Реферат: Концепция естествознания

".„Естьчто-то неправдоподобное в динамике эволюции человека, когда прыгающее с веткина ветку животное, в короткий срок сумело стать двуногим, изобрести цветнойтелевизор и даже слетать в космос".

В самом-самом начале, когда ещeничего не было… так ничего и не случилось. Для того чтобы хоть что-топроизошло, должно хоть что-нибудь быть. Поэтому, откуда взялись мельчайшиечастицы, не имеющие массы покоя, типа нейтрино, – неизвестно, но именно такиечастицы, сталкиваясь, теряя энергию движения и объединяясь, до сих пор даютначало тому, что мы называем кварками, квантами, альфа;, бета и т.д.- частицами,корпускулами и так далее и тому подобное. У этих образований тоже иногдаотсутствует масса покоя, но они значительно спокойнее и уже они являютсястроительным материалом для элементов таблицы Менделеева.

Откуда взялисьзвезды, солнце, луна, моря, горы? Что было до нас и что будет после? Что движетжизнью на земле? Подобные вопросы возникают в душе каждого человека. Ученыебосновывают свои теории накопив солидный научный потенциал знаний и хорошосистематизировав его. «Научная картина мира» весьма распространна средисовременных людей, и именно эта точка зрения будет здесь рассмотрена.

Проблема возникновения жизни на Земле издавна недает многим покоя. С тех пор, как человек начал задаваться вопросом, откудапроизошло все живое прошло много лет, и за все это время рассматривалосьмножество гипотез и предположений о зарождении жизни. Религиозная теория,теория самозарождения, теория панспермии, теория вечного существования жизни…Человечество до сих пор не может до конца разгадать эту загадку. За основнуютеорию возникновения жизни, тем не менее, принимается теория, предложенная А.И. Опариным в первой половине ХХ века. Она основана на предположении охимической эволюции, которая постепенно переходит к биохимической, а затем — кбиологической эволюции. Образование клетки явилось сложнейшим явлением. Но онои положило начало развитию жизни и всему ее многообразию. Итак, с чего же всеначиналось?

Жизньзаполняет все уголки нашей планеты. Океаны, моря, озера, реки, горы, равнины,пустыни, даже воздух населены живыми существами. Миллиарды лет жизнь шествуетпо Земле как уникальная самоорганизующаяся система. Она знала периоды расцвета,исторических испытаний и тяжелых кризисов, прежде чем достигла в наши днисвоего великолепного богатства. Сегодня науке известно около 4,5 млн.видов животных и растений. Предполагается, что за всю историю жизни на Землесуществовало около 4,5 млрд. видов животных и растений.

Какже появились эти виды? Во все ли эпохи истории Земли растительный и животныймир был таким, как сейчас?

Длянауки очевидно, что современный животный и растительный мир представляет собойлишь обложку той великой книги, которую изучает палеонтология. Окаменевшие останкиживших некогда существ, которые содержатся в земных пластах, записали историюсвоей эволюции и ее связь с изменениями окружающей среды.

Снезапамятных времен происхождение жизни было загадкой для человечества. Смомента своего появления благодаря труду человек начинает выделяться среди остальныхживых существ. Но способность задавать себе вопрос «откуда мы?» человекполучает сравнительно недавно — 7-8 тыс. лет назад, в начале нового каменноговека (неолита). Первые примитивные формы веры в нереальные, сверхъестественныеили божественные силы, существовавшие уже 35-40 тыс. лет назад, расширяются иукрепляются. Человек понимает, что он смертен, что одни рождаются, а другиеумирают, что он создает орудия труда, обрабатывает землю и получает ее плоды. Ачто же лежит в основе всего, кто первосоздатель, кто создал землю и небо,животных и растения, воздух и воду, день и ночь, и, наконец, самого человека?

Первымвозникло представление о сотворении мира как о «творческом акте» бога, и этотмиф лежит в основе всех религий. В Библии говорится: «В начале Бог создал небои землю»; на четвертый день Бог распоряжается: «Да произведет вода обильноемножество одушевленных гадов, и птицы да летают над землей в небесномпросторе». Вторая часть творения: «И создал Бог Человека по своему образу иподобию». И наконец: «Господь Бог создал женщину из ребра, которое взял отчеловека, и привел ее к человеку» (Бытие, 1:2-31; 2:21-22).

Каксборник различных по времени написания и по содержанию произведенийдревнееврейской культуры Библия (ее древнейшая часть известна с IXв.до н.э.) заимствовала представления о сотворении мира из древневавилонских идревнеегипетских мифов. Эти мифы — продукт чистой фантастики и мистицизма, ноони показывают нам, какими были древние представления о происхождении мира.Впрочем, они властвовали умами людей на протяжении тысячелетий; многие верят вних даже и сегодня.

Древнегреческиефилософы Милетской школы (VIII-VIвв. до н.э.) принимали идею возникновения живых существ из воды либо изразличных влажных или гниющих материалов, что было результатомнепосредственного влияния вавилонской культуры. Но еще Фалес (624-547 гг. дон.э.) оспаривал мифологические представления и создалстихийно-материалистическое мировоззрение с элементами диалектики. Согласно Фалесуи его последователям, возникновение живых существ из воды произошло безкакого-либо вмешательства духовных сил; жизнь есть свойство материи.

Яркоематериалистическое развитие идеи самозорождения живых существ осуществляетсяпозже в трудах Демокрита (460-370 гг. до н.э.) и Эпикура (341-270 гг. до н.э.).По мнению этих философов, возникновение живых существ — естественный процесс,результат природных сил, а не «акта творения» внешних сил.

Аристотель(384-322 гг. до н.э.) признавал бога за высшую форму и перводвигатель. СогласноАристотелю, организмы могут происходить от организмов, но вместе с тем могутвозникать и от неживой материи. Он считает, что материя лишь пассивное начало,возможность, которая может осуществиться только через определенную форму. Бытиесодержит внутреннюю цель развития (энтелехию). По Аристотелю, именно энтелехиякак целеустремленная внутренняя сущность вдыхает жизнь в материю. ВзглядыАристотеля почти на 2000 лет определяют судьбу идеи о самозарождении жизни.

