Возникновение жизни на Земле – основные теории и гипотезы

Теории происхождения жизни

Теория креационизма (лат. creatio – творение)

С самого раннего момента своего появления человечество наделяло природу особыми свойствами: существовал тотемизм – поклонение какому-либо животному или растению как своему мифическому защитнику. С течением времени появились монотеистические религии, в которых утверждалось, что настоящий мир создан творцом в результате акта сверхъестественного творения.

За всю историю существования человечества сторонниками этой теории не было приведено ни одного подтверждающего доказательства. Справедливо отметить, что и опровергнуть эту теорию невозможно. Основополагающим моментом здесь являются не факты, а вера.

Теория стационарного состояния

Согласно данной теории, жизнь никто и ничто не создал(о) – жизнь, как и Вселенная, существует вечно, не имея точки начала и конца. Отдельные тела в этой системе – галактики, звезды, небесные тела и живые организмы – рождаются и умирают.

Теория панспермии (греч. pan — всё и sperma — семя)

После формирования и остывания нашей планеты на ее поверхности сложились условия благоприятные для развития жизни. Теория панспермии гласит о том, что жизнь на нашу планету была занесена извне, из космоса с падением метеороида или астероида. На Землю попали зачатки живого – споры бактерий, вирусы.

Теория самозарождения

Сторонники этой теории считали (или считают, если такие еще остались)), что жизнь способна самозарождаться из неживого. Еще Аристотель считал, что личинки, из которых появляются мухи, самозарождаются в гниющем мясе. Эти представления были довольно долго распространены и популярны.

Особое внимание обратим на витализм (лат. vitalis — жизненный) – учение о существовании нематериальной сверхъестественной жизненной силы, управляющей жизненными явлениями. Витализм и теория самозарождения тесно взаимосвязаны.

Особенно активно эти идеи обсуждались в конце XVI века, когда апогея достигла легенда о гомункулусе. Свой рецепт “приготовления” гомункулуса Парацельс описывает так: “Возьмите сперму и заставьте ее гнить 7 суток в запечатанной тыкве, а затем в течение 40 недель в лошадином желудке, ежедневно добавляя кровь. В результате произойдет живой ребенок, как дитя, родившееся от женщины”.

Кажется что-то таинственное и магическое скрыто за этими древними строками, однако это всего лишь остроумная шутка, на которую попались многие, даже из числа наших современников. Первым аргументированно попытался опровергнуть теорию самозарождения жизни Франческо Реди в 1668 году.

Опыт Франческо Реди состоял в доказательстве того факта, что в плотно закрытых банках, куда не могут попасть мухи, не развиваются и черви – их личинки. В таких банках мясо гниет, но не “производит” червей. Ранее Уильям Гарвей, английский медик, постулировал: “Все живое происходит из яйца”.

Казалось бы, теория самозарождения опровергнута – точка. Но хитрые виталисты обвинили Франческо Реди в том, что закрыв банки тканью, он предотвратил доступ в них жизненной силе, и, естественно, жизнь в них не зародилась. Так что теория самозарождения пошатнулась, не более, но выстояла этот удар.

Лишь спустя почти 200 лет – в 1862 году – Луи Пастер нанес сокрушительный удар по виталистам, окончательно развенчав теорию самозарождения. Пастер кипятил в S-образной колбе молоко, в котором находились микроорганизмы. После кипячения колбы оставляли на открытом воздухе. За счет S-образной колбы бактерии оседали на стенках, не достигали молока: процессы брожения и гниения не начинались.

Это был сокрушительный удар по виталистам! Они не могли обвинить Пастера, как Франческо Реди, в том, что жизненная сила не проникает в колбу, так как просвет S-образной колбы сообщался с внешней средой. Таким образом, Луи Пастер доказал, что зарождение микроорганизмов в гниющих бульонах не является самозарождением жизни, а возникает только при непосредственном сообщении бульона с воздухом.

