Возникновение жизни на Земле

Реферат по биологи

Тема: «Возникновение жизни на Земле».

                                           Выполнила:

                                           Ученица 10 «в» класса Федотова Е.

                                           Руководитель:

                                           Учитель биологи Латушко Е.В.

Воскресенск.

                              2008/2009уч.г.

План.

Вступление.

Теории представление о возникновении жизни.

Теория креационизма

Доктрина абиогенеза.

Теория стационарного состояния

Теория панспермии

Химическая эволюция.

а) молекулы первожизни.

б) эволюция в пробирке.

                                     III.         Заключение.

                              Приложение.

    ВСТУПЛЕНИЕ

          Жизнь – одно из сложнейший явлений природы. Со времён глубокой древности она казалась людям таинственной и непознаваемой. Приверженцы религиозных идеалистический взглядов считали жизнь духовным, нематериальным началом, возникшим в результате божественного творения.

          Вопрос возникновения и развития жизни на нашей планете ― одна из наиболее сложных и в то же время интересных в современном естествознании. С древнейших времён он занимал человечество и был предметом споров не одного поколения учёных. Не только биологи, но и химики, физики, геологи, философы до сего дня принимают активное участие в поисках ответа на него. Это объясняется тем, что решение данной проблемы имеет не только научное, но и мировоззренческое значение.

                  Основная трудность связана с невозможностью проведения прямого  

      эксперимента по возникновению  жизни. Учёные могут  лишь моделировать те  

     условия  и процессы, которые, по их мнению, могли в конечном счёте привести к  

     появлению жизни на нашей планете. Однако недостаточность наших знаний

     приводит к тому, что мнения учёных по отдельным вопросам не только не

     совпадают, но и бывают противоположными.

                Различные представления о возникновении жизни можно объединить в пять гипотез:

 креационизм ― Божественное сотворение живого;

 самопроизвольное зарождение ― живые организмы возникают самопроизвольно из неживого вещества;

  гипотеза стационарного состояния ― жизнь существовала всегда;

  гипотеза панспермии ― жизнь занесена на нашу планету извне;

  гипотеза биохимической эволюции ― жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам.              

       Проблема возникновения жизни на Земле издавна не даёт покоя многим учёным. С тех пор, как человек начал задаваться  вопросом, откуда произошло  всё живое прошло много лет, и за всё это время рассматривалось множество гипотез и предположений о зарождении жизни.  Эта проблема актуальна и сегодня. Для того, чтобы попробовать решить этот вопрос нужно исследовать каждую теорию в отдельности и проанализировать полученную информацию.

Креационистское представление о возникновении жизни.

Согласно креационизму, возникновение жизни на земле не могло осуществиться естественным, объективным, закономерным образом; жизнь является следствием божественного «творческого акта».

        В Священной  Книге Библии описано сотворение мира по Слову Бога:

«В начале сотворил Бог небо и землю.

Земля же была безвидна и пуста, и тьма над бездною; и Дух Божий носился над водою.

И сказал Бог: да будет свет. И стал свет.

И увидел Бог свет, что он хорош; и отделил Бог свет от тьмы.

И назвал Бог свет днём, а тьму ночью. И был вечер, и было утро: день один.

И сказал Бог: да будет твердь посреди воды, и да отделяет она воду от воды.

И создал Бог твердь; и отделил воду, которая под твердью, от воды, которая над твердью. И стало так.

И назвал Бог твердь небом. И был вечер, и было утро: день второй.

И сказал Бог: да соберётся вода, которая под небом, в одно место, да явится суша. И стало так.

И назвал Бог сушу землёю, а собрание вод назвал морями. И увидел Бог, что это хорошо.

И сказал Бог: да произрастит земля, зелень, траву, сеющую семя по роду своему плод, древо плодовитое, приносящее по роду своему плод, в котором семя его по роду его. И увидел Бог, что это хорошо.

И был вечер, и было утро: день третий.