Тольков середине XVII в. тосканский врачФранческо Реди (1626-1698) предпринимает первые опыты по самозарождению. В 1668г. он доказал, что белые черви, которые встречаются в мясе, являются личинкамимух; если мясо или рыбу закрыть, пока они свежие, и предотвратить доступ мух,то они, хотя и сгниют, но не произведут червей.

Сегодняопыты Реди выглядят наивными, но они представляли собой первый прорыв фронтамистических представлений о формировании живых существ.

Почтичерез 200 лет после Реди в 1862 г. великий французский ученый Луи Пастер(1822-1895) публикует свои наблюдения по проблеме произвольного самозарождения.Он доказывает, что внезапное возникновение («спонтанное самозарождение»)микробов в различных видах гниющих настоек или экстрактов не есть возникновениежизни. Гниение и брожение — это результат жизнедеятельности микроорганизмов,чьи зародыши внесены извне. Микробы — сложно устроенные организмы и могутпроизводить себе подобные существа, то есть живое происходит от живого. Как ученый,который доверяет только результатам научных опытов, Пастер не делает глубокихвыводов о происхождении жизни. Однако его исследования окончательно разрушиливековые предрассудки о спонтанном самозарождении.

Крушениеучения о самозарождении привело некоторых известых ученых к мысли, что жизньникогда не возникала, а, как материя или энергия, существовала вечно. Согласноэтому представлению, «зародыши жизни» блуждают в космическом пространстве дотех пор, пока не попадают на подходящую по своим условиям планету — там они идают начало биологической эволюции. Эту идею, высказанную еще в Vв. до н.э. греческим философом Анаксагором, поддерживали Герман ван Гельмгольц(1821-1894) и Уильям Томсон (позднее лорд Кельвин; 1824-1907).

Гельмгольцговорил, что во Вселенной должно существовать много других миров, несущихжизнь, которые время от времени разрушаются при столкновении с другимикосмическими телами, а их обломки с живыми растениями и животными рассеиваютсяв пространстве.

Этаидея была тщательно разработана в 1908 г. шведским химиков Сванте Аррениусом(1859-1927), который назвал свою теорию панспермией. Развивая идеи Гельмгольцаи Кельвина, он высказал несколько собственных соображений, предположив, чтобактериальные споры и вирусы могут уноситься с планеты, где они существовали,под действием электростатических сил, а затем перемещаться в космическое пространствопод давлением света звезд. Находясь в космическом пространстве, спора можетосесть на частицу пыли; увеличив тем самым свою массу и преодолев давлениесвета, она может попасть в окрестности ближайшей звезды и бужет захвачена однойиз планет этой звезды. Таким образом, живая материя способна переноситься спланеты на планету, из одной звездной системы в другую.

Вовторой половине XIX в. такжевысказывается предположение, что жизнь возникла в первичном океане изнеорганического вещества в результате природного процесса.

3мая 1924 г. на собрании Русского ботанического общества молодой советскийученый А. И. Опарин с новой точки зрения рассмотрел проблему возникновения жизни.Его доклад «О возникновении жизни» стал изходной точкой нового взгляда навечную проблему «откуда мы пришли?». Пять лет спусля независимо от Опаринасходные идеи были развиты английским ученым Дж. Холдейном. Общим во взглядахОпарина и Холдейна является попытка объяснить возникновение жизни в результатехимической эволюции на первичной Земле. Оба они подчеркивают огромную рольпервичного океана как огромной химической лаборатории, в которой образовался«первичный бульон», а кроме того, и роль энзимов — органических молекул,которые многократно ускоряют нормальный ход химических процессов. В дополнениек этому Холдейн впервые высказывает идею, что первичная атмосфера на Земле,«вероятно, содержала очень мало или вообще не содержала кислорода».

В1952 г. Гарольд Юри (1893-1981) самостоятельно пришел к выводу, что атмосферамолодой Земли имела восстановленный характер, то есть к завершению процессаформирования Земля имела сильно восстановленную атмосферу, так как ее основнымисоставляющими были водород и полностью восстановленные формы углерода, азота икислорода: метан, аммиак и пары воды. Гравитационное поле Земли не моглоудержать легкий водород, — и он постепенно улетучился вкосмическое пространство. Вторичным следствием потери свободного водорода былопостепенное окисление метана до диоксида углерода, а аммиака — до газообразногоазота, которые через определенное время превратили атмосферу извосстановительной в окислительную. Юри предполагал, что именно в периодулетучивания водорода, когда атмосфера находилась в промежуточномокислительно-восстановительном состоянии, на Земле могло образоваться в большихколичествах сложное органическое вещество. По его оценкам, океан, по-видимому,представлял тогда собой однопроцентный раствор органических соединений. Врезультате возникла жизнь в ее самой примитивной форме.

Первоенеобходимое условие возникновения жизни имеет общекосмический характер. Оносвязано с единой химической основой Вселенной. Жизнь развивается на этой единойоснове, отражающей как количественные, так и качественные особенности отдельныххимических эелементов. Это допущение приводит к заключению, что на любойпланете во Вселенной, которая похожа на нашу по массе и расположениюотносительно центральной звезды, может возникнуть жизнь. «Согласно представлениямвидного американского астронома Х.Шепли, во Вселенной имеется 108космических тел (планет или звезд-лилипутов), на которых может возникнуть исуществовать жизнь».[1]

Главноеусловие возникновения жизни имеет планетарную причину и определяется массойпланеты, то есть жизнь, подобная земной, могла возникнуть и развиться напланете, масса которой имеет строго определенную величину. Если масса планетыбольше чем 1/20 массы Солнца, на ней начинаются интенсивные ядерные реакции,что повышает ее температуру, и она светится, как звезда.

Изпланет Солнечной системы кроме Земли подходящую массу имеют Венера и Марс, нотам отсутствуют другие условия.

Особенноважным условием возникновения жизни является наличие воды. Значение воды дляжизни исключительно. Это обусловлено ее специфиескими термическимиособенностями: огромной теплоемкостью, слабой теплопроводностью, расширениемпри замерзании, хорошими свойствами как растворителя и др. Эти особенностиобусловливают круговорот воды в природе, который играет очень важную роль вгеологической истории Земли.

Сейчасимеются достаточно интересные сведения о наличии органических соединений воВселенной. Источники этих сведений — естественные посланцы космоса на Землю,метеориты.

