Реферат: Эволюция химических соединений на земле

Содержание

Введение. 1

Эволюция химических соединений наземле. 2

Критерии жизни. 3

Теория саморазвития элементарныхоткрытых каталитических систем. 5

Концепции возникновения жизни наземле. 7

Гипотеза возникновения жизниакадемика А. И. Опарина. 10

Спорные вопросы концепцийпроисхождения жизни. 12

Современные представления опроисхождении жизни: проблемы и решения. 13

Заключение. 16

Список литературы… 17

Введение

Живая природа всегда поражала человека своим многообразием,сложностью, целесооб­разностью, беспрерывным и быстрым измене­нием. Отневидимого мира и микроорганиз­мов, бесчисленных простейших, лишайников, мхов,трав, кустарников и деревьев до мира животных — насекомых, рыб, земноводных,птиц, млекопитающих — такова цепь жизни, которая тянется к венцу природы —человеку, единственному из биологических существ, спо­собному изучать иосмысливать закономерно­сти природы.

На протяжении тысячелетий жизнь, ее за­рождение и развитие,удивительная приспо­собляемость, наконец, сам человек с его разу­мом — все этоказалось людям таинственным, необъяснимым, сверхъестественным. Немало столетийпрошло, пока человек на­копил достаточно знаний для научного пони­мания мираживой природы. Для этого пона­добилось развитие физики и химии, познаниезаконов строения живых организмов, деятель­ности их органов и тканей, умениезаглянуть внутрь организмов, проникнуть в мельчайшую их структуру. Пытливая мысльи эксперимен­ты многих и многих поколений естествоиспы­тателей привели кзаключению о постоянном развитии всего многообразия растительных и животныхвидов в процессе смены бесчислен­ных поколений белковых тел.

Эволюция химических соединений на земле

Эволюцию, которую прошли химические соединения на нашей планете,можно разделить на четыре стадии: 1) неорганическую; 2) органическую; 3)биохимическую; 4) антропогенную.

Неорганическая стадия связана с химическими превращениями безобразования цепей из атомов углерода, который, как известно, обладаетнаибольшим эволюционным потенциалом. На этой стадии образовывались наиболеепростые вещества и происходили относительно несложные процессы.

Вторая стадия — органическая — по сути есть химия соединенийуглерода. Здесь происходит резкое усложнение химизма и формируются всенеобходимые предпосылки для возникновения жизни.

Следующая стадия — биохимия, иди химия живого. С возникновениемжизни высшей и наиболее сложной формой материи становится биологическая. Кспецифике соотношения химического и биологического можно отнести следующиезакономерности:

·       жизнь возникает в ходе протекания химических процессов, хотяпереход от неживого к живому пока воспроизвести не удается;

·       с возникновением жизни большая часть химических веществпродолжает существовать по своим собственным законам вне живых организмов. Приэтом неживое вещество служит внешней средой, с которой живое находится впостоянной динамичной связи (обмен веществ между организмом и средой);

·       некоторая часть химических веществ после возникновения живоговключается в состав живых организмов. Биохимия, или химия живого, намногосложнее химических процессов, идущих вне живого организма. Одновременнобиохимия — часть химической науки и в ней действуют в особых формах все химическиезаконы. Биохимические процессы являются основой жизни, они воздействуют набиологические явления, накладывая на них определенные ограничения.

·       биохимические процессы развиваются под контролем биологическихпроцессов и закономерностей, например естественного отбора. В живом организмехимический синтез направлен на поддержание его жизнеспособности.

·       в живой природе возникает новое качество — биологическое, котороеимеет в своей основе сложные химические механизмы и в то же время не может бытьсведено даже к самому сложному набору химических процессов.

Критерии жизни

При попытке определить сущность жизни на научном уровне возникаютзначительные трудности. Большинство ученых убеждены, что жизнь представляетсобой особую форму существования материального мира. До конца 50-х годовклассическим считалось определение Ф. Энгельса, которое гласило, что жизнь естьспособ существования белковых тел, состоящий в постоянном самообновлениихимических составных частей этих тел. Однако уже к началу 60-х годов стало очевидным,что вещественная основа жизни сводится не только к белкам, а функциональная —не только к присущему живым организмам обмену веществ. Например, Э. Шредингеропределял жизнь как апериодический кристалл, Г. Югай -как космическуюорганизованность материи. Некоторые определения подчеркивают энергетическийаспект жизни — противостояние энтропийным процессам, другие возникновениеточной пространственной редубликации, или матричного копирования,осуществляемого посредством нуклеиновых кислот.