И сказал Бог: да будут светила на тверди небесной для отделения дня от ночи, и для знамений, и времён, и дней, и годов;

И да будут они светильниками на тверди небесной, чтобы светить на землю. И стало так.

И создал Бог два светила великие: светило большее для управления днём, и светило меньшее для управления ночью, и звёзды;

И поставил их Бог на тверди небесной, чтобы светить на землю.

И управлять днём и ночью, и отделять свет от тьмы. И увидел Бог, что это хорошо.

И был вечер, и было утро: день четвёртый.

И сказал Бог: да произведёт вода пресмыкающихся, душу живую; и птицы да полетят над землею, по тверди небесной.

И сотворил Бог рыб больших и всякую душу животных пресмыкающихся, которых произвела вода, по роду их, и всякую птицу пернатую по роду её. И увидел Бог, что это хорошо.

И благословил их Бог, говоря: плодитесь и размножайтесь, и наполняйте воды в морях, и птицы да размножаются на земле.

И был вечер, и было утро: день пятый.

И сказал Бог: да произведёт земля душу живую по роду её, скотов, и гадов, и зверей земных по роду их. И стало так.

И создал Бог зверей земных по роду их, и скот по роду его, и всех гадов земных по роду их. И увидел Бог, что это хорошо».  

Вся земля, сотворённая Словом всемогущего Создателя, озарённая сиянием ласкового солнца, дышало покоем и дивной красотой. Но это не было ещё концом творения. Бог решил создать людей, чтобы они жили в этом прекрасном мире и имели общение со своим Творцом.

(Бытие1:1-25)

ископаемые.

        Против «научного креационизма» выступают многие священники, считая его не научным и не религиозным, а скорее идеологическим течением. Священники полагают, что верующие постигают истину через Божественное откровение и веру, а поэтому им не нужны доказательства Божественного возникновения жизни.

        Главный принцип научного метода ― «ничего не принимать на веру». Следовательно, логически не может быть противоречия между научным и религиозным объяснением возникновения жизни, так как эти две сферы мышления взаимно исключают одна другую.

Само творение, поскольку оно в настоящий момент не происходит, заявляют креационисты, может стать объектом научных наблюдений.

Доктрина абиогенеза.

          У самых истоков культуры древней Греции на смену мистическим истолкованием природы приходят начало научных исследовании. В тот период появилась и стала развиваться доктрина абиогенеза, или спонтанного самозарождения. В соответствии с этой доктриной признавалось, что живые организмы образуются самопроизвольно из неживого материала.

         Эмпедокл (490–430 гг. до н.э.)  полагал, что первые живые существа возникли из четырёх элементов мировой материи (огонь, воздух, вода и земля) и что для природы характерно закономерное развитие, выживание тех организмов, которые наиболее гармонично (целесообразно) устроены.

        Эти взгляды были очень важны для дальнейшего распространения мысли о естественном происхождении живых существ.

        Демокрит (460–370 гг. до н.э.) считал, что мир состоит из множества мельчайших частиц, которые находятся в движении, и что жизнь является не результатом творения, а следствием действия механических сил самой природы. По Демокриту, самовыражение живых существ происходит из ила и воды, когда мельчайшие частицы влажной земли встречаются и соединяются с атомами огня. Самозарождение представлялось случайным процессом.

       Платон (427–347 гг. до н.э.) предполагал, что черви, клещи и другие организмы возникают из росы, ила, навоза, волос, пота, мяса, моллюска ― из влажной земли, а рыбы ― из морской тины и так далее. Он утверждал, что живые существа образуются в результате соединения пассивной материи с активным началом (формой), представляющим собой душу, которая затем движет организмом.

       Аристотель считал, что растения и животные возникают из неживого материала, в частности из разложившегося мяса. Признавая реальность материального мира и постоянство его движения, а так же сравнивая организмы между собой, Аристотель пришел к выводу о существовании «лестницы природы», на нижней ступени которой располагаются неорганические тела, а организмы по мере их усложнения занимают всё более высокие ступени (растения – губки и асцидии – свободноживущие морские организмы) . Однако вопреки признанию собственно развития во взглядах Аристотеля не было мысли о развитии низших организмов к высшим.