Метеориты- это малые космические тела, которые падают на Землю. Они являются осколкамиастероидов. Масса астероидов обычно превышает 50 кг. По составу различаюткаменные, железные и железнокаменные метеориты. По особенностям структуры иналичию сферических образований (хондр) некоторые каменные метеориты называютсяхондритами. Особый интерес представляют углистые хондриты, которые составляют5% от общего числа метеоритов, ежегодно падающих на поверхность Земли.

Этомуесть две причины:

·    вероятностьтого, что при их изучении будут получены данные о добиологической эволюцииорганических молекул;

·    неясностьпроисхождения ряда элементов их структуры — до последнего времени некоторыеисследователи считали минеральные образования в хондритах фосфатизированнымимикроорганизмами.

Этиинтересные объекты представляют собой не претерпевшие существенных изменений«обломки протосолнечной туманности». Они считаются первичными, посколькуобразовались одновременно с Солнечной системой. Метеориты слишком малы, чтобыиметь собственную атмосферу, но по относительному содержанию нелетучихэлементов углистые хондриты весьма сходны с Солнцем. Их минеральный составсвидетельствует о том, что они сформировались при низкой температуре и действиювысоких температур никогда не подвергались. Они содержат до 20% воды (связаннойв виде гидратов минералов) и до 10% органического вещества.

Приисследовании двух метеоритов — первый упал в 1950 году возле Мори (шт.Кентукки, США), а второй — у Мерчисона (шт. Виктория, Австралия) в 1969 году —в их составе обнаружены отдельные аминокислоты — строительный материал белков вживых организмах. В метеорите Мерчисон открыты и жирные кислоты, из которыхпостроены жиры в живых тканях.

Изаминокислот идентифицированы глутаминовая кислота, пролин, глицин, саркозин,аланин, валин и 2-метилаланин, а из жирных кислот — 17 видов.

Жирныекислоты земных организмов имеют четное количество углеродных атомов тогда какжирные кислоты с нечетным количеством атомов углерода нехарактерны для живыхтканей на Земле. При химических реакциях, которые осуществляются без участияживых существ или веществ биогенного происхождения, образуется приблизительноравное количество жирных кислот с четным и нечетным количеством атомовуглерода. То же показывают и результаты анализа метеорита Мерчисон.

Имеются убедительные свидетельства в пользу того,что аминокислоты и углеводородные соединения в метеорите Мерчисон имеют явноэндогенное происхождение и не являются результатом внешнего загрязнения:

·    преобладаниеглицина над другими аминокислотами;

·    положительныевеличины показателя 13С;

·    наличиеаминокислот, которые несвойственны белкам.

Впериод с 1968 по 1970 гг. с помощью радиоспектрометрии были открыты органическиемолекулы в межзвездном пространстве, что, безусловно, пополнило наши знания оборганической химии Вселенной. Были опубликованы первые сообщения об открытииводы, формальдегида и аммиака в отдельных областях нашей Галактики.

ГидроксилОН, формальдегид Н2СО и окись углерода СО — самые распространенныемолекулы в межзвездной среде. Они обнаруживаются повсюду в Галактике, тогда какв отдельных межзвездных областях встречаются и другие соединения. В нашейГалактике существует около 3000 таких туманностей, плотность которых большеплотности межзвездной среды; молекулы здесь возникают чаще. Атомы углерода играютглавную роль в образовании органических молекул, которые имеют в живых организмахосновное значение.

Притаком положении возникновение жизни выглядит неизбежным. В туманностяхкосмического пространства уже при образовании звезд и планет возникаютмолекулы, которые приводят к формированию более сложных молекул аминокислот,жирных кислот, пуринов, пиримидинов и других главных составных элементов жизни.

 

Теорияхимической эволюции — современная теория происхождения жизни — также опираетсяна идею самозарождения. Однако, в основе ее лежит не внезапное возникновениеживых существ на Земле, а образование химических соединений и систем, которыесоставляют живую материю. Она рассматривает химию древнейшей Земли, преждевсего химические реакции, протекавшие в примитивной атмосфере и в поверхностномслое воды, где, по всей вероятности, концентрировались легкие эелементы,составляющие основу живой материи, и поглощалось огромное количество солнечнойэнергии. Эта теория пытается ответить на вопрос: каким образом в ту далекуюэпоху могли самопроизвольно возникнуть и сформироваться в живую системуорганические соединения?

Большинствосовременных специалистов убеждены, что возникновение жизни в условиях первичнойЗемли есть естественный результат эволюции материи. Это убеждение основано надоказанном единстве химической основы жизни, построенной из нескольких простыхи самых распространенных во Вселенной атомов.

Исключительноеморфологическое разнообразие жизни (микроорганизмы, растения, животные)осуществляется на достаточно единообразной биохимической основе: нуклеиновыекислоты, белки, углеводы, жиры и несколько более редких соединений типа фосфатов.

Основныехимические элементы, из которых посторена жизнь, — это углерод, водород,кислород, азот, сера и фосфор. Очевидно, организмы используют для своегостроения простейшие и наиболее распространенные во Вселенной элементы, что обусловленосамой природой этих элементов. Например, атомы водорода, углерода, кислорода иазота имеют небольшие размеры и способны образовывать устойчивые соединения сдвух- и трехкратными связями, что повышает их реакционную способность.Образование сложных полимеров, без которых возникновение и развитие жизнивообще невозможны, связано со специфическими химическими особенностями углерода.

Другиедва биогенных элемента — сера и фосфор — присутствуют в относительно малыхколичествах, но их роль для жизни особенно важна. Химические свойства этихэлементов также дают возможность образования кратных химических связей. Серавходит в состав белков, а фосфор — составная часть нуклеиновых кислот.

Кромеэтих шести основных химических элементов в постороении организмов в малыхколичествах участвуют натрий, калий, магний, кальций, хлор, а также микроэлементы:железо, марганец, кобальт, медь, цинк и небольшие следы алюминия, бора, ванадия,иода и молибдена. Следует отметить и некоторые исключительно редкие атомы,которые встречаются случайно и в ничтожных количествах.

