Реферат: Происхождение жизни на земле
Лицей № 35
РЕФЕРАТ
по теме: «Происхождение жизни на земле»
Ученика 10 «Ю» класса
Юкельсона Дмитрия
Калининград,
2000 г.
Существуют две главные гипотезы,по-разному объясняющие появление жизни на Земле. Согласно гипотезе панспермии,жизнь занесена из космоса либо в виде спор микроорганизмов, либо путемнамеренного «заселения» планеты разумными пришельцами из других миров.
Прямыхсвидетельств в пользу космического происхождения жизни нет. Космос, однако,наряду с вулканами мог быть источником низкомолекулярных органическихсоединении, раствор которых послужил средой для развития жизни.
Современной наукой возраст Землиоценивается в 4,5 — 4,6 млрд. лет. Появление на планете первых водоемов, скоторыми связывают зарождение жизни, отстоит от настоящего времени на 3,8 — 4млрд. лет. Около 3,8 млрд. лет назад жизнь стала определяющим факторомпланетарного круговорота углерода. В породах вблизи местечка Фиг-Три (ЮжнаяАфрика), имеющих возраст более 3,5 млрд. лет, обнаружены бесспорные следыжизнедеятельности микроорганизмов.
Таким образом, процессобразования примитивных живых существ шел относительно быстро. Ускорениюпроцесса могло способствовать то, что простейшие органические вещества были изнескольких источников: абиогенно образующиеся в первичной атмосфере и в то жевремя поступающие с оседающей на поверхность планеты космической ивулканической пылью. Подсчитано. что Земля, проходя через пылевое облако втечение 1 млрд. лет, могла получить с космической пылью 10 млрд. торганического материала. Это всего в 300 раз меньше суммарной биомассы современныхназемных организмов (3 * 1012т). Вулкан заодно извержениевыбрасывает до 1000 т органических веществ.
Согласно второй гипотезе, жизньвозникла на Земле, когда сложилась благоприятная совокупность физических ихимических условий, сделавших возможным абиогенное образование органическихвеществ из неорганических.
В середине прошлого столетия Л.Пастер окончательно доказал невозможность самозарождения жизни втеперешних условиях. В 20-х годах текущего столетия биохимики А.И. Опарин и Дж.Хол-дейн предположили, что в условиях, имевших место на планете несколькомиллиардов лет назад, образование живого вещества было возможно. К такимусловиям они относили наличие атмосферы восстановительного типа, воды,источников энергии (в виде ультрафиолетового (УФ) и космического излучения,теплоты остывающей земной коры, вулканической деятельности, атмосферных электрическихявлений, радиоактивного распада), приемлемой температуры, а также отсутствиедругих живых существ.
Главные этапы на путивозникновения и развития жизни, по-видимому, состоят в: 1) образованииатмосферы из газов, которые могли бы служить «сырьем» для синтеза органическихвешеств (метана, оксида и диоксида углерода, аммиака, сероводорода, цианистыхсоединений), и паров воды; 2) абиогенном (т. е. происходящем безучастияорганнзмов) образовании простых органических веществ, в том числемономеров биологических полимеров — аминокислот, Сахаров, азотистых оснований,АТФ и других мононук-леотидов; 3) полимеризации мономеров в биологическиеполимеры. прежде всего белки (полипептиды) и нуклеиновые кислоты(поли-нуклеотиды); 4) образовании предбиологических форм сложного
химическогосостава —протобионтов, имеющих некоторые свойства живых существ; 5)возникновении простейших живых форм, имеющих всю совокупность главных свойствжизни,—примитивных клеток; 6) биологической эволюции возникших живых существ.
Возможность абиогенногообразования органических веществ, включаямономеры биологических полимеров, в условиях, бывших на Земле около 4 млрд. летназад, доказана опытами химиков. В лабораторных условиях при пропусканииэлектрических разрядов через различные газовые смеси, напоминающие примитивнуюатмосферу планеты, а также при использовании других источников энергии ученыеполучали среди продуктов реакций аминокислоты (аланин, глицин, аспарагиновуюкислоту), янтарную, уксусную, молочную кислоты, мочевину, азотистые основания(аденин, гуанин), АДФ и АТФ. Низкомолекулярные органические соединениянакапливались в водах первичного океана в виде первичного бульона или жеадсорбировались на поверхности глинистых отложений. Последнее повышало концентрациюэтих вешеств, создавая тем самым лучшие условия для полимеризации.
