Происхождение жизни
Проблема происхождения жизни исстари
приковывала к себе человеческую мысль. С глубокой древности и до нашего времени
было высказано множество гипотез о происхождении жизни на Земле. Однако все их
многообразие сводится к двум взаимоисключающим точкам зрения.
Сторонники теории биогенеза (от греч.
био — жизнь и генезис — происхождение} полагали, что все живое происходит
только от живого. Их противники защищали теорию абиогенеза (а—лат.
отрицательная приставка); они считали возможным происхождение живого от
неживого, т. е. в той или иной мере допускали самозарождение жизни.
Простоте этого
рецепта мог бы позавидовать всякий: «Положи в горшок зерна, заткни его грязной
рубашкой и жди». Что случится? Через двадцать один день появятся мыши: они
зародятся из испарений слежавшегося зерна и грязной рубашки.
Второй рецепт требовал некоторых хлопот.
«Выдолбите углубление в кирпиче, положите в него истолченной травы базилика,
положите на первый кирпич второй, так, чтобы углубление было совершенно
прикрыто; выставьте оба кирпича на солнце, и через несколько дней запах
базилика, действуя как закваска, видоизменит траву в настоящих скорпионов».
Автором этих рецептов был один из крупнейших
ученых своего времени (первая половина XVII века) — алхимик Ван-Гельмонт.
Он утверждал, что сам наблюдал зарождение мышей в горшке, и мыши появились
вполне взрослыми.
Гельмонт не был одинок, он не был и первым.
Еще философы древней Греции — Аристотель[1] и другие — утверждали, что
лягушки родятся из ила, что насекомые, черви и прочая мелочь заводятся сами
собой во всех мало-мальски подходящих местах.
Откуда взялись черви, мухи, лягушки, улитки? Почему они появляются
иногда тысячами и тысячами? Никто не видел, как они родились, никто не видел их
яиц, никто не видел, как они росли. Ясно — они не родились, не выросли, а
появились сразу: народились из грязи, мусора, ила, гнили, из всего, чего
хотите. Были и критически настроенные умы. Были скептики, которые никому и
ничему не верили. Они пытались иногда протестовать, но силен был авторитет
греческих мудрецов, недосягаемой звездой сиял на горизонте средневековой науки
Аристотель. Кто посмеет пойти против него?
От средневековья до Пастера
Против теории самозарождения в XVII в.
выступил флорентийский врач и натуралист Франческо Реди (1626— 1698).
Положив мясо в закрытый горшок, Ф. Реди обнаружил, что в гнилом мясе личинки
мясной мухи не зарождаются самопроизвольно. Но сторонники теории самозарождения
не сдавались, они утверждали, что самозарождения личинок не произошло по той
лишь причине, что в закрытый горшок не поступал воздух. Тогда Ф. Реди поставил
гениальный по своей простоте опыт. Он поместил кусочки мяса в несколько
глубоких сосудов. Часть из них оставил открытыми, а часть прикрыл кисеей. Через
некоторое время в открытых сосудах мясо кишело личинками мух, тогда как в
сосудах, прикрытых кисеей, в гнилом мясе никаких личинок не было. Таким
образом, для всех живых организмов возник принцип «Всё живое – из живого».
Интересны в этом отношении
взгляды английского ученого В. Гарвея.
Он прилежно изучал куриное яйцо. Белок,
желток, всякие там пленки, скорлупа… Сколько материала для работы!
— Почему скорлупа пористая? Может быть, через
поры проходит воздух к зародышу?
Врач покрыл скорлупу лаком. Это не сразу
удалось ему: лак то растекался, то ложился так густо, что упорно не хотел
сохнуть. И тогда — вот скандал! — яйцо, подложенное под наседку, прилипало к
ней. Курица с кудахтаньем металась по комнате, а прилипшее яйцо качалось на ее
перьях.
Несколько десятков
испорченных яиц — и Гарвей научился этому, столь простому на вид делу. Он так
ловко покрывал яйца лаком, что не уступил бы в этом искусстве даже таким
специалистам-лакировщикам, как китайцы и японцы.