В честь Луи Пастера процесс тепловой обработки пищевых продуктов называется пастеризацией. Она представляет собой нагревание жидких продуктов до 60-70 °C в течение 60 минут, в результате чего болезнетворные микроорганизмы погибают. Это позволяет сохранить продукты свежими на долгое время.

Гипотеза А.И. Опарина абиогенного происхождения жизни

Одним из первых в 1924 году научно пытался обосновать появление жизни на земле советский ученый Опарин, а через 5 лет в – 1929 году – Дж. Холдейн. Согласно теории Опарина, жизнь представляет собой закономерный этап эволюции химических соединений – молекулярных преобразований, их полимеризации, возникновение более сложных по строению веществ. Процессы возникновения жизни по Опарину делятся на 3 этапа:

• Возникновение органических веществ из неорганических. Образование первичного бульона
• Усложнение строения веществ (появление белков, нуклеиновых кислот). Формирование коацерватов – капель с большой концентрацией коллоида
• Возникновение самовоспроизводящихся организмов, появление в них матричного синтеза на основе РНК, затем и ДНК

В результате таких преобразований из первичного бульона возникли первые прокариотические клетки.

Теорию Опарина и Холдейна подверглась проверке на практике. Первые эксперименты провел С. Миллер, пытавшийся синтезировать органические вещества из неорганических. Миллер использовал колбу, в которой непрерывно циркулировали метан, аммиак, водород и угарный газ (CO) – когда-то составлявшие атмосферу Земли (кислород в ее составе отсутствовал).

По итогам эксперимента в системе появились аминокислоты, сахара, жиры и даже предшественники нуклеиновых кислот.

С точки зрения вероятности возникновение жизни весьма маловероятно, однако учитывая очень долгое время (1 млрд. лет от появления Земли) вероятность такого события значительно возрастает.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Теории происхождения жизни на Земле

1. Жизнь создана Творцом – Богом (Креационизм)

Креационизм – божественное сотворение человека и всего живого. В Библии сказано: «В начале сотворил Бог небо и землю». На 5 день Бог сказал: «Да произведет вода пресмыкающихся, душу живую и птицы да полетят над землею по тверди небесной». На 6 день: «И сотворил Бог человека по образу Своему…» (Бытие, 1:2-31).

Эта теория, вероятнее всего, появилась первой из всех существующих. До Библии также были и другие литературные источники (Веды – брахманизм, Авеста – зороастризм), в которых описывается процесс сотворения всего живого Богом. Основой этой теории является вера в Бога (Абсолют, Высшее существо), обладающего неограниченной силой и возможностью сотворить любой материальный объект, будь то человек или какое-то животное или предмет.

Достоинства такой теории – ее универсальность. Все что происходит в мире (не только зарождение жизни) трактуются, как Воля Божья, и человеку нет надобности задумываться над причинами, порождающими тот или иной процесс.

2. Многократное самозарождение жизни

Данная теория – многократное самопроизвольное зарождение жизни из неживого вещества – появилась в античные времена. Демокрит (460-370 годы до н.э.) и Эпикур (341-270 годы до н.

Идея самозарождения была широко распространена в Средние века, эпоху Возрождения. Тогда допускали возможность самозарождения не только простых, но и весьма высокоорганизованных существ, даже млекопитающих. Достоинством этой теории являлась ее наглядность. В те времена можно было взять любой кусок еды и убедиться, что спустя какое-то время в нем появятся мелкие червячки или плесень. Все, вопрос решен.

Но в те времена не знали еще, что такое микроскоп, микробы, биологический цикл развития насекомых (растений) и т.п. Лишь в 1668 году врач Франческо Реди (1626-1698 годы) смог доказать, что белые черви, которые развиваются в гниющем мясе, представляют собой личинки мух. А в середине XIX столетия ученый Луи Пастер (1822-1895 годы) показал, что не только в запаянном сосуде, но и в незакрытой колбе с S образной горловиной хорошо прокипячённый бульон остаётся стерильным – через такую горловину не могут проникнуть микробы. Положение «все живое из живого» окончательно отвергло теорию многократного самозарождения жизни.