Следовательно,химическая основа жизни разнообразится еще 15 химическими элементами, которыевместе с шестью основными биогенными элементами участвуют в различныхсоотношениях в строении и осуществлении функций живых организмов. Этот фактособенно показателен в двух отношениях: 1) как доказательство единствапроисхождения жизни и 2) в том, что сама жизнь, являющаяся результатом самоорганизацииматерии, включила в эволюцию биологических макромолекул не только все самыераспространенные элементы, но и все атомы, которые особенно пригодны дляосуществления жизненных функций (например, фосфор, железо, иод и др.). Как отмечаетсоветский ученый М.Камшилов, «для осуществления функций жизни важны химическиесвойства ее атомов, к которым, в частности, относятся квантовые особенности».Не только структура, обмен веществ, но даже и механические действия живыхорганизмов зависят от составляющих их молекул. Это, однако, не означает, чтожизнь может быть сведена просто к химическим закономерностям.

Жизнь— одно из сложнейших, если не самое сложное явление природы. Для нее особеннохарактерны обмен веществ и воспроизведение, а особенности более высоких уровнейее самоорганизации обусловлены строением более низких уровней.

Современнаятеория происхождения жизни основана на идее о том, что биологические молекулымогли возникнуть в далеком геологическом прошлом неорганическим путем. Сложнуюхимическую эволюцию обычно выражают такой обобщенной схемой: атомы ®простые соединения ®простые биоорганические соединения ®макромолекулы ®организованные системы.Начало этой эволюции положено нуклеосинтезом в Солнечной системе, когдаобразовались основные элементы, в том числе и биогенные. Начальное состояние —нуклеосинтез — быстро переходит в процесс образования различных по сложностихимических соединений. Этот процесс протекает в условиях первичной Земли со всенарастающей сложностью, обусловленной общекосмическими и конкретными планетарнымипредпосылками.

Издавнабыло известно, что химики могут синтезировать органические вещества, но идеяпостановки отдельных опытов по синтезу органических веществ путем воспроизведенияусловий первичной Земли представлялась не менее фантастичной, чем многиегипотезы. Разумеется, никто не считает, что можно точно воспроизвести условиягигантской естественной химической лаборатории, какой была Земля 4,5 — 5 млрд.лет назад. Речь идет о приблизительном моделировании теоретическипредполагаемых условий первичной Земли: бескислородная атмосфера, наличиеисходных химических соединений: метана, воды, аммиака и источника (источников)энергии.

Первыйцеленаправленный опыт по синтезу органических молекул, пригодных для развитияжизни, из предполагаемых исходных компонентов ранней земной атмосферы былпроведен В.Гротом и Х.Зюссом в 1938 году. После облучения ультрафиолетовымилучами газовой смеси СО2 и Н2О они получили формальдегиди глиоксал. По мнению Грота и Зюсса, результаты этих опытов объясняютобразование некоторых органических соединений, «которые, вероятно, былинеобходимой предпосылкой эволюции органической жизни».

ПозжеУ. Харрисон, М. Кальвин и другие (1951) подвергают экспериментальной проверкеидеи Опарина и Холдейна. Они облучали a-частицами водныерастворы, содержащие ионы двухвалентного железа, которые находились вравновесии с газовой смесью двуокиси углерода и водорода. Полученыформальдегид, муравьиная и янтарная кислоты.  В 1953 году Стэнли Миллер,аспирант-астрофизик знаменитого Г. Юри в Чикагском университете проводит опыт,который позже был назван классическим. Газовая смесь метана, аммиака, водяныхпаров и водорода (доступа свободного кислорода в колбу не было) подвергаласьМиллером воздействию сильных электрических разрядов, при этом получалисьаминокислоты, сахара и ряд других органических соединений. Огромное значениеопыта Миллера состоит в доказательстве возможности неорганического путиобразования белковоподобных молекул в условиях первичной Земли.

Опыт Миллера обогатил науку и послужил сильнымтолчком к новым исследованиям. Т. Павловская и А. Паскинский в Институтебиохимии АН СССР своими опытами и термодинамическими расчетами доказаливозможность образования сложных органических веществ в условиях первичнойЗемли. А.Уилсон, добавляя серу к исходной смеси Миллера, получил крупныеполимерные молекулы с 20 и более атомами углерода. С. Поннамперума использовалв опытах ультрафиолетовую лампу как источник энергии — ведь в условиях молодойЗемли ультрафиолетовое излучение давало основную энергию. Поннамперума сумелполучить не только аминокислоты и пурины (строительные блоки соответственно длябелков и нуклеиновых кислот), но и синтезировал эти молекулы в полимеры. С.Фоксиз Института молекулярной эволюции в Майами синтезировал почти всеаминокислоты, без которых жизнь была бы невозможна. Фокс «сварил» изаминокислот так называемые «термические протеноиды», близкие по составу кбелкам. При этом протеноиды превратились в приготовленном Фоксом бульоне втонкие капли, подобные коацерватам Опарина. Именно с таких образованийначалась, согласно Опарину, жизнь на Земле.

Список экспериментальных исследований очень велик.Основные их результаты показывают, что химическая эволюция не плод досужегоума, а закономерный естественный процесс, который закладывает основы жизни.

 

Первые препятствия, которые встретились на путиразвития органических молекул, это новые условия на молодой Земле. Наряду свлиянием космических факторов (жизнь от своего возникновения до настоящеговремени еще откликается на солнечные бури!) появляются новые специфическиепланетарные факторы: развитие литосферы, атмосферы и гидросферы.

Это было не только простым препятствием перед раннейэволюцией; жизнь сама создала область своего существования — биосферу.Некоторые специалисты правомерно считают, что родоначальником жизни был непервый организм, а первая биосфера. «Жизнь не есть внешне случайное явление наземной поверхности, — пишет видный советский ученый академик В.И.Вернадский. — Она связана теснейшим образом со строением земной коры, вмешивается в еемеханизм и выполняет функции величайшего значения в этом механизме». В своеймиллиардолетней истории организмы связаны сложной цепью взаимодействия междусобой и в то же время как целое и как отдельные единицы находятся в тесномвзаимодействии с Землей: земной поверхностью, водными бассейнами, воздухом. Смомента своего возникновения живые организмы начинают играть исключительноважную и разнообразную геологическую роль. Они выступают не только как великиеконструкторы, но и как замечательные двигатели и регуляторы ряда сложных геологическихи геохимических процессов.