Гарвей положил
лакированное яйцо под курицу. Курица подвинулась и затихла: яйцо не прилипло к
ее перьям, все было в порядке. Шли дни. Гарвей старательно ухаживал за
наседкой.
Цыплята выклюнулись изо всех яиц, кроме
одного. Лакированное было самым красивым, но цыпленка оно не дало. Гарвей
разбил яйцо. Там не было видно и следов зародыша. По крайней мере, он не
заметил этих следов.
— Так, — сказал он, — это так… Через поры
зародыш дышит. Но… нужно проверить.
Время еще было:
лето только что начиналось. Под новую наседку была положена сразу дюжина
лакированных яиц. Это было замечательное по красоте гнездо: так блестели яйца!
Курица сидела,
Гарвей ждал. Прошли положенные дни, прошел еще один день: курица стала
беспокоиться. Это была опытная наседка, и, должно быть, ее волновало столь
необычное явление.
Прошло еще два дня.
Наседка слезла с яиц, встряхнулась, почистилась и отошла в сторонку. По ней
было видно, что она отказывается от таких странных яиц.Яйцо за яйцом разбивал
Гервей. Следов зародыша он не нашел.
— Это так! Они задохнулись, не могли
развиться, — вот что сказал вместо надгробного слова над дюжиной загубленных
жизней охотник за тайной яйца.
Гарвей не мог ограничиться только выяснением
значения пор скорлупы. Началось изучение развития зародыша. Теперь яйца уже не
покрывались лаком, но зато наседки сидели дюжинами. Сотни яиц пошли в работу.
Изо дня в день следил Гарвей за яйцами, вел
точный учет дней насиживания, определял возраст зародышей.
Каждый день несколько яиц прямо из-под наседки
попадали на стол исследователя.
Взяв яйцо после четырех дней насиживания,
Гарвей осторожно снял с него скорлупу и положил его в теплую воду. Он увидел
маленькое мутноватое облачко. В середине облачка вздрагивала крохотная красная
точка. Размер ее не превышал булавочной головки. Эта капелька крови то
появлялась, то исчезала.
— Она красная! Она бьется! — воскликнул
Гарвей. — Это сердце!
«Эта капелька крови, то появлявшаяся, то вновь
исчезавшая, казалось, колебалась между бытием и бездной, и это был источник
жизни», — так писал он о капельке-крошке.
День за днем исследовал Гарвей яйца, и перед
ним постепенно развертывалась картина развития от чуть заметной точки до
цыпленка.
Он перепотрошил десятки кур и выяснил, как
происходит развитие и формирование самого яйца. Установил значение и белка, и
пленок, и желтка, и наседа.
— Он извел столько яиц, что яичницы,
приготовленной из них, хватило бы на весь Лондон! — вот оценка работы Гарвея,
сделанная его кухаркой.
Куриное яйцо не могло исчерпать любопытства
Гарвея. Он принялся за млекопитающих животных.
«О произрождении животных» — так называлась
эта книга. Бóльшая часть ее была написана по памяти: самые главные материалы
погибли во время пожара.
На обложке книги красовалась виньетка: Юпитер
держит в руках яйцо, а из яйца выходят паук, бабочка, змея, птица, рыба и
ребенок. Надпись гласила: «Все живое — из яйца».
В XVIII в. теорию самозарождения жизни
защищали немецкий математик и философ Г. Лейбниц (1646—1716), французский
натуралист Ж. Бюффон (1707—1788), ирландский натуралист, физик, аббат Дж. Нидгэм
(1713—1781). Они утверждали, что в живых организмах существует особая
«жизненная сила». По мнению виталистов (от лат. вита—жизнь), «жизненная сила»
присутствует всюду. Достаточно лишь «вдохнуть» ее, и неживое станет живым.
Микроскоп открыл людям микромир. Наблюдения
показывали, что в плотно закрытой колбе с мясным бульоном или сенным настоем
через некоторое время обнаруживаются микроорганизмы. Дж. Нидгэм прокипятил мясо
в закрытом сосуде и через некоторое время обнаружил в бульоне микроорганизмы.
