях, существовавших на Земле 4-4,5 млрд. лет назад.
Более 4 млрд. лет назад "колбой Миллера" был весь земной шар. Извергались вулканы, с которых стекали потоки раскаленной лавы, клубы пара окутывали Землю, сверкали молнии. По мере остывания планеты водяные пары, находившиеся в атмосфере, конденсировались и обрушивались ливнями. Образовывались огромные водные пространства. Поскольку Земля была еще горячей, вода испарялась, а затем, охлаждаясь в верхних слоях атмосферы, вновь выпадала на поверхность планеты. Это продолжалось в течение многих миллионов лет. В водах первичного океана были растворены компоненты атмосферы, различные соли. Кроме того, туда попадали и непрерывно образующиеся в атмосфере под действием жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, высокой температуры в областях грозовых разрядов и активной вулканической деятельности органические соединения: сахара, аминокислоты, азотистые основания, органические кислоты и др.
Для образования на Земле сложных органических соединений важное значение имела, по-видимому, и адсорбция веществ на поверхности глин и других неорганических осадков в качестве фактора, повышающего концентрацию реагирующих между собой веществ, в результате чего появились первичные биополимеры - полипептиды и поли нуклеотиды.
Таким образом, условиями для абиогенного возникновения органических соединений были: восстановительный характер атмосферы Земли (соединения, обладающие восстановительными свойствами, легко вступают во взаимодействия между собой и веществами-окислителями), высокая температура, грозовые разряды и мощное ультрафиолетовое излучение Солнца, которое в то время еще не задерживалось озоновым экраном.
По-видимому, первичный океан содержал в растворенном виде различные органические и неорганические молекулы, попадающие в него из атмосферы и вымываемые из поверхностных слоев Земли. Концентрация органических соединений постоянно увеличивалась, и в конце концов воды океана стали "бульоном" из белководоподных веществ - пептидов, а также нуклеиновых кислот и других органических соединений.
Каждая молекула имеет определенную структурную организацию, т.е. атомы, входящие в ее состав, закономерно расположены в пространстве. Вследствие этого в молекуле образуется полюса с различными зарядами. Например, молекула воды Н2О образует диполь, в котором одна ее часть несет положительный заряд, другая - отрицательный. Кроме того, некоторые молекулы (например, соли) в водной среде диссоциируются на ионы.
В силу таких особенностей химической организации молекул вокруг них в воде образуются водные "рубашки" из определенным образом ориентированных молекул воды.
Органические молекулы имеют большую молекулярную массу и сложную пространственную конфигурацию; они окружены водной оболочкой. Молекулы, окруженные водной оболочкой, объединяются, образуя высокомолекулярные комплексы- коацерваты.
Эволюция предбиологических систем. В первичном океане коацерваты, или коацерватные капли, обладали способностью поглощать различные вещества, растворенные в воде. В результате этого внутреннее строение коацервата изменялось, что вело или к его распаду, или к накоплению веществ, т.е. к росту и изменению химического состава, повышающего устойчивость коацерватной капли в постоянно меняющихся условиях.
А.И. Опарин отмечал, что в данных конкурентных условиях в массе коацерватных капель должен был идти отбор наиболее устойчивых. Достигнув определенных размеров, материнская коацерватная капля могла распадаться на дочерние. Продолжали существовать только те дочерние коацерватные капли, которые, вступая в элементарные формы обмена со средой, сохраняли относительно постоянство своего состава. В дальнейшем они приобрели способность поглощать из окружающей среды не всякие вещества, а лишь такие, которые обеспечивали их устойчивость, а также выделять наружу продукты обмена. Параллельно увеличивались различия между химическим составом капли и окружающей средой. В процессе длительного отбора (химической эволюции) сохранились лишь те капли, которые при распаде на дочерние не утрачивали особенностей структуры, т.е. приобретали свойство самовоспроизведения.