Земля как отдельная планета образовалась на первом,космическом, этапе химической эволюции. На нем создается первый уровеньорганизации в сложной системе Земли. Этот этап продолжался около одногомиллиарда лет. Второй этап тесно связан с космическим, от которого его трудноотделить. В начале этого этапа (первые 100 миллионов лет) Земля образует более80% своей массы. Этот этап не просто время, а в полном смысле словазнаменательная эпоха, когда образуются первые минералы, первые слои иформируется макроструктура планеты с ее геосферами.

Итак, земная кора уже твердая, но все еще тонкая иподвержена размягчению в отдельных областях вследствие тектоническихнапряжений. Она состоит главным образом из соединений кремния, алюминия,железа, кальция, магния, натрия, калия, а также ряда малозначимых соединений, втом числе и органических веществ. В мантии под корой вследствие гравитационногоразделения накапливаются преимщественно силикаты железа и магния.

Роль земной коры для молекулярной эволюции оченьвелика. Из нее организмы черпают металлы и другие неорганические и органическиекомпоненты, необходимые для построения тела и обмена веществ.

Земная кора дает опору жизни, но ее колыбельюстановятся первые водные бассейны. Действительно, существуют некоторыегипотезы, согласно которым жизнь возникла не в водном бассейне, а на земнойповерхности в пыли, образованной микрометеоритным «дождем».

Жизнь, такая, как мы ее знаем, не могла возникнутьбез свободной воды. Для живой материи необходима именно свободная, а несвязанная в гидраты вода или лед, которые обнаруживаются в метеоритах или нажругих планетах.

Наличие воды в телах организмов указывает на ееогромное значение для жизненных процессов. Низшие организмы содержат 95-99%воды, а высшие — 75-80%. При уменьшении ее количества до определенного уровнянаступает смерть.

Трудно описать состояние гидросферы в первые 100-200миллионов лет существования Земли. По мнению многих, на молодой Земле былооколо одной десятой массы воды, содержащейся в современном океане. Остальныедевять десятых образовались позже за счет дегазации внутренних частей Земли.Именно в результате выделения газа и пара из мантии сформировались гидросфера иатмосфера. В веществе мантии содержится 0,5% воды, но даже 10% этого количествадостаточно для образования всего сегодняшнего объема океана. Вероятно,океанская вода с самого начала была соленой. При дегазации вещества мантии водынасыщались анионами хлора, брома и других элементов, а также СО2, H2S,SO2.Это создавало легкий кислотный характер праокеану, который нейтрализовался засчет щелочных компонентов, вызываемых дождями из базальтовой коры ивыносившихся реками в океан. Это катионы натрия, магния, кальция, калия идругих элементов.

Ранняя эволюция гидросферы (океаны, моря,континентальные бассейны) протекала при отсутствии газообразного кислорода. Вэтих условиях и при наличии бескислородной атмосферы могли возникнуть толькоанаэробные организмы.

Океанологи установили, что органическое веществовстречается во взвешенном состоянии в виде отдельных частиц гораздо чаще, чемсчиталось раньше. Полагают, что основную роль в формировании таких скопленийорганических веществ играет образование пены в океане. Органические веществаобразуют тонкую мономолекулярную пленку на поверхности океана, котораяразрушается волнами. Взбитые этими волнами они приобретают сферическую форму ипадают снова в воду, при этом они могут погрузиться на некоторую глубину исохраняться там в виде мелких коацерватных капель.

Коацерватную гипотезу развил в 1924 году Опарин.Коацервация — это самопроизвольное разделение водного раствора полимеров нафазы с различной их концентрацией. Коацерватные капли имеют высокую концентрациюполимеров. Часть этих капель поглощали из среды низкомолекулярные соединения:аминокислоты, глюкозу, примитивные катализаторы. Взаимодействие молекулярногосубстрата и катализаторов уже означало возникновение простейшего метаболизмавнутри протобионтов («протобионты» по терминологии Опарина — первые белковыеструктуры). Обладавшие метаболизмом капли включали в себя из окружающей средыновые соединения и увеличивались в объеме. Когда коацерваты достигали размера,максимально допустимого в данных физических условиях, они распадались на болеемелкие капельки, например, под действием волн. Мелкие капельки вновь продолжалирасти и затем образовывать новые поколения коацерватов.

Постепенное усложнение протобионтов осуществлялосьотбором таких коацерватных капель, которые обладали преимуществом в лучшемиспользовании вещества и энергии среды. Отбор как основная причинасовершенствования коацерватов до первичных живых существ — центральноеположение в гипотезе Опарина.

Процесс концентрации органических веществ можетпроисходить при отливах, испарении воды в лагунах, а также при волнении (какотмечено выше). Научные данные все больше подтверждают, что жизнь возникла не воткрытом океане, а в шельфовой зоне моря или в лагунах, где были наиболееблагоприятные условия для концентрации органических молекул и образованиясложных макромолекулярных систем.

Биохимическая эволюция начинается с моментаобразования земной коры, то есть около 4,5 млрд. лет назад. Ее корни уходят вранний космический этап химической эволюции. Находки древнейших молекулярныхископаемых возрастом 3,5-3,8 млрд. лет показывают, что биохимическая эволюция,которая привела к образованию первой клетки, продолжалась около миллиарда лет.Образование клетки и было самым трудным на этом долгом пути.

Как уже отмечалось, исходный материал длябиохимической эволюции был заготовлен раньше, на космическом этапе развития и вначале формирования первичных литосферы, гидросферы и атмосферы. Для этогоимелось достаточно источников энергии: солнечное излучение, тепловая энергияземных недр, высокоэнергетическая радиация, электрические разряды (молнии игром, при котором возникают сильные ударные волны). Вероятно, тогда же ивозникли основы естественного отбора важных биохимических молекул.

Имевшееся количество химических элементов и наличиемощных источников энергии приводят к образованию огромного количества молекул.Путем конденсации (концентрации) этих простых молекул (метан, аммиак, вод адр.) образуются основные биохимические молекулы: некоторые аминокислоты, являющиесяосновой белков; некоторые органические основания, такие, как аденин, которыеявляются компонентами нуклеиновых кислот; некоторые сахара, например рибоза, иих фосфаты; простые азотосодержащие молекулы, например порфирины, которыеявляются важным компонентом ферментов (энзимов) и т.п. На следующем этапепроисходит укрупнение молекул и формирование сложных макромолекул, важнейшихкомпонентов так называемого «первичного бульона», в котором происходитполимеризация и связывание низкомолекулярных соединений в высокомолекулярные.Такие сложные макромолекулярные соединения, называемые пробионтами, имеютоткрытую пространственную структуру, что обеспечивает их рост, а такжеразделение на дочерние образования под действием механических сил. На этомэтапе, когда возникают биологические полимеры, по-видимому, появился и механизмидентичного воспроизведения (репликация), который является основной чертойжизни.