Казалось, самозарождение бактерий было доказано-
Но против ирландского аббата выступил
итальянский аббат Лаццаро Спалланцани (1729—1799) — натуралист,
микроскопист и изобретательный экспериментатор. Прокипятив мясной бульон в
течение часа, Спалланцани запаял вытянутое горлышко колбы. В запаянной колбе
микроорганизмы не возникали. Виталисты выдвинули предположение, что длительное
кипячение убивает «жизненную силу», которая не может проникнуть в запаянную
колбу.
Споры между сторонниками абиогенеза и
биогенеза продолжились и в первой половине XIX в.
Появление книги Ч. Дарвина вновь поставило
вопрос о том, как возникла жизнь на Земле. Французская академия наук в 1859 г.
назначила специальную премию за попытку осветить по-новому вопрос о
самопроизвольном зарождении. Эту премию спустя три года (в 1862 г.) получил
знаменитый французский ученый Луи Пастер.
Луи Пастер. Пастер (1822— 1895) провел
эксперимент, по простоте соперничавший со знаменитым опытом Реди. Он кипятил в
колбе различные питательные среды, в которых могли развиваться микроорганизмы.
При длительном кипячении в колбе погибали не только микроорганизмы, но и их
споры. Помня о возражении виталистов против опытов Спалланцани, что «жизненная
сила» не может проникнуть в запаянную колбу, Пастер соединил колбу с наружным
воздухом длинной s-образной трубкой. Споры микроорганизмов оседали на
внутренней поверхности тонкой изогнутой трубки и не могли проникнуть в
питательную среду. Хорошо прокипяченная питательная среда оставалась
стерильной, в ней не наблюдалось самозарождения микроорганизмов, хотя доступ
воздуха (а с ним и пресловутой «жизненной силы») был обеспечен. Виталистам был нанесен
сокрушительный удар.
Гипотезы вечности жизни во Вселенной
Опровержение Л. Пастером теории
самопроизвольного зарождения жизни сыграло двоякую роль. С одной стороны,
представители идеалистической философии увидели в его опытах лишь
непосредственное свидетельство принципиальной невозможности перехода от
неорганической материи к живым существам в результате действия только
естественных сил природы. Это вполне согласовывалось с их мнением о том, что
для возникновения жизни необходимо вмешательство нематериального начала —
творца. С другой стороны, некоторые материалистические мыслящие
естествоиспытатели лишились теперь возможности использовать явление
самозарождения жизни в качестве главного доказательства своих взглядов.
Возникло представление о вечности жизни во Вселенной. Так появилась гипотеза
панспермии', которую выдвинул немецкий химик Ю. Либих (1803—1873).
Согласно гипотезе панспермии жизнь существует
вечно и переносится с планеты на планету метеоритами. Простейшие организмы или
их споры («семена жизни»), попадая на новую планету и найдя здесь благоприятные
условия, размножаются, давая начало эволюции от простейших форм к сложным.
Сторонником гипотезы панспермии был выдающийся отечественный естествоиспытатель
В. И. Вернадский (1863—1945).
Особенно активно развивал теорию панспермии
шведский физико-химик С. Аррениус (1859—1927). В опытах русского физика П. Н.
Лебедева (1866—1912), открывшего давление светового потока, С. Аррениус увидел
доказательство возможности переноса спор микроорганизмов с планеты на планету.
Жизнь переносится, предполагал он, не в виде микроорганизмов на метеоритах,
раскаляющихся при вхождении в плотные слои атмосферы,— сами споры могут
перемещаться в мировом пространстве, движимые давлением солнечного света!
Теория панспермии уводит нас от решения
вопроса о происхождении жизни на Земле: если жизнь возникла не на Земле, то как
она возникла вне ее?