Возможностьполимеризации низкомолекулярных соединений с образованием полипептидов иполинуклеотидов (определяющая следующийэтап на пути возникновения жизни) непосредственно в первичном бульоне вызываетсомнения по термодинамическим соображениям. Водная среда благоприятствуетреакции деполимеризации. Ученые предполагают, что образование полипептидов иполинуклеотидов могло происходить в пленке из низкомолекулярных органическихсоединений в безводной среде, например на склонах вулканических конусов,покрытых остывающей лавой. Это предположение находит подтверждение в опытах.Выдерживание в течение определенного времени при 130°С сухой смеси аминокислотв сосудах из кусков лавы приводило к образованию полипептидов.
Образующиеся описанным образомбиополимеры смывались ливневыми потоками в первичный бульон, что защищало их отразрушающего действия УФ-излучения, которое в то время из-за отсутствия ватмосфере планеты озонового слоя было очень жестким.
По мере повышения концентрацииполипептидов, полинуклеотидов и других органических соединений в первичномбульоне сложились условия для следующего этапа—самопроизвольного возникновенияпредбиологических форм сложного химического состава, или протобионтов.Предположительно они могли быть представлены коацерватами (А. И. Опарин)или микросферами (С. Фоке). Это коллоидные капли с уплотненнымповерхностным слоем, имитирующим мембрану, содержимое которых составляли одинили несколько видов биополимеров. Возможность образования в коллоидныхрастворах структур типа коацерватов или микросфер доказана опытным путем.
При определенных условияхкоацерваты проявляют некоторые общие свойства живых форм. Они способны доизвестной степени избирательно поглощать вещества из окружающего раствора.Часть продуктов химических реакций, проходящих в коацерватах с участиемпоглощаемых веществ, выделяется ими обратно в среду. Происходит процесс,напоминающий обмен веществ. Накапливая вещества, коацерваты увеличивают свойобъем (рост). По достижении определенных размеров они распадаются на части,сохраняя при этом некоторые черты исходной химической организации(размножение). Поскольку устойчивость коацерватов различного химическогосостава различна, среди них происходит отбор.
Перечисленныевыше свойства ученые усматривают у протоби-онтов. Протобионты представляютсякак обособленные от окружающей среды, открытые макромолекулярные системы,возникавшие в первичном бульоне и способные к примитивным формам роста,размножения, обмена веществ и предбиологическому химическому отбору.
Предбиологическаяэволюция протобионтов осуществлялась в трех главных направлениях. Важноезначение имело совершенствование каталитической (ферментной) функциибелков. Один из путей, дающих требуемый результат, заключается, по-видимому, вобразовании комплексов металлов с органическими молекулами. Так, включениежелеза в порфириновое кольцо гемоглобина увеличивает его каталитическуюактивность в сравнении с активностью самого железа в растворе в 1000 раз.Развивалось такое свойство биологического катализа, как специфичность.Во-вторых, исключительная роль в эволюции протобионтов принадлежитприобретению полинуклеотидами способности к самовоспроизведению, чтосделало возможным передачу информации от поколения к поколению, т. е.сохранение ее во времени. В основе этой способности лежит матричный синтез.Механизм матричного синтеза был использован также для переноса информации сполинуклеотидов на полипепти-ды. Третье главное направление эволюциипротобионтов состояло в возникновении мембран. Отграничение отокружающей среды мембраной с избирательной проницаемостью превращаетпротобионт в устойчивый набор макромолекул, стабилизирует важные параметрыобмена веществ на основе специфического катализа.
Разделениефункций хранения и пространственно-временной передачи информации, с однойстороны (нуклеиновые кислоты), и использование ее для организации специфическихструктуры и обмена веществ — с другой (белки); появление молекулярного механизмаматричного синтеза биополимеров; освоение эффективных систем энергообеспеченияжизнедеятельности (АТФ); образование типичной биологической мембраны — все этопривело к возникновению живых существ, которые поначалу были представленыпримитивными клетками.
Смомента появления клеток предбиологический химический отбор уступил место биологическомуотбору. Дальнейшее развитие жизни шло согласно законам биологическойэволюции. Переломным моментом на этом пути было возникновение клетокэукариотического типа, многоклеточных организмов, человека.