Установлено, что способность к самовоспроизведениюживых организмов основана на репликации нуклеиновых кислот, при которойпроисходит не только образование новых молекул, но и их разделение.Добиологический часто химический этап переходит в этап самоорганизации, накотором возникают самовоспроизводящие сложные молекулярные комплексы. Этимакромолекулярные комплексы дают начало жизни. Граница между двумя этапами —этапом чисто химической эволюции и этапом самоорганизации биологическихмакромолекул — весьма условна и не фиксирована во времени.

Как полагает Опарин, с появлениемсамовоспроизведения органических молекул началась биологическая эволюция. Приэтом произошло объединение двух важных свойств: способности ксамовоспроизводству полинуклеотидов и каталитической активности полипептидов.Наилучшие перспективы сохраниться в предбиологическом отборе имели этиультрамолекулярные системы, в которых обмен веществ сочетался со способностью ксамовоспроизведению.

На этом этапе эволюционные процессы привели кобразованию нового типа взаимосвязи, необходимого для дальнейшего развития ивоспроизводства. Чтобы уяснить значение этого типа связи в природе, необходимоввести два основных понятия — информация иинструкция:инструкция «от кого» и информация «для кого». Необходимо сказать несколько слово информации.

Современная теория информации рассматривает проблемупереработки информации, а не ее «производства». Информация должна передаватьсяв строго определенной форме. Она может быть записана соответствующим кодом ипри передаче по каналам сопровождается шумом, который необходимоотфильтровывать в приемном устройстве. Современная теория информации,основываясь на данных палеонтологии, геологии, физики, считает, что нарастаниеструктурной сложности и информационной насыщенности есть важнейшая чертаэволюционного прогресса.

«От кого» и «для кого»? Эти два вопроса касаютсявзаимодействия нуклеиновых кислот и белков как важнейших компонентов жизни. Всвоей книге о химической эволюции М. Кальвин отмечает, что существующий внастоящее время набор компонентов белка был предопределен в самом началеэволюции исходным набором аминокислот. Этот набор аминокислот в белкеобусловлен определенной последовательностью в строении нуклеиновых кислот.Нуклеиновые кислоты и белки выполняют три исключительно важные функции:самовоспроизведение, сохранение наследственной информации и передачу этойинформации в процессе возникновения новых клеток. Следовательно, нуклеиновыекислоты и белки тесно взаимодействуют при воспроизводстве. А что возниклораньше: нуклеиновая кислота или белок? Новый вариант старого вопроса о курице ияйце.

Этот вопрос созникает как барьер перед стремлениемобъяснить возникновение жизни. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) вместе срибонуклеиновой кислотой (РНК) ответственна за синтез белка. Вспомним одно изцентральных положений молекулярной биологии: ДНК ® РНК ®белок. Из этого положения, описывающего химический процесс белкового синтеза,некоторые исследователи делают вывод, что «пра-ДНК, вероятно, и была первыморганизмом на Земле». Но ДНК беспомощна без белка, и в этом причинанежизненности гипотезы о пра-ДНК. «Начало жизни в виде одинокой молекулы ДНК наберегу первичного океана, — пишет Бернал, — еще менее правдоподобно, чем в видеАдама и Евы в райских кущах».

В понимании вопроса о происхождении жизни понятия«нуклеиновая кислота» и «белок» можно заменить понятиями «информация,содержащая инструкцию» и «функция». Тогда вопрос «что первично?» становитсяабсурдным, так как не может осуществиться определенная функция, если нетинформации. А «информация» приобретает смысл только через функцию, которую онакодирует. Поэтому в живой природе естественный отбор направлен в конечном счетек сохранению полезной для организма функции.

«Такую систему (информация — функция), — пишет М.Эйген, — можно сравнить с замкнутым узлом. Хотя и очевидно, что нить, изкоторой образован узел, где-то должна начинаться, начальная точка теряет своезначение, поскольку узел замкнут. Взаимоотношения нуклеиновых кислот и белковсоответствуют сложной иерархии «замкнутого узла».

В процессе развития пробионтов зародиласьспособность передачи информации. Она обеспечила огромные преимущества своимносителям — сложным макромолекулярным комплексам. В дальнейшем эта способностьприводит к образованию огромной информационной насыщенности живой клетки, чтообеспечивается тонкими механизмами, сформировавшимися в процессе эволюции. Приэтом запись информации происходит на атомном уровне. В исключительно маломпространстве (например, диаметр сперматозоида составляет около 0,1 мм) можетбыть записано огромное количество информации. Эта информация включает мельчайшиеподробности, даже такие, по словам Дж. Уотсона, как «присущая нам способностьразвлекать окружающих».

Основные черты, приобретенные в результатекаким-либо организмом в результате долгой предшествующей эволюции, записаны вего наследственной программе. Издавно известно, что основная часть генетическойинформации содержится в тонких нитевидных телах — хромосомах, имеющихся внутриклетки. В 1950-е годы было установлено, что важнейшая часть хромосом состоит изДНК. По-видимому, генетическим материалом всех живых организмов является ДНК,за исключением некоторых вирусов, которые содержат исходную РНК. Не известныслучаи, когда бы генетическим материалом служили иные молекулы, кроме нуклеиновыхкислот.