Современная биология в вопросе о сущности живого все чаще идет попути перечисления основных свойств живых организмов или критериев жизни. Приэтом подчеркивается то, что только совокупность таких свойств может датьпредставление о специфике жизни. К числу критериев жизни обычно относятследующие:

·       живые организмы характеризуются упорядоченной сложной структурой,уровень их организации значительно выше, чем в неживых системах;

·       живые организмы получают энергию из окружающей среды, причембольшинство из них прямо или косвенно используют солнечную энергию;

·       все живые организмы, как растения, так и животные, реагируют наизменения в окружающей среде (раздражимость);

·       живые организмы не только изменяются, но и усложняются;

·       все живое размножается. Способность к самовоспроизведению —основополагающий признак жизни, поскольку при этом проявляется действиемеханизма наследственности и изменчивости, которые определяют эволюцию всехвидов живой природы;

·       живые организмы передают по наследству заложенную в нихинформацию, необходимую для развития и размножения потомства. Эта информациязаложена в генах — единицах наследственности, мельчайших внутриклеточныхструктурах. Генетический материал определяет направление развития организма.Информация в процессе передачи несколько изменяется, поэтому потомство нетолько похоже на родителей, но и отличается от них;

·       живые организмы хорошо приспособлены к среде обитания исоответствующему образу жизни.

В упрощенном виде можно считать, что все живые организмы питаются,дышат, растут, размножаются и распространяются в природе, а неживые тела непитаются, не дышат, не растут и не размножаются.

Теория саморазвития элементарных открытыхкаталитических систем

Живое вещество разделено на дискретные образования — организмы,более простыми прообразами которых являются элементарные каталитические системыА. П. Руденко. Теория саморазвития элементарных открытых каталитических систем(ЭОКС) в общем виде была выдвинута профессором Московского университета А. П.Руденко в 1964 году и в развернутой форме появилась в 1969 году. Она являетсянаиболее подробно разработанным вариантом общей теории химической эволюции ибиогенеза, решает в комплексе вопросы о движущих силах и механизмеэволюционного процесса, то есть о законах химической эволюции, об отбореэлементов и структур и их причинной обусловленности, об уровне химическойорганизации и иерархии химических систем в процессе эволюции.

Ряд химических процессов вообще невозможно провести без участиякатализаторов. Наиболее сложным случаем катализа является автокатализ, возникающийпри каталитическом воздействии продукта реакции на вступающие в нее исходныевещества. Таким образом, на химическом уровне организации материи возникаетспособность многократного самоускорения, изменения и развития.

Каталитические реакции исключительно разнообразны, многочисленны иявляются главным предметом исследований современной химии.

Свою теорию А. П. Руденко основывал на мультиплетной теории катализаакадемика А. А. Баландина.

Основные положения теории А. А. Баландина сводятся к трем выводам:

1.      Катализатор увеличивает скорость реакции, то есть катализ может бытьтолько положительным.

2.      Катализаторы способны ориентировать реакции в одном из возможныхнаправлений.

3.      Катализаторы химически взаимодействуют с реагентами и образуютпромежуточный (мультиплетный) комплекс, обладающий свойствами переходногосостояния (по иной терминологии — активированный комплекс).

А. П. Руденко называет такой промежуточный комплекс элементарнойкаталитической системой. Если каталитическая реакция сопровождается постояннымпритоком извне новых реактивов, отводом готовых продуктов и выполнением ещенекоторых условий, реакция может протекать неограниченно долго, находясь наодном и том же стационарном уровне. Такие многократно возобновляемые комплексыприобретают статус элементарных открытых каталитических систем.