         Воззрения Аристотеля оказали влияния на века, так как последующие греческие и римские философские школы полностью разделяли идею самопроизвольного зарождения, которая  всё больше и больше наполнялась мистическим содержанием. Описания различных случаев самозарождения даны Цицероном, Вергилием, Овидием, позднее Сенекой, Плинием, Плутархом и Апулеем. Идея изменяемости органического мира прослеживается во взглядах древних философов Индии, Китая, Месопотамии, Египта.

        В течение средних веков (V-XV вв.) вера в самопроизвольное самозарождение господствовало среди учёных того времени, ибо философская мысль тогда могла существовать лишь в качестве богословской мысли. По этому сочинения средневековых  учёных содержат многочисленные описания самозарождения таких животных, как насекомые, черви и рыбы. Более того, считали даже, что львы возникли из камней пустыни.

        У.Гарвей допускал, что черви, насекомые и другие животные могли зарождаться в результате гниения, но при действии особых сил.

        Ф.Бэкон (1561-1626) считал, что мухи, муравьи и лягушки могут самопроизвольно возникать при гниении, однако к вопросу подходил материалистически, ибо отрицал существование непреодолимой грани межу неорганическим и органическим.

         Р.Декарт признавал самопроизвольное зарождение, однако отрицал участие в нём духовного начала. По Р.Декарту, самозарождение ― это естественный процесс, имеющий место при определённых «не понятных» условиях. Качественное разнообразие в природе он пытался свести к движению материи.  

    В 1665 году Ф.Реди (1626-1697) представил научные доводы против взглядов Аристотеля и доктрины абиогенеза. Проделав ряд экспериментов с мясом и мухами, Ф.Реди пришёл к заключению, что личинки, которые обнаруживаются в гниющем мясе, являются личинками насекомых и что такие личинки никогда не возникнут, если мясо поместить в закрытый сосуд, недоступный для насекомых для насекомых, то есть для откладывания ими яиц. Этими экспериментами Ф.Реди опроверг доктрину самозарождения высших организмов из неживого материала. Однако в материалах и рассуждениях Ф.Реди не исключалась мысль о спонтанном самозарождении микроорганизмов. Следовательно, сама идея самозарождения ещё продолжала существовать.

         В 1765 году Л.Спалланцани (1729-1799) во многих опытах показал, что формирование микробов в растительных и мясных настоях исключается кипячением последних. Л.Спалланцани выявил также значение времени кипячения и герметичности сосудов. Его заключения сводилось к тому, что если герметична закрытые сосуды с настоями кипятить достаточно долго и исключить проникновение в них воздуха, то в таких настоях микроорганизмы никогда не возникнут. Сторонники самозарождения утверждали, что «жизненная сила», находящаяся в воздухе, от высокой температуры разрушается, а так как сосуд запаян, то и самозарождение не возможно невозможно. Поэтому идею самозарождения жизни продолжали защищать многие выдающиеся философы и естествоиспытатели (Кант, Гегель, Гей-Люссак и другие).

         В1861-1862 годах Л.Пастер представил развёрнутые доказательства невозможности самозарождения жизни в настоях и растворах органических веществ. Он кипятил бульон в колбах с длинным S-изогнутым кончиком, в котором оседали все споры микроорганизмов, содержащиеся в воздухе, поступавшем в колбу после кипячения. Хорошо прокипячённая питательная среда оставалась стерильной, хотя доступ воздуха с «жизненной силой» был обеспечен, но стоило смочить бульоном изогнутое колено, как в колбе начиналось интенсивное размножение микроорганизмов. Так он показал, что воздух содержит бактерии что эти бактерии являются источником загрязнения всех растворов. Исследования Л.Пастера произвели огромное впечатление на современников.

Теория панспермии.

Существуют многочисленные вариации того, как именно жизнь попала на Землю, и самая известная из них ― теория панспермии.

В начале XX века шведский учёный С.Аррениус (1859-1927) сформулировал эту гипотезу.