Рентгеноструктурные исследования М. Уилкинса, иособенно работа Дж. Уотсона и Ф. Крика, раскрыли структуру ДНК. Онапредставляет собой длинную цепь повторяющихся последовательностей:сахар-фосфат-сахар-фосфат-сахар-фосфат… и так далее. К каждому сахару(называемому еще дезоксирибозой) присоединена плоская циклическая группаазотосодержащего соединения, называемого азотным основанием. Это пурины,имеющие двойное углеродно-азотное кольцо, и пиримидины, имеющее одно такоекольцо. Чаще всего встречаются пурины —  аденин (А) и гуанин (Г) — и пиримидины— тимин (Т) и урацил (У). Генетическая информация передается посредствомчередования в определенной последовательности этих четырех оснований. Следовательно,всякая наследственная информация записана языком, содержащим всего четыребуквы. Не беден ли этот язык? Если посмотреть на окружающий мир, полныйразнообразия и красоты, можно убедиться, что он не препятствует разнообразию жизни,но обеспечивает стабильность. Чтобы код легко и быстро «прочитывался» клеткойбез больших энергетических затрат, он должен быть основан на малом числе букв.В процессе эволюции образовался именно такой генетический код. Несмотря на свою«скромность», он несет огромную информацию.

Вся молекула ДНК закручена в формедвойной спирали. Две цепи спирали соединены водородными связями, образуя так называемыекомплементарные (дополнительные) половины, которые можно сравнить собъединенными негативом и позитивом. Это дает возможность генам при удвоенииобразовывать дополнительные негативные копии, форма которых относится кисходному «позитиву» как ключ к замку. Этот дополнительный «негатив» служитматрицей (шаблоном) при образовании новых позитивных копий. Так формируются двепары одинаковых цепей там, где ранее была только одна. Этот процесскопирования, по-видимому, характерен для любого организма.

В осуществлении разнообразияхимических реакций в живой материи кроме нуклеиновых кислот участвует и другаябольшая группа молекул — белки.

Белки состоят из 20 видов аминокислот, которыесоединяются друг с другом в так называемую полипептидную цепь.

Способность белков образовыватьсложные структуры позволяет им обеспечивать тонкое регулирование биохимическихреакций. Они обладают колоссальным функциональным разнообразием и огромнойспособностью к распознаванию. 

Рассмотрим некоторые основныеположения генетического кода. Можно ли с помощью четырех элементов (четырехоснований ДНК) управлять последовательностью 20 аминокислот в белке? Результатыисследований показывают, что любая аминокислота записывается (кодируется)комбинацией трех оснований, так называемым триплексным кодом. Так, например,фенилаланин кодируется тройкой УУУ — последовательностью из трех урацилов. СамаДНК, являющаяся ядром кода, участвует в синтезе белка не непосредственно, акосвенно через РНК двух видов: матричную или информационную (иРНК) итранспортную (тРНК). Они способны строить не просто случайные сочетанияаминокислот, а упорядоченные полимеры белков. Возможно, первичные рибосомысостояли только из РНК. Такие безбелковые рибосомы могли синтезироватьупорядоченные пептиды при участии молекул тРНК, которые связывались с иРНКчерез спаривание оснований. Молекула РНК воспроизводит генетический код,записанный в ДНК, и переносит запись к находящимся в цитоплазме рибосомам. Этосубмикроскопические внутриклеточные частицы, в которых происходит «сборка»белков из аминокислот. Генетический код един для всех живых организмов.

Предполагается, что первоначальнокод был более примитивным, однако он совершенствовался в процессе эволюциипутем естественного отбора, то есть согласно биологическим закономерностям.Поэтому универсальность кода объясняется не тем, что другой код не можетсуществовать по химическим причинам, а тем, что всякое его изменение было былетальным. Известно, что генетическая информация записывается на атомном уровнеи любая «ошибка» даже в несколько атомов может привести к гибельнымпоследствиям. Изящная двойная спираль молекулы ДНК чрезвычайно тонка (10 атомовв поперечном направлении), но от нее зависит жизнь.

С образованием сложныхультрамолекулярных систем (нуклеиновые кислоты, белки, в том числе ферменты) имеханизма идентичного воспроизведения (генети-ческого кода) загорается заряжизни на Земле. В начале следующео этапа, который невозможно точно отграничить,образуются биологические мембраны-органеллы, ответственные за форму, структуруи активность клетки. Биологические мембраны построены из агрегатов белков илипидов, способных отграничить органическое вещество от среды и служитьзащитной молекулярной оболочкой. Предполагается, что образование мембран моглоначаться еще в процессе формирования коацерватов. Но для перехода откоацерватов к истинной живой материи были необходимы не только мембраны, но икатализаторы химических процессов — ферменты (энзимы). Предбиологический отборкоацерватов усиливал накопление белковоподобных полимеров, ответственных заускорение химических реакций. Результаты отбора фиксировались в строениинуклеиновых кислот. Система успешно (осмысленно) работающих последовательностейнуклеотидов в ДНК усовершенствовалась именно путем отбора. Возникновениесамоорганизации зависело как от исходных космическимх (химических) предпосылок,так и от конкретных условий земной среды. Самоорганизация возникла как реакцияна определенные условия.

Предбиологический этап — химический и может бытьописан принципами квантовой механики. Для него характерно дивергентное(разнонаправлен-ное) развитие. При этом «отсеивалось» множество различныхнеудачных вариантов, до тех пор пока основные черты строения нуклеиновых кислоти белков не получили отличную «оценку» естественного отбора. Возможно,существовали и другие варианты, при реализации которых жизнь приобрела быдругие черты.

Генетический код сформировался,по-види-мому, на последнем этапе эволюции фазово-обособ-ленных органическихсис-тем (пробионтов). Эти системы приобрели способность совершенствовать своюорганизацию путем предбиологическо-

го отбора самих систем, а не только отдельныхмолекул. Это был уже следующий уровень биохимической эволюции, которыйобеспечивал как постоянство пространственной и динамической структурыультрамолекулярных систем, так и возрастание их информационных возможностей.Вероятно, тогда же было положено начало специализации двух видов нуклеиновыхкислот — ДНК и РНК. ДНК обозначилась как главный «программист и инспектор»молекулярного самовоспроизведения. РНК приняла на себя роль «информатора» ипереносчика генетической программы. Ряд ученых считают, что первые формынуклеиновых кислот были представлены РНК-подобными полимерами, которые сочеталив себе способность как накапливать и передавать генетическую информацию, так иучаствовать в синтезе белков. Разделение функций между двумя видами нуклеиновыхкислот открыло новые горизонты перед эволюцией. «В процессе эволюциипробионтов, — пишет Опарин, — было испробовано и отвергнуто не меньше, а, возможно,и значительно больше вариантов организации, чем, например, ступеней междуплавниками акулы и человеческой рукой».