В работах А. П. Руденко изложена детально разработанная им теорияоткрытых каталитических систем. Выделив четыре принципа описания процессаразвития (вероятностный, кинетический, термодинамический и информационный), онсформулировал с их помощью основной закон саморазвития ЭОКС:

В процессе развития каталитических систем складываются механизмыконкуренции и естественного отбора по параметру абсолютной каталитическойактивности.

Благодаря автокатализу реакции становятся самоускоряющимися, причемна некоторой ступени развития ЭОКС достигается первый кинетический(температурный) предел саморазвития, когда рост абсолютной скорости базиснойреакции начинает лимитироваться постоянным уровнем температуры в системе.Отдельные элементарные каталитические центры приобретают способностьосуществлять одновременно не один, как ранее, а несколько полных цикловбазисной реакции,

При дальнейшем развитии скорость реакции начинает лимитироватьсяконцентрацией реагирующих веществ, и ЭОКС достигает второго кинетическогопредела саморазвития.

Второй кинетический предел преодолевается с помощьюпространственного структурного разобщения полифункционирующих центров катализа.

Концепции возникновения жизни на земле

Многовековые исследования и попытки решения вопросов о происхожденииприроды и сущности жизни породили разные концепции возникновения жизни наЗемле:

1) жизнь возникала неоднократно и самопроизвольно из неживого вещества;

2) жизнь существовала всегда (теория стационарного состояния);

3) жизнь занесена на нашу планету извне (панспермия);

4) жизнь возникла в результате биохимической эволюции.

По существу, это главный способ роста всех живых тканей, всоответствии с которым с матричных Молекул ДНК или РНК считываетсянаследственная информация и на ее основе строится новая молекула. Можносчитать, что второй кинетический предел является пределом добиологическойхимической эволюции, то есть с достижением способности к самовоспроизведениюзавершается наивысший этап химической эволюции сложных каталитических систем.

Аристотель, позже поддерживали Галилей, Декарт, Ламарк, Гегель.Однако еще в 1688 году итальянский биолог Франческо Реди, живший во Флоренции,серией опытов с открытыми и закрытыми сосудами доказал, что появляющиеся вгниющем мясе маленькие черви — это личинки мух, и сформулировал свой принцип:все живое из живого (концепций биогенеза). В 1860 году Луи Пастер доказал, чтобактерии вездесущи и могут заражать неживые вещества, для избавления от нихнеобходима стерилизация. Пастер доказал справедливость теории биогенеза иокончательно опроверг теорию спонтанного зарождения.

Практически одновременно с работами Пастера (в 1865 году) на стыкекосмогонии и физики ученым Г. Рихтером разрабатывается гипотеза занесения живыхсуществ на Землю из космоса — концепция панспермии. Согласно этой идее зародышипростых организмов могли попасть в земные условия вместе с метеоритами икосмической пылью и дать начало эволюции живого, то есть жизнь могла возникнутьв разное время в разных частях Галактики и была перенесена на Землю тем илииным способом. Подобные мысли разделяли крупнейшие ученые конца XIX — начала XXвека: Либих, Кельвин, Гельмгольц и др. В 1908 году шведский химик СвантеАррениус поддержал гипотезу происхождения жизни из космоса. Он описывал, как снаселенных другими существами планет уходят в мировое пространство частичкивещества, пылинки и живые споры микроорганизмов. Частицы жизни, носящиеся вбескрайних просторах космоса, переносились давлением света от звезд, оседали напланеты с подходящими условиями для жизни и начинали новую жизнь на такихпланетах. Эти идеи поддерживали выдающиеся русские ученые академики С. П.Костычев, Л. С. Берг, П. П. Лазарев.

Несколько иную позицию занимал крупнейший русский ученый академик В.И. Вернадский. Он разделял идею вечности жизни, но не в плане ее космическогоперераспределения между планетами, а в смысле неразрывности материи и жизни.Жизнь и материя, по Вернадскому, взаимосвязаны, между ними нет временнойразделенности.