Материалистические теории происхождения жизни
Проблема происхождения жизни для теорий
вечности жизни не существует по той простой причине, что эти теории стирают
различия, существующие между живым и не живым. Поскольку эти теории исходят из
единства комплекса живое — неживое, для них не существует и вопроса о
происхождении одного от другого. Совсем иначе обстоит дело, если принять
наличие специфических различий между живой и неживой материей — в этом случае
сам собой
возникает вопрос о возникновении этих
различий. Разрешение настоящего вопроса, естественно, неразрывно связано с теми
представлениями, которые существуют о природе различий между неживой материей и
живыми организмами. Правильная постановка этого вопроса стала возможной лишь
после исследований Л. Пастера и в связи с расширением и углублением самого
понятия живого. Особенное значение в истории проблемы имела теория немецкого
ученого
Э. Пфлюгера (1875). Вопрос о происхождении жизни для Пфлюгера, как и для современных
ученых, сводился к вопросу о происхождении белковых веществ и о той внутренней
их организации, которая составляет характерное отличие белков живой «протоплазмы».
Автор соответственно разбирает различия между «живым» и «мертвым» белком, из
которых основное
заключается в неустойчивости «живого» белка,
его способности к изменениям в отличие от инертного «мертвого» белка. Эти
свойства «живого» белка во времена Пфлюгера приписывали наличию в молекуле
белка кислорода. Это воззрение в настоящее время оставлено. Из других
представлений о различиях между «живым» и «мертвым» белком ученый
останавливается на содержании в молекуле «живого» белка группы циана, CN , и
соответственно этому он пытается создать представление о происхождении этого
основного для белковой молекулы радикала. В соответствии с этим, исследователь
считает, что цианистые соединения возникли еще в то время, когда Земля
представляла собой расплавленную или раскаленную массу. Именно при этих
температурах в лаборатории удается получить указанные соединения искусственным
путем. Впоследствии, при охлаждении земной поверхности, соединения циана с
водой и с другими химическими веществами привели к образованию белковых
веществ, наделенных «жизненными» свойствами. В теории Пфлюгера, в настоящее
время устаревшей, ценным является материалистический подход к проблеме
происхождения жизни и выделение белка как важнейшей составной части протоплазмы.
Происхождение белковых веществ можно представить себе и иначе. И действительно,
вскоре после Пфлюгера появились другие попытки подойти
к разрешению этого вопроса с биохимической
стороны. Одной из таких попыток является теория английского ученого Дж. Эллена
(1899). Первое появление азотистых соединений на Земле,
в противоположность Пфлюгеру, Эллен
приурочивает к тому периоду, когда пары воды вследствие охлаждения сгустились в
воду и покрыли поверхность Земли. В воде были
растворены соли металлов, имеющие
первостепенное значение для образования и деятельности белка. В ней же
содержалось известное количество углекислоты, которая вступала в соединение с
оксидами азота и с аммиаком. Последние могли образоваться при электрических
разрядах, имевших место в воздухе, содержащем азот. Уже эти теории, относящиеся
к концу прошлого столетия, ясно намечают основное направление, по которому и в
настоящее время идет развитие проблемы возникновения живого. http://www.insidebiology.ru/foms-473-1.html
Современные представления о возникновении жизни
Предыстория
возникновения нашей планеты такова, что около 20 млрд. лет назад в просторах
Вселенной возникло большое водородное облако, которое под воздействием сил
гравитации /сил тяготения/ стало сжиматься и гравитационная энергия стала
переходить в тепловую. Облако разогрелось и превратилось в звезду. Когда
температура внутри этой звезды достигла миллионов градусов, начались ядерные
реакции превращения водорода в гелий путем объединения четырех ядер водорода в
ядро гелия. Этот процесс сопровождался выделением энергии. Однако, в - силу
ограниченности запасов водорода ядерные реакции в какой-то период времени
приостановились, давление внутри звезды стало ослабевать и уже ничто не препятствовало
силам гравитации. Звезда начала сжиматься. Это вызвало новый подъем температуры
и гелий стал превращаться в углерод. Но поскольку гелий горит быстрее водорода,
тепловое давление, преодолев силы гравитации, привело к тому, что звезда снова
начала расширяться. На этот период она состояла из ядра, в котором горел гелий,
и гигантской оболочки, состоящей преимущественно из водорода. Ядра гелия при
этом объединялись с ядрами углерода, а затем неона, магния, кремния, серы и т.