После образования  генетическогокода эволюция становится темой с вариациями. Чем дальше она продвигается вовремени, тем многочисленнее и сложнее вариации. Однако эволюция еще в самомначале. Минуло 1-1,2 млрд. лет со времени образования Земли. Пробионты,бесспорно, развивались в анаэробной среде. Они использовали для своего ростаготовые органические соединения, синтезированные в ходе химической эволюции, тоесть были гетеротрофными. Пробионты нуждались в различных химическихсоединениях — нуклеотидах, аминокислотах идр. Если бы пробионты отдали себя наконсумацию, ничего не производя, то органические вещества были бы быстроисчерпаны. Пробионты обладали слишком ограниченными возможностями (низкаястепень генетической информации), чтобы легко справляться с возникающимипрепятствиями в условиях, когда они обеспечивали свое существование путемдиффузии. Невозможно представить, чтобы жизнь на этом раннем этапе существовалав форме одного вида организмов: он бы быстро исчерпал свой «первичный бульон».Как показала последующая эволюция, пробионты избрали путь с оптимистическимиперспективами. На первой ступени проявилась тенденция к приобретению большогоразнообразия свойств, в первую очередь к возникновению способности синтезироватьорганические вещества из неорганических соединений с использованием солнечногосвета, то есть к возникновению автотрофного питания. Множество вариантов было«перепробовано» перед тем, как достигнуть весьма важного результата — появленияорганелл. К ним относятся: митохондрии, отвечающие за метаболизм клетки;хлоропласты, осуществляющие фотосинтез; рибосомы — место, где совершаетсяпроцесс синтеза белка по инструкции ДНК; хроматин и поздний его аналог хромосомы,которые отвечают за точную передачу наследственных черт. Дж. Бернал логичнодопускает, что до обособления клетки органеллы прошли стадию самостоятельнойжизни.

В свое время Холдейн высказалпредположение, что бактериофаги и другие вирусы являются, по-видимому,связующим звеном между преджизнью (пробион-тами) и жизнью. Но вирус неорганизм, он не имеет собственного обмена веществ и может размножаться толькопри попадании в клетку. Это, очевидно, дегенерировавшие (вторично упрощенные)формы, которые во многих отношениях похожи на

 некоторые органеллы. Они приспособились квнутриклеточному паразитическому образу существования.

Примитивнейшими свободно живущимиорганизмами являются так называемые микоплазмы. Они имеют элементы, которыеобнаружены в клетках, но в чрезвычайно упрощенном виде. Это может указывать напримитивность, но также может быть следствием вторичной дегенерации, связаннойс паразитической жизнью, как полагает Бернал.

В 1977 году американский биохимикК. Воуз широко оповестил о результатах одного своего исследования, которыеобъявил открытием первой формы жизни. В горячих (65-70°С)источниках Йеллоустонского парка он обнаружил микроорганизмы, которые поглощаютдвуокись углерода и водорода и выделяют метан. Так как сегодня известны двеосновные формы жизни — растения и животные, то метанопроизводящие организмыбыли объявлены третьей ее формой. А в сущности, третья ли это форма жизни илипервая, которая позже дала начало другим.

В настоящее время общепринято, чтопробионты имели черты йеллоустонских метанопроизводящих «бактерий» и жили безкислорода, с помощью ферментации. Открытие Воуза  бесспорно в отношенииразвития метанопроизводящих микроогранизмов. Но являются ли они представителямипервых организмов или представляют собой результат вторичного приспособления идегенерации бактерий, не известно.

Многие специалисты скептическиприняли сообщение К. Воуза не из-за традиционного недоверия к сенсации, апотому, что известно много современных анаэробных бактерий, которые живут засчет различных видов ферментации, фотосинтеза или химических процессов. К.Гробштейн, американский биолог и биохимик, приводит характерные примерыприспособления бактерий к горячим (до 80°С) растворам путемпоследовательной «колонизации» различными поколениями отдельных температурныхзон, начиная от 30 и до 80°С.

Очевидно, истинная жизнь начинаетсяс появления клетки. Биологические мембраны помогают объединению отдельныхорганелл (мембранные органеллы и органеллы-частицы) в единое целое. Образуетсяистинная основа жизни, знаменующая собой скачок в эволюции. Очевидно, первыеклетки примитивны, они не имеют ядра (прокариоты). В настоящее время таковыбактерии и некоторые другие микроорганизмы. Они появились около 3,2-3,5 млрд.лет назад. Затем началось развитие клетки с ядром (эукариоты), содержащимхромосомы — органеллы, которые хранят с помощью ДНК и передают наследственныечерты клетки.

Первые клетки были прообразом всехживых организмов: растений, животных, бактерий. Позже, в процессе эволюции, подвоздействием дарвиновских законов естественного отбора клетки совершенствуются,вслед за прокариотами и эукариотами отделяется третья категория —специализированные клетки высших многоклеточных, растений и животных —метафитов и метазоа.

Сложные процессы химическойэволюции, которая переходит в биохимическую и биологическую эволюцию, могутбыть выражены в виде простой схемы: атомы ® простые молекуы ®сложные макромолекулы и ультрамолекулярные системы (пробионты) ®одноклеточные организмы.

Первый шаг сделан. Это было самымтрудным. На этапе предбиологической эволюции «испробовано» множество вариантовдальнейшего развития исходных углеродных соединений. Начало можно представитькак сложное переплетение различных дорог, которые постепенно расходятся, ажизнь избирает один путь. Другие остаются дорогами никуда.

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ:

·    ШкловскийИ. С. «Вселенная. Жизнь. Разум», М., Наука, 1987 г.

·    ХоровицН. «Поиски жизни в Солнечной системе», М., Мир, 1988 г.

·    ЮгайГ. А. «Общая теория жизни», М., Мысль, 1985 г.

·    ГолдсмитД., Оуэн Т. «Поиски жизни во Вселенной», М., 1983 г.

·    КальвинМ. «Химическая эволюция», М., Мир, 1971 г.

·    НиколовТ. «Долгий путь жизни», М., Мир, 1986 г.

·    ПоннамперумаС. «Происхождение жизни», М., Мир, 1977 г.

·    ФоксС., Дозе К. «Молекулярная эволюция и возникновение жизни»

еще рефераты
Еще работы по естествознанию