Для обоснования панспермии обычно используют наскальные рисунки сизображением предметов, похожих на ракеты или космонавтов, а также появлениеНЛО. При изучении вещества метеоритов и комет были обнаружены многие«предшественники живого» — органические соединения, синильная кислота, вода,формальдегид, цианогены. В 1975 году предшественники аминокислот найдены влунном грунте и метеори­тах. Сторонники гипотезы занесения жизни из космосасчитают их «семенами», посеянными на Земле.

Тем не менее пока эта гипотеза полного научного обоснования неполучила. При всей широте спектра возможных условий существования живыхорганизмов считается, что они должны погибнуть в космосе под действиемизлучения. Космические исследования до настоящего времени позволяют считать, чтовероятность обнаружить жизнь в пределах Солнечной системы очень мала. Доводы впользу нахождения в метеоритах объектов, напоминающих примитивные формы жизни,пока выглядят малоубедительными. К тому же теория панспермии не предлагаетникакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, а переноситпроблему возникновения жизни в какое-то другое место Вселенной.

Сторонники теории вечного существования жизни считают, что Земляникогда не возникала, а существовала вечно. При этом она всегда была способнаподдерживать жизнь, причем некоторые виды при изменениях условий на планетерезко меняли численность или вымирали. Большая часть доводов в пользу этойтеории связана с такими неясными аспектами эволюции, как значение разрывов впалеонтологической летописи, со все более высокими оценками возраста Земли, собнаружением некоторых видов животных, которые считались ранее вымершими.

Современные представления о происхождении жизни восходят к гипотезамсоветского академика А. И. Опарина (1923 год) и английского естествоиспытателяДжона Скотта Холдейна (1929 год).

Гипотеза возникновения жизни академика А. И. Опарина

Пик исследований А. И. Опарина и его соавторов приходился на 50-60-егоды, хотя его книга «Происхождение жизни» была опубликована еще в 1924 году.

С самого начала этот процесс был связан с геологической эволюцией. Внастоящее время принято считать, что возраст нашей планеты составляет примерно4,3 млрд лет. В далеком прошлом Земля была очень горячей (4000-8000 °С). Помере остывания образовывалась земная кора, а из воды, аммиака, двуокисиуглерода и метана — атмосфера. Такая атмосфера называется «восстановительной»,поскольку не содержит свободного кислорода. При падении температуры наповерхности Земли ниже 100 °С образовались первичные водоемы. Под действиемэлектрических разрядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на газовыесмеси происходил синтез органических веществ-мономеров, которые локальнонакапливались и соединялись друг с другом, образуя полимеры. Можно допустить,что тогда же одновременно с полимеризацией шло образование надмолекулярныхкомплексов-мембран.

По однотипным правилам синтезировались в «первичном бульоне»гидросферы Земли полимеры всех типов: аминокислоты, полисахариды, жирныекислоты, нуклеиновые кислоты, смолы, эфирные масла и др. Это предположение былопроверено экспериментально в 1953 году на установке Стэнли Миллера, которомуудалось получить многие вещества, имеющие важное биологическое значение, в томчисле ряд аминокислот, аденин и простые сахара. Позднее в сходном экспериментебыли синтезированы нуклеотидные цепи длиной в шесть мономерных единиц (простыенуклеиновые кислоты).

Органические вещества скапливались в сравнительно неглубокихводоемах, прогреваемых Солнцем. Солнечное излучение доносило до поверхности Землиультрафиолетовые лучи, которые в наше время сдерживаются озоновым слоематмосферы. Так энергией обеспечивалось протекание химических реакций междуорганическими соединениями и синтез поли­меров.

Молекулы воды, смачивая только гидрофильные концы молекул жиров,ставили их как бы «на голову», гидрофобными концами вверх. Таким способомсоздавался комплекс упорядоченных молекул жиров, которые за счет прибавления кним новых молекул постепенно отграничивали от всей окружающей среды некотороепространство, которое и стало первичной клеткой, или коацерватом —пространственно обособившейся целостной системой. Коацерваты оказалисьспособными поглощать из внешней среды различные органические вещества, чтообеспечивало возможность первичного обмена веществ со средой.