д. Когда в звездах догорают остатки ядерного горючего, некоторые звезды
взрываются. Во время взрыва происходит синтез тяжелых химических элементов.
Небольшая их часть, смешиваясь с водородом, выбрасывается в Космос.
Образующиеся из этих выбросов звезды с самого начала содержат не только
водород, но и тяжелые элементы. Вот из такого выброса, примерно, 5 млрд. лет
назад образовалась и солнце. Оставшаяся при этом часть газово-пылевого облака
удерживалась гравитационными силами, и вращалось вокруг Солнца. Его наиболее
близкая к Солнцу часть сильно согревалась, поэтому из нее улетучивался газ, а
из оставшейся части газово-пылевой материи образовались такие планеты, как
Земля, Марс, Меркурий и Венера.
Таким образом,
образование химических элементов в недрах. Звезд - это
закономерный процесс эволюции материи. Однако, для дальнейшей эволюции в
направлении возникновения и развития жизни необходимы условия, благоприятные
для развития жизни. Таких требуемых условий несколько. Установлено, что жизнь
может развиваться на планете, масса которой не будет превышать определенной
величины. Так, если масса планеты превысит 1/20 часть Солнца, на ней начнутся
интенсивные ядерные реакции, поднимется температура и она начнет светиться. В
то же время планеты с малой массой, типа Луны и Меркурия, в силу слабой
интенсивности тяготения не способны удерживать в течение длительного времени
атмосферу, необходимую для развития жизни. Из шести планет солнечной системы
этому условию отвечает только Земля и в меньшей степени Марс.
Наиболее
общепризнанной в настоящее время является гипотеза А.И. Опарина,
выдвинутая им в 1924 году. Сущность ее состоит в том, что жизнь на Земле
явилась следствием процесса усложнения химических соединений до уровня
возникновения абиогенным путем органических соединений и образования живых
организмов, находящихся во взаимодействии с окружающей средой. То есть жизнь -
это результат химической эволюции на нашей планете. Позже в 1929 году
аналогичное предположение было выдвинуто и английским ученым Дж. Холдейном. В
соответствии с гипотезой Опарина - Холдейна в происхождении жизни на Земле
можно выделить шесть основных этапов:
1. Образование
первичной атмосферы из газов, послуживших основой для синтеза органических
веществ.
2. Абиогенное
образование органических веществ (таких мономеров, как аминокислоты,
мононуклеотиды, сахара).
3. Полимеризация
мономеров в полимеры - полипептиды и полинуклеотиды.
4. Образование
протобионтов - предбиологических форм сложного химического состава, имеющих
некоторые свойства живых существ.
5. Возникновение
примитивных клеток.
6. Биологическая
эволюция возникших живых существ.
Так, в 1953 году
американский ученый Стэнли Миллер и Г Юри, моделируя условия, предположительно
существовавшие на первобытной Земле, показали возможность абиогенного синтеза,
то есть без участия живых организмов органических веществ таких, как:
аминокислоты, карбоновые кислоты азотистые основания, АТФ. В качестве источника
энергии они использовалм электрические разряды. Сходные результаты были
получены отечественными учеными А. Г Патынским и Т. Е. Павловской под действием
ультрафиолетовых лучей, количество которых на начальных этапах существования
Земли, вероятно, было значительно больше.
Образующиеся
абиогенным путем органические вещества накапливались в водах мирового океана,
образуя "первичный бульон", а также адсорбировались на поверхности
глиняных отложений, что создавало условия для их полимеризации. Вторым этапом в
зарождении жизни на Земле стала полимеризация низкомолекулярных органических
соединений, образующих полипептиды.
Известно, что
реакции полимеризации не идут при обычных условиях. Однако, как показали
исследования, полимеризация может происходить при замораживании или при
нагревании "первичного бульона".