Согласно ей жизнь широко распространена в межзвёздном пространстве, но поскольку там нет условии для развития, живая материя превращается в спермии, или споры, и таким образом перемещается по космосу. Миллиарды лет назад кометы занесли спермий на Землю, где сложилась благоприятная для их раскрытия среда. Спермии ― это мелкие зародыши, способные выдержать большие перепады температур, космическое излучение и другие губительные для живого фактора внешней среды. Как предположил английский астроном Ф.Хойл, на роль спермий подходят межзвёздные пылевые частицы, среди которых могут быть бактерии в графитовой оболочке.

    На сегодняшний день спермии в космосе не обнаружены.

Химическая эволюция.

     Традиционно происхождение жизни рассматривают в виде процесса образования живых форм (необиогенез) из неорганических веществ, то есть в виде химической эволюции. В наше время абиогенезу противопоставлена концепция постепенного возникновения и развития живой материи в течение длительного времени. Эта концепция получила название археобиоза, или археогенеза.

     Общепризнанной теорией происхождения жизни является теория, впервые предложенная А.И.Опариным (1894-1980)  ещё в 1924 году в его «Происхождение жизни». В дальнейшем эта теория подвергалась неоднократным уточнениям со стороны А.И.Опарина. В соответствии с теорией  жизнь ― это результат исторического односторонне направленного развития путём постепенного усложнения примитивных органических субстанции до многокомпонентных систем, обладающих свойствами живого. В происхождении жизни А.И.Опарин выделял несколько стадий.

      На первой стадии имело место абиогенное образование из неорганических веществ карбидов (соединений углерода с металлами) и графита. Из карбидов и графита затем синтезировались и простейшие углеводороды (4-4,5 млрд. лет тому назад).

      На второй стадии углеводороды попадали в первичную атмосферу Земли, где они реагировали с водяными парами, аммиаком, водородом, метаном и другими газами в среде, содержащей очень мало кислорода. Эти реакции интенсифицировались коротковолновым УФ ― излучением и электрическими разрядами. Под влиянием солнечных лучей вода разлагалась на кислород и водород. Последний улетучивался, тогда как кислород окислял аммиак до молекулярного азота, а углеводороды ― до спиртов, альдегидов, кетонов и органических кислот. Эти вещества с дождями выпадали из влажной холодной атмосферы в моря и океаны. Накапливаясь там, они благодаря абиогенной полимеризации и конденсации приближались по строению к тем химическим соединениям, которые входят в состав живых организмов. Вода морей и океанов становилось «первичным бульоном».

Близкие взгляды развивал Н.Г.Холодный (1882-1953). По его мнению, вначале образовались карбиды. При взаимодействии их с водяными парами синтезировались углеводороды, а за тем из последних в результате  окисления ― органические кислоты, спирты и так далее. Однако жизнь, как предполагал Н.Г.Холодный, возникла не в мировом океане, а в мелководьях после появления суши, что способствовало концентрации органических веществ и формированию коацерватов. Превращение пробиотических структур (пробионтов) в примитивные организмы произошло в связи с окончательным высыханием суши.

Эволюция в пробирке.

Большинство учёных сходятся во мнении, что около 4 миллиардов лет назад атмосфера Земли представляла собой в основном смесь паров воды, метана, углекислого газа, водорода и аммиака. Из-за отсутствия кислорода ультрафиолетовое излучение Солнца было тогда гораздо интенсивнее современного, так как на его пути не было защитного озонового слоя. Как предположили учёные, перечисленных химических компонентов могло быть вполне достаточно, чтобы под воздействием солнечного ультрафиолетового излучения или электрических разрядов проходили химические реакции.

В 1953 году американский исследователь Стенли Миллер поставил несложный эксперимент. В собранной им установке он создал условия, схожие с атмосферой молодой Земли. Пропуская через полученную газово-водяную смесь электрические разряды, Миллер обнаружил, что через несколько суток образовалось множество органических молекул и, что самое важное, среди них присутствовали сахара и простейшие аминокислоты. Через несколько лет было показано, что при добавлении в газовую смесь цианидов (которые также вполне могли присутствовать в атмосфере молодой Земли) можно получить и азотистые основания, участвующих в построении нуклеотидов. Таким образом была экспериментально продемонстрирована возможность синтеза «исходного материала» для нуклеиновых кислот и белков.

Однако у подобных экспериментов есть несколько «узких мест», споры по которым не утихли до сих пор. Во-первых, некоторые учёные сомневаются в том, что относительно высокие концентрации цианидов и метана, применявшиеся в экспериментах Миллера и его последователей, могли быть достижимы в условиях молодой Земли. Во-вторых, количество сахара рибозы, производимой в ходе таких опытов и совершенно необходимой для построения РНК, было ничтожно мало. В-третьих, кроме «нормальных» азотистых оснований и сахаров получались и побочные продукты, которые могли мешать образованию «стандартных» нуклеотидов и молекул РНК.

Последователи теории РНК-мира пытаются усовершенствовать реакции и подобрать условия, позволяющие преодолеть указанные недостатки. Например, удалось добиться, чтобы именно рибоза являлась преобладающим сахаром в продуктах одной из таких модифицированных реакций.

Следующие уязвимое место теории  ―  возможность образования нуклеотидов из азотистых оснований, рибозы и фосфатов. Оказалось, что эффективность таких реакций и вероятность случайного синтеза «правильных» нуклеотидов очень мала.

Но допустим, что каким-то образом благодаря особым условиям, существовавшим на первобытной Земле, эти препятствия могли быть преодолены и в распоряжении Природы имелся достаточный запас нуклеотидов. Могли ли они спонтанно объединяться в хотя бы небольшие, короткие отрезки нуклеиновых кислот? Эксперименты свидетельствуют, что в водной фазе такое событие чрезвычайно маловероятно. И даже если это происходит, большинство таких цепочек неверно строит свой сахарофосфатный остов.

Выходом из данной ситуации, как считают, мог стать так называемый твёрдофазный синтез, когда реакции объединения нуклеотидов в цепочки проходят не в растворе, а на поверхности какого-либо твёрдого вещества. На первобытной Земле возможные кандидаты для «твёрдой фазы»― минеральные породы в глубине океана такие, как карбонат кальция, каолинит, цеолиты, монтмориллонит. Твёрдая минеральная подложка не только способствует правильной ориентации нуклеотидов относительно друг друга, но и стабилизирует структуру образующегося олигонуклеотида. Кроме того, минеральные породы, возможно, могли активно накапливать нуклеотиды и образующиеся цепочки, позволяя им тем самым чаще встречаться и вступать в химические реакции.

Как показали результаты исследований, в таких условиях короткие цепочки могли объединяться в более длинные, состоящие из 20-30 звеньев, а это уже давало основание для опять-таки случайного, некаталитического образования первых рибозимов. Какими же свойствами должен был обладать первый появившийся РНК-фермент? Как раз на этом этапе учёных подстерегало ещё одно труднопреодолимое препятствие.

Хотя выяснить, как всё происходило на самом деле, нам вряд  ли удастся, можно с уверенностью полагать, что основным свойством появившихся рибозимов должна была быть способность к ферментативному воспроизводству «копированию» окружавших их молекул РНК. В этом случае многократно повышалась бы скорость синтеза (а значит, и концентрация в окружающей среде) молекул РНК. Из некоторых впоследствии могли получиться  рибосомы с другими полезными для эволюции свойствами, например со способностью направленному синтезу нуклеотидов или аминокислот. Копируя всё (или некоторые) молекулы РНК, такой ключевой рибозин (он называется РНК-репликазой) мог бы воспроизводить и собственные копии. Таким образом мог возникнуть самодостаточный и самовоспроизводимый мир РНК. Однако доказать такую возможность оказалось очень непросто.

Дело в том, что первые рибозимы, открытые Чеком и Альтманом, могли производить лишь одну операцию:  вырезание и сшивку определённых участков в… самих себе. Эта процедура критически необходима для процесса так называемого «созревания РНК». Через несколько лет учёные продемонстрировали способность рибозимов к соединению аминокислот в белках. Однако сколько ни бились последователи теории РНК-мира, выделить из клеток или вирусов рибозим,  который мог бы копировать РНК, не удалось. И хотя копирование РНК на РНК-матрице существует у некоторых вирусов, за эту реакцию отвечают только белки

На помощь учёным пришла идея искусственного отбора. Подобно селекционерам животных и растений, они научились «обучать» молекулы РНК не характерным для природных рибозимов способностям и из тысяч и миллионов различных молекул РНК отбирать те, которые лучше справляются с поставленной задачей.

Идея метода, о котором пойдёт речь, зародилась в конце 60-х годов XX века, когда в связи с открытиями бурно развивающейся молодой науки― молекулярной биологии учёные задались целью проверить справедливость эволюционных законов Дарвина для без клеточных систем. Пионером в этом направлении стал американский учёный Сол Шпигельман, который путём искусственного отбора (в пробирке) получил организм, совершенно не похожий на своего «родителя».

Исходным организмом в данном случае служил вирус, состоявший из цепочки РНК и нескольких белков. В пробирке, где вирусу были представлены все необходимые компоненты для синтеза РНК, он через некоторое время изменился до неузнаваемости. То, что получилось в итоге, стали называть «шпигельманским монстром»― так разительно не похож он был на своего предка. И неудивительно: ведь у «монстра» в столь благоприятных условиях больше не было необходимости заражать клетки: всё, что нужно для жизни было у него «под рукой». Необходимость в белках, служащих для внедрения в клетку и размножения внутри неё, отпало. В результате мутаций в пробирке вирусная РНК состоявшая изначально из 4500 нуклеотидов, укоротилась до 220, потеряв при этом все участки, кодировавшие белки вируса. Этот отрезок РНК и был тем «монстром», который накапливался в пробирке в результате высокой скорости своего копирования: ведь чем короче РНК, тем быстрее её можно скопировать и тем больше копий получится в единицу времени.

Важным следствием эксперимента Шпигельмана было то, что в не организма, создав (или убрав) условия для изменчивости и отбора молекул РНК, можно проводить процесс, очень похожий на эволюционный. И хотя в опыте с «монстром» Шпигельман продемонстрировал скорее «деградацию» организма, последователи, развивавшие этот подход, назвали его методом  «эволюции в пробирке» или иначе ― «селекс-методом».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

         Итак, вопрос о возникновении жизни на Земле сводится к выявлению того, как возникла столь универсальная система биохимических превращений, в каких условиях было возможно появление живого вещества и осуществление начальных этапов её развития.

         Теория креационизма ― это гипотеза основанная на вере людей в Бога. В эту теорию возникновения жизни верят и поддерживают до сих пор. В наше время происходит возрождение христианской веры : возведение новых церквей и храмов

        Теорию самозарождения смогли опровергнуть, представив неопровержимые доказательства, проделав множество опытов, поэтому сей час в теорию о том, что живые организмы образуются из неживых материй, например, из гнилого мяса, грязи и другой материи  никто не верит.

       Если рассматривать теорию стационарного состояния, то возникает вопросы  о том, как же жизнь попала на Землю, если жизнь существовала всегда, следует ли отсюда, что жизнь никогда не перестанет существовать и многие другие. В этой теории вопросов больше чем ответов.

         Гипотеза панспермии не предлагает никакого объяснения первичного возникновения жизни, она лишь пытается объяснить появление жизни на Земле. Она не отвечает на вопрос, как возникла жизнь, а переносит эту проблему в какое-то другое место Вселенной. В наше время идёт изучение космоса, метеоритов, планет Солнечной системы, удалось узнать много новой информации и сделать открытия. Эта теория становится  всё боле и более популярной.  

     Химическая теория возникновения жизни описывает процесс создания клетки в условиях молодой Земли. Однако создание РНК, ДНК или белка, из которых в последствии должна была быть образована клетка, мало вероятна.