Таким образом, первичная клеточная структура, по Опарину,представляла собой открытую химическую микроструктуру которая была наделенаспособностью к первичному обмену веществ, но еще не имела системы для передачигенетической информации на основе нуклеиновых кислот. Такие системы, черпающиеиз окружающей среды вещества и энергию, могут противостоять нарастанию энтропиии способствовать ее уменьшению в процессе своего роста и развития, что являетсяхарактерным признаком всех живых систем.

Концепция А. И. Опарина в научном мире весьма популярна. Сильной еестороной является точное соответствие теории химической эволюции, согласнокоторой зарождение жизни — закономерный результат. Аргументом в пользу этойконцепции служит возможность экспериментальной проверки ее основных положений влабораторных условиях.

Слабой стороной концепции А. И. Опарина является допущениевозможности самовоспроизведения коацерватных структур в отсутствие систем,обеспечивающих генетическое кодирование. В рамках концепции Опарина не решенаглавная проблема — о движущих силах саморазвития химических систем и переходаот химической эволюции к биологической, о причине таинственного скачка отнеживой материи к живой.

Спорные вопросы концепций происхождения жизни

1)    что было первичным — белки или нуклеиновые кислоты?

2)    если предположить, что эти классы полимеров возникли не одновременно, токак и когда произошло их объединение в единую систему передачи генетическойинформации?

Белки в организме служат катализаторами протекающих биохимическихреакций и являются клеточными структурными элементами. Они представляют собойцепочки аминокислот, удерживающихся пептидными связями. Из огромного арсеналааминокислот для образования животных и растительных белков природа использовала20 типов. Разнообразие белков определяется различными аминокислотами ипоследовательностью их расположения в белковых цепях. Даже при полной

Одним из наиболее сложных вопросов, связанных с происхождениемжизни, является характеристика особенностей доклеточного предка.

идентичности состава и последовательности расположения аминокислотразличия в пространственной структуре белков приводят к разнице в ихфизико-химических свойствах. Белки живого происхождения имеют одинаковуюизомерию, тогда как абиогенно полученные белки содержат равное количествовозможных пространственных структур.

Нужный в данный момент белок синтезируется клеткой из запасенногоматериала с помощью системы воспроизведения, которая содержит в закодированномвиде необходимую информацию. Свои функции система воспроизведения осуществляетпри помощи полимерных соединений дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) ирибонуклеиновой кислоты (РНК). ДНК является хранительницей генетическойинформации, заложенной в последовательность оснований, расположенных вдоль еецепи. РНК способна считывать хранимую в ДНК информацию, переносить ее в среду сисходными для синтеза белка материалами и строить из них нужные белковыемолекулы.

Существует одно важное и пока не нашедшее объяснения различие всвойствах живого и неживого веществ.

Концепция А. И. Опарина относится к группе голобиоза, посколькуисходит из идеи первичности структур типа клеточной, наделенной способностью кэлементарному обмену веществ при участии ферментного механизма. Нуклеиновыекислоты при таком механизме появляются на завершающем этапе.

Примером иной точки зрения служит концепция Дж. Холдейна, согласнокоторой первичной была не структура, способная к обмену веществ с окружающейсредой, а макромо-лекулярная система, подобная гену и способная ксаморепродукции, и потому названная им «голым геном». Подобную группу концепцийназывают генобиозом или информационной гипотезой.

Позиции гипотезы генобиоза заметно укрепились к 1970-м годам, а в1980-е годы в представлениях о доклеточном предке она стала доминирующей. Общеепризнание в рамках этой гипотезы получила идея, согласно которой хиральночистыми молекулярными «блоками», составившими основу для зарождения живого,были макромолекулы ДНК или РНК.

Современные представления о происхождении жизни:проблемы и решения

Оказалось, что РНК наделена такой же генетической памятью, как иДНК, и вопреки устоявшейся генетической догме возможен перенос генетическойинформации от РНК к ДНК при участии фермента, открытого в начале 1970-х годов.Была установлена способность РНК к саморепродукции в отсутствии белковыхферментов, то есть автокаталитическая функция.