3. Бесконечное существование жизни

Эта теория стационарного состояния, по которой жизнь существовала всегда, весьма проста по своей сути. Вопрос происхождения жизни на Земле отпадает, потому как нет точки отсчета нашего материального мира. Это, пожалуй, единственный плюс. Но ученые сегодня доказывают теорию Большого Взрыва, по которой наша Вселенная возникла из точки – некоего сильно сжатого вещества, обладающего бесконечно большой энергетической емкостью. И в настоящее время все космические тела нашей Вселенной равномерно удаляются от некоего центра, что подтверждается эффектом Доплера и обнаруженным реликтовым излучением звезд.

Следовательно, теория Большого Взрыва опровергает теорию бесконечного существования жизни во Вселенной, указывая приблизительный возраст Вселенной 15 млрд. лет. И потому жизнь не могла существовать бесконечно, в том числе и до начала Вселенной. Потому данная концепция, вероятно, самая бесперспективная из всех.

4. Внеземное происхождение жизни (Панспермия)

Панспермия, как теория появилась в XIX-XX вв. из-за окончательного краха концепции многократного самозарождения и нежелания научной общественности возвращаться к религиозным идеям Творца. Основное положение данной версии состоит в том, что некие «зародыши жизни» блуждают в космосе до тех пор, пока не попадают на подходящую по своим условиям планету – там они и дают начало биологической эволюции.

Первое детальное рассмотрение этого процесса по Герману Ван Гельмгольцу (1821-1894 годы) предполагает, что во Вселенной существует множество миров, несущих жизнь. Они время от времени разрушаются от столкновений с другими космическими телами и их обломки, которые содержат некоторое количество живых существ, рассеиваются в космическом пространстве.

Дальше данная теория была тщательно разработана в 1908 году шведским химиком Сванте Аррениусом (1859-1927 годы). Он предположил, что бактериальные споры или вирусы могли быть унесены с планет под воздействием электростатического электричества и дальше перемещались в пространстве под давлением света звезд. После данные споры оседали на частичках пыли и захватывались планетами уже другой звездной системы. Так, жизнь могла перемещаться с одной планеты (звездной системы) на другую.

Косвенным подтверждением данной концепции на сегодня являются исследования химического состава небесных тел, каждый год падающих на нашу планету. В составе некоторых метеоритов присутствовали простейшие аминокислоты.

• Еще одну теорию происхождения жизни на Земле, предлагает наука об изучении НЛО – уфология. Если на данный момент человечество развивается эволюционным путем, то существует вероятность, что цивилизации неких разумных существ существовали (существуют) и до нас в других звездных системах. Причем прогресс науки и техники у них ушел значительно дальше, чем у нас. Следовательно и жизнь на Землю могла быть занесена извне некой внеземной цивилизацией. Несмотря на всю фантастичность этих положений, нельзя их отбрасывать на том основании, что это все плоды воспаленного воображения законченных романтиков и ученый мир еще не получил ни одного подтверждения существования внеземного разума. Да и рассекреченные документы Пентагона, которые подтверждают факт крушения некого неопознанного аппарата в штате Невада и описывающие процесс изучения тел неких существ, которые находились внутри корабля, по сути опровергают мнение что мы одни во Вселенной.

Но если жизнь на Землю была занесена с другой планеты, то как она могла появиться там? Не забываем, что у Вселенной есть конкретный возраст. Панспермия не дает ответа.

5. Однократное уникальное возникновение жизни

Теория А. И. Опарина

На сегодня имеется много теорий происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам. Но начало этому направлению исследований положил русский ученый А. И. Опарин (1894-1980 годы). Им была предложена теория возникновения жизни на Земле как следствия химических процессов, протекающих на ранней стадии формирования нашей планеты. Опарин ввел понятие «первичного бульона», состоявший из воды и органических соединений, во множестве синтезирующихся и накапливающихся под воздействием восстановительной (мало кислорода) атмосферы молодой Земли. Энергию для таких реакций давала солнечная радиация, не сдерживаемая еще не сформировавшимся тогда озоновым слоем. Из данного бульона в результате химических процессов и появилась первая клетка, давшая начало эволюции. Версия Опарина была в последствии косвенно подтверждена многими опытами.

• Другая версия возникновения жизни на Земле (Уильям Мартин из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе и Майкл Рассел из Центра изучения окружающей среды, Университет Шотландии, Глазго) предполагает, что первые живые организмы на Земле появились внутри камней, выстилающих океанское дно. Больше 4 миллиардов лет назад крошечные полости внутри минералов могли выступить в роли клеток. Ключевой момент в этой концепции – отложения сульфида железа. В горячих источниках на дне океана это соединение образует “соты” с ячейками шириной в несколько сотых миллиметра.

Эта теория предполагает, что возникновение клетки предшествовало возникновению белков и самореплицирующихся молекул. С притоком горячей воды в ячейки попадают ионы аммония и монооксид углерода, сульфид железа выступает в роли одного из катализаторов синтеза органических веществ из неорганических. Простые соединения концентрировались в “камерах” из сульфида железа, что могло привести к появлению сложных молекул – белков и нуклеиновых кислот. Мартин и Рассел предположили, что живые организмы покинули каменные ячейки, когда научились самостоятельно строить клеточную стенку.

6. Гипотеза генобиоза (Дж. Б. С. Холдейн)

Американский ученый Холдейн полагал, что первичной была не структура, способная к обмену веществ с окружающей средой, а мокромолекулярная си-ма, подобная гену и способная к репродукции, а поэтому и названным им «голым геном». Общее признание эта теория получила после открытия РНК и ДНК и их феноменальных свойств.

По этой генетической концепции, в начале появились нуклеиновые кислоты как матричная основа синтеза белков. В первый раз она была выдвинута в 1929 году Г. Меллером.

Экспериментально доказали, что несложные нуклеиновые кислоты способны реплицироваться и без ферментов. Синтез белков на рибосомах идет при участии т – РНК и р – РНК. Они могут строить не просто случайные сочетания аминокислот, а упорядоченные полимеры белком. Может быть, первичные рибосомы состояли только из РНК. Такие безбелковые рибосомы могли синтезировать упорядоченные пептиды при участии молекул т – РНК, которые связывались с р – РНК через спаривание оснований.

На последующей стадии химической эволюции начали появляться матрицы, которые определяли последовательность молекул т – РНК, а тем самым и последовательность аминокислот, которые связываются молекулами т – РНК. Способность нуклеиновых кислот служить матрицами при образовании комплиментарных цепей (к примеру, синтез и – РНК на ДНК) – наиболее убедительный аргумент в пользу представлений о ведущем значении в процессе биогенеза наследственного аппарата и, как следствие, в пользу генетической гипотезы происхождения жизни на Земле.

7. Теория катастроф

По теории, которую разработал Жорж Кювье, наш мир, вовсе не является первичным. Он является, всего лишь очередным звеном последовательно разрывающейся цепочки. Это означает, мы живем в мире, который в последствии подвергнется массовому вымиранию жизни. При этом не все на нашей планете подвергается глобальному уничтожению, например наступал потоп. Некоторые из видов, в силу своей приспосабливаемости смогли выжить, тем самым заселяя планету. Строение видов и жизни, по утверждению Жоржа Кювье оставалось неизменным.

8. Теория о глине

1985 год – А. Дж. Кернс-Смит, ученый-химик выдвинул свою концепцию о том, что жизнь на Земле возникла благодаря глине. Формируя свою теорию, он опирался на такие же предположения других научных деятелей. Ученый предположил, что некие органические частицы, попав между двумя глиняными слоями, начинали активное взаимодействие с природным материалом. Они переняли у глины способ роста и хранения информации. Исследователь в своих докладах называл первичным глиняный ген. Он полагал, что изначально глина и первые живые организмы существовали вместе, а в последствии в результате эволюции органических соединений разделились.