Следующим шагом по
пути возникновения жизни стало образование фазовообособленных открытых систем -
коацерватов, которые можно рассматривать как предшественников клеток -
протобионтов. По мнению А. И. Опарина этот процесс происходил в силу
присущей всем высокомолекулярным веществам способности самопроизвольно
концентрироваться не в виде осадка, а в виде отдельных капель
высокомолекулярных веществ - коацерватов в присутствии электролитов. Благодаря более
высокой концентрации органических веществ в коацерватах, а, следовательно,
более тесному расположению их молекул, резко увеличивалась возможность их
взаимодействия и расширялись возможности органического синтеза.
Коацерваты
проявляют свойства, внешне напоминающие свойства живых систем. Они могут
поглощать из окружающей среды различные вещества, что напоминает питание. В
результате поглощения веществ коацерваты увеличиваются в размере, что
напоминает рост организмов. При некоторых условиях вступающие в химические
реакции вещества могут выделять в окружающую среду свои продукты. Крупные
коацерватные капли могут распадаться на более мелкие, что напоминает
размножение. Между ними происходят взаимодействия, напоминающие борьбу за
существование. Таким образом, коацерваты некоторым свойствам внешне напоминают
живые образования. Однако, в них отсутствует основной признак живого - это
генетически закрепленная способность воспроизведения себе подобных и
упорядоченный обмен с окружающей средой.
Первые организмы были
гетеротрофами, поглощающими органические вещества первичного океана. Однако по
мере размножения организмов запасы органических веществ иссякали, а синтез
новых не поспевал за потребностями. Началась борьба за пищу, когда выживали
более стойкие и более приспособленные.
Случайно
приобретаемые в результате наследственной изменчивости особенности строения и
обмена веществ привели к появлению первых клеток. При этом в условиях все
уменьшающихся запасов органических веществ у некоторых организмов возникла способность
к самостоятельному синтезу органических веществ из простых неорганических
соединений окружающей среды. Энергию, необходимую для этого, некоторые
организмы стали освобождать путем простейших химических реакций окисления и
восстановления. Так возник хемосинтез. Позже на базе наследственной
изменчивости и отбора возник такой важный ароморфоз, как фотосинтез.
Таким образом, у части живых существ произошла переориентировка на усвоение
энергии Солнца. Это были прокариоты типа сине-зеленых водорослей и бактерий. И
лишь 1500 млн. лет назад возникли первые эукариоты - как гетеротрофные, так и
аутотрофные организмы, давшие начало современным группам живых существ.
С развитием
фотосинтеза в атмосфере стал накапливаться свободный кислород и возник новый
путь освобождения энергии - Кислородное расщепление. Кислородный процесс в 20
раз эффективнее бескислородного, что создало предпосылки к быстрому
прогрессивному развитию организмов.
Основные вехи
истории жизни на Земле, знаменующиеся грандиозными геологическими событиями,
обозначаются эрами и периодами. Их возраст определяется методом радиоактивных
изотопов. В геологической истории граница между эрами и периодами наиболее
резко разделяется кембрийским периодом палеозойной эры. Предшествующее этому
периоду время называют докембрием, а оставшиеся 11 периодов от кембрия и до
современности объединяется общим названием фанерозой ( в переводе с греческого
«эра явной жизни»).
Одной из
особенностей развития жизни на нашей планете является все возрастающий темп
эволюции живых организмов.
Развитие природы на
протяжении последних 1,5-2 млн. лет происходило при постоянно возрастающем
влиянии на нее человеческого общества. Этот период называется четвертичным или
антропогеном.
Появлению
современного человека (Homo sapiens sapiens) предшествовало несколько видов
человекообразных существ – гоминоидов и первобытных людей – гоминидов. При этом
биологической эволюции человека сопутствовало развитие культуры и цивилизации.
http://murzim.ru/nauka/biologiya/24258-sovremennye-predstavleniya-o-vozniknovenii-zhizni-na-zemle.html
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.