Гипотеза о механизме зарождения макромолекул, необходимых длястроительства белка, высказана Эйгеном в работе «Самоорганизация материи в ходехимической эволюции» (1971). Эйген распространил на процессы, которые должныбыли происходить при эволюционном скачке, принцип дарвиновского отбора и ввелпонятие конкуренции гиперциклов, или циклов химических реакций, которыеприводят к образованию белковых молекул. Циклы, работающие быстрее и эффективнееостальных, выживают и побеждают в конкурентной борьбе. Как можно досюдадочитать и не охуеть? Пищей служат молекулы мономеров, которые поглощаются приполимеризации или в ходе циклов реакций. В «первичном бульоне» присутствуют икатализаторы химических реакций, которые образуются в них как промежуточныепродукты, то есть возникает автокаталитическая самоорганизующаяся система.

После того как образовался «первичный бульон» из углеродныхсоединений, появилась возможность образования биополимеров — нуклеиновых кислоти белков, обладающих свойствами самовоспроизводства. В результате осажденияорганических соединений на минеральных телах, например на глине дна водоемов,возникла концентрация, необходимая для образования полимеров. Вода в начальныйпериод формирования нашей планеты непрерывно перемещала растворенные в нейвещества из мест образования в места накопления, где формировались протобионты(системы органических веществ, способные расти и развиваться за счет поглощенияиз окружающей среды богатых энергией веществ).

Далее образовались микросферы, или коацерваты (сгустки органическихвеществ), между которыми выстраивались молекулы сложных углеводородов, чтоприводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающейкоацерватам стабильность. Включение в коацерват молекулы, способной ксамовоспроизведению, приводило к возникновению примитивной клетки, котораямогла расти. Мембраны располагались на поверхности клетки, а также многократнопрошивали ее насквозь в разных направлениях, образуя внутреннюю сеть мембран.На мембранах концентрировались абиогенно синтезированные ферменты, чтоупорядочило обмен веществ в клетках. Он начал зависеть от свойств и порядкарасположения ферментов на мембранах. У нуклеиновых кислот, которыесинтезировались абиогенно, еще не было однозначно заданных матриц, всоответствии с которыми каждая новая молекула нуклеиновых кислот копируетпоследовательность азотистых оснований молекулы-матрицы.

Строение молекул ДНК те первые клетки через ряд последующихпоколений передали клеткам современных организмов. Таким образом, современныеклетки происходят из большого количества абиогенно сформировавшихся прототипов.

Древнейшая жизнь, вероятно, существовала в качестве гетеротрофныхбактерий, получавших пищу и энергию от органического материала абиогенногопроисхождения, образовавшегося на еще более ранней стадии эволюции Земли.Исходя из этого, можно представить, что начало жизни на нашей планетеотодвигается более чем на 4 млрд лет назад, то есть жизнь на Земле существуетпримерно столько же времени, сколько существует сама планета.

Заключение

Тех, кто задумывался над тайнами природы, с самых древних временвлекла, а порой и от­пугивала своей недоступностью одна из глубочайших тайн впознании мира — вопрос о сущ­ности жизни.

Тысячелетия загадка жизни оставалась прибежищем метафизики, областьюверований, а не знания. Жизнь рассматривалась как сверхъестественное и потомунепознаваемое явление. Многие авторы, расходясь в мелочах, сходи­лись вутверждении, что живые существа и жизненные процессы не могут быть объяснены влогических понятиях.

Реальное развитие науки, как известно, опровергло все эти вековыезаблуждения. Стоит ли напоминать, что раскрыт генетический код, выяснена трехмернаяструктура белковой молекулы? В отношении химического состава живых объ­ектовможно сказать, что практически достигнут предел: мы знаем этот состав с почтиис­черпывающей полнотой, и вряд ли нас ожидают какие-либо крупные сюрпризы наэтом пути.

Список литературы

Войткевич Г. В. Возникновение иразвитие жизни на Земле. — М., 1988.

Кастлер Г. Возникновение биологическойорганизации. — М., 1967.

Кузнецов В. И. Общая химия. Тенденцииразвития. — М., 1989.

Опарин А. И. Жизнь, ее природа,происхождение и развитие: 2-е изд.-М., 1968.

Эйген М., Винклер Р. Игра жизни. —М., 1979.

Чипндейл П. Порядок и беспорядок вприроде. — М., 1987.