7 самых важных теорий происхождения жизни

Есть разные теории происхождения жизни и они пытаются объяснить, как живые существа возникли на планете Земля. В общих чертах, мы можем разделить теории происхождения жизни на две группы: религиозные и научные..

Согласно религии, жизнь была создана верховным существом. Эта теория известна как креационизм. Эта теория основана на сверхъестественных объяснениях и отвергает концепцию эволюции вида..

С другой стороны, есть несколько научных теорий, которые пытаются объяснить происхождение жизни. Многие из них уже сброшены.

В число научных теорий входят спонтанная генерация, теория панспермии, теория химической эволюции и теория Миллера-Юри..

Теория самозарождения указывает на то, что жизнь может возникнуть из инертной материи. Например, мухи возникают из навоза. Теория панспермии гласит, что жизнь возникла не на Земле, а из космоса.

Со своей стороны, теория химической эволюции утверждает, что жизнь сформировалась из ряда химических реакций, которые привели к постепенным изменениям. Эта теория была поднята независимо двумя учеными: Опарином и Холдейном.

Наконец, теория Миллера-Юри следует той же линии исследований, что и теория Опарина-Холдейна..

• 1 Основные теории происхождения жизни
  • 1.1 Теория креационизма
  • 1.2 Теория самозарождения
  • 1.3 Теория панспермии
  • 1.4 Теория химической эволюции или первичного абиогенеза
  • 1.5 Теория Миллера-Юри или теория первичного бульона
  • 1.6 Теория РНК против теория белков
  • 1.7 Теория гидротермальных источников
• 2 Ссылки

Основные теории происхождения жизни

Теория креационизма

Теория креационизма утверждает, что жизнь возникла благодаря вмешательству высшего существа (Бога). Эта теория основана на библейском описании, согласно которому все творение произошло за три дня..

В Библии указано, что в первый день Бог сотворил небо и землю. Ко второму я создаю день и ночь, свет и тьму. На третий день он создал моря и растительность (первый признак жизни на Земле).

На четвертый день Бог создал солнце и луну, чтобы отличать день от ночи. Он также создал звезды. На пятый день были созданы водные существа и птицы.

На шестой день были созданы наземные животные. В этот же день Бог создал человека из пыли.

Видя, что мужчина остался один, он решил создать партнера. Таким образом он спал с мужчиной, снял пару ребер и создал первую женщину. Наконец, на седьмой день Бог почил.

Все это можно найти в первых двух главах книги Бытия, которая является первой книгой Библии. Эта история является основой многих религий.

Теория самозарождения

Спонтанное поколение указывает на то, что жизнь может быть произведена из инертной материи. Например, мыши поступают из газетной бумаги, мухи возникают из навоза и мусора, а утки – из плодов некоторых растений..

Теории о самозарождении очень древние, такие же древние, как египетская и месопотамская цивилизации..

В Древнем Египте считалось, что из грязи, найденной на берегах Нила, появились жабы, черви и крысы..

Греческий философ Аристотель (384 г. до н.э.-322 г. н.э.) поддержал теорию самозарождения. Считалось, что рыба может возникнуть из листьев деревьев, которые упали в пруд. С другой стороны, листья, которые упали на землю, породили червей и насекомых.

До XIX века многие ученые считали эту теорию правильной. Россо (английский натуралист) отметил, что «сомневаться в том, что жуки порождаются коровьим навозом, значит сомневаться в рассудке, суждении и опыте».

Уильям Харви (ученый, открывший циркуляцию крови) и Ван Хельмонт (врач и ботаник) также верили в спонтанное поколение.

На самом деле, Ван Хельмонт утверждал, что у него есть способ искусственно создавать мышей. Этот метод состоял из помещения пшеницы, потных предметов одежды и соломы в картонную коробку. Через месяц, мыши были бы спонтанно сформированы