Реферат: Происхождение жизни: абиогенез и панспермия. Гиперцикл. Геохимический подход к проблеме

С общепланетарной точкизрения жизнь следует рассматривать как способ стабилизации существующих напланете геохимических циклов.

Что же касаетсяпроисхождения жизни на Земле, то обычно проблему, ещё со времён Геккеля, сводятк чисто химической задаче: как синтезировать сложные органические макромолекулы(белки и нуклеиновые кислоты) из простых (метана, аммиака, сероводорода и пр.),которые составляли первичную атмосферу Земли. Следует честно признать, что дажеэта, в общем-то техническая, задача чрезвычайно далека от своего разрешения. В20-ые годы А. И. Опарин и Дж. Холдейн экспериментально показали, что врастворах высокомолекулярных органических соединений могут возникать зоныповышенной их концентрации – коацерватные капли, которые вопределённом смысле ведут себя подобно живым объектам: самопроизвольно растут,делятся и обмениваются веществом с окружающей их жидкостью через уплотненнуюповерхность раздела. Затем, в 1953 г., С. Миллер воспроизвёл в колбе газовыйсостав первичной атмосферы Земли и при помощи электрических разрядов,имитирующих грозы, синтезировал в ней ряд органических соединений – в том числеаминокислоты. Через некоторое время С. Фоксу удалось соединить последние вкороткие регулярные цепи – осуществить безматричный синтез полипептидов;подобные полипептидные цепи были потом реально найдены, среди прочей простойорганики, в метеоритном веществе. Этим, собственно говоря, и исчерпываютсяреальные успехи, достигнутые в рамках концепции абиогенеза.

В качестве альтернативыабиогенезу выступила концепция панспермии, связанная с именами таких выдающихсяучёных, как Г. Гельмгольц, У. Томпсон, С. Аррениус, В. И. Вернадский. Этиисследователи полагали, что жизнь столь же вечна и повсеместна, как материя, изародыши её постоянно путешествуют по космосу; Аррениус, в частности, доказалпутём расчётов принципиальную возможность переноса бактериальных спор с планетына планету под действием давления света; предполагалось также,что вещество Земли в момент её образования из газопылевого облака уже было инфицировановходившим в состав последнего «зародышами жизни».

Концепцию панспермии обычно упрекают в том,что она не даёт принципиального ответа на вопрос о путях происхожденияжизни и лишь отодвигает решение этой проблемы на неопределённый срок. При этоммолчаливо подразумевается, что жизнь должна была произойти в некоторойконкретной точке Вселенной и далее расселяться по космическому пространству –подобно тому, как вновь возникшие виды животных и растений расселяются по Землеиз района своего происхождения; в такой интерпретации гипотеза панспермиивыглядит по сути просто уходом от решения поставленной задачи. Однакодействительная суть этой концепции заключается вовсе не в романтическихмежпланетных странствиях «зародышей жизни», а в том, что жизнь как таковаяпросто является одним из фундаментальных свойств материи, и вопрос о«происхождении жизни» стоит в том же ряду, что и. Например, вопрос о«происхождении гравитации». Однако все попытки обнаружить живые существа (илиих ископаемые остатки) вне Земли, и прежде всего в составе метеоритноговещества, так и не дали положительного результата. Это заставляет сделатьвывод, что панспермия, так же как абиогеноз, не даёт удовлетворительного ответана вопрос о возникновении жизни на Земле.

Реальный прорыв в этойобласти обозначился лишь в последние 20-25 лет, и связан он был с приложением кпроблеме возникновения жизни теории самоорганизующихся систем. Самоорганизующейсяназывают такую систему, которая обладает способностью корректировать своёповедение на основе предшествующего опыта. Следует сразу оговорить, чтопри этом было строго показано, что рассмотрение процессов развитияпринципиально не возможно в рамках классической термодинамики.

М. Эйген выдвинулконцепцию образования упорядоченных макромолекул из неупорядоченного веществана основе матричной репродукции и естественного отбора. Онначинает с того, что дарвинский принцип естественного отбора (ЕО) – единственныйпонятный нам способ создания новой информации. Если имеетсясистема самовоспроизводящихся единиц, которые строятся из материала,поступающего в ограниченном количестве из единого источника, то в ней снеизбежностью возникает конкуренция и, как её следствие, ЕО.Эволюционное поведение, управляемое ЕО, основано на самовоспроизведении с«информационном шумом» (изменениями). Наличие этих двух физических свойствдостаточно, что бы стало принципиально возможным возникновение системы с прогрессирующейстепенью сложности.

Итак, Эйгену«всего-навсего» осталось найти реальный класс химических реакций, компонентыкоторых вели бы себя подобно дарвинским видам, т. е. обладали быспособностью «отбираться» и, соответственно, эволюционировать всторону увеличения сложности организации. Именно таким свойством обладают нелинейныеавтокаталитические цепи, названные им гиперциклами.

Гиперциклы, одним изпростейших примеров которых является размножение РНК-содержащего вируса вбактериальной клетке, обладают рядом уникальных свойств, порождающих дарвинскоеповедение системы. Гиперцикл конкурирует с любойсамовоспроизводящейся единицей, не являющейся его членом. Он не может стабильнососуществовать и с другими гиперциклами, если только не объединён с ними вавтокаталитический цикл следующего, более высокого порядка. Состоя из самостоятельныхсамовоспроизводящихся единиц, он обладает и интегрирующими свойствами.Таким образом, гиперцикл объединяет эти единицы в систему, способную к согласованнойэволюции, где преимущества одного индивида могут использоваться всемиеё членами, причём система как целое продолжает интенсивно конкурировать слюбой единицей иного состава.

Эта концепция, вчастности, вполне удовлетворительно описывает возникновение на основе взаимногокатализа системы «нуклеиновая кислота-белок» — решающие событие в процессевозникновения жизни на Земле. Вместе с тем сам Эйген подчёркивает, что в ходереальной эволюции гиперцикл вполне мог «вымереть».

Однако на процессвозникновения жизни можно посмотреть и с несколько иной позиции, небиохимической, а геохимической, как это делает, например, А. С. Раутиан. Мы ужеговорили о том, что с общепланетарной точки зрения жизнь – это способ упорядоченияи стабилизации геохимических круговоротов; откуда же берётся самгеохимический круговорот?

Открытый космос холоден(лишь на 4 0С теплее абсолютного нуля) потому, что концентрациявещества в нём ничтожно мала, и звёздам просто нечего нагревать; по этой же самой причине Вселеннаяпрозрачна, и мы видим небесные светила. В то же время любая планета, будучинепрозрачной. Аккумулирует часть энергии, излучаемой центральным светилом, и нагревается,и тогда между нагретой планетой и холодным космосом возникает температурныйградиент (ТГ). Если планета обладает при этом достаточно подвижнойгазообразной или жидкой оболочкой, то ТГ с неизбежностью порождает в ней –просто за счёт конвекции – физико-химический круговорот. В этот круговорот снеизбежностью же вовлекается и твёрдая оболочка планеты, в результате чеговозникает глобальный геохимический цикл – прообраз биосферы.

Итак, движущей силойгеохимических круговоротов является в конечном счёте энергия центральногосветила в форме ТГ. Поэтому элементарные геохимические циклы существуют вусловиях периодического падения поступающей в них энергии – в те моменты, когдаони в результате вращения планеты оказываются на её теневой стороне, где ТГменьше. Эта ситуация должна порождать отбор круговоротов на стабильность,т. е. на их способность поддерживать собственную структуру. Наиболее жестабильными окажутся те круговороты, что «научатся» запасать энергию во времясветовой фазы цикла, с тем, чтобы расходовать её во время теневой. Другимпараметром отбора круговоротов, очевидно, должно быть увеличение скорости оборотавовлечённого в них вещества; здесь выигрывать будут те из круговоротов, чтообзаведутся наиболее эффективными катализаторами. В конкретных условиях Землитакого рода преимущества будут иметь круговороты, что происходят при участии высокомолекулярныхсоединений углерода.

Итак, жизнь в формехимической активности означенных соединений оказывается стабилизатором икатализатором уже существующих на планете геохимических циклов; циклы при этом«крутятся» за счёт внешнего источника энергии. Это напоминает автокаталитическуюсистему, которая обладает потенциальной способностью к саморазвитию ипрежде всего к совершенствованию самих катализаторов-интермедиантов. Отсюдастановится понятным парадоксальный вывод, к которому независимо друг от другаприходили такие исследователи, как Дж. Бернал и М. М. Камшилов: жизнь какявление должна предшествовать появлению живых существ.

Министерствообразования Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственныйинженерно-экономический университет

«Происхождение жизни: абиогенез и панспермия. Гиперцикл. Геохимическийподход к проблеме».

Работу выполнила: Работу принял:
Туманова Анна Скобочкин гр. 311, II курс Виктор Ефимович

Санкт-Петербург

2002

еще рефераты

Еще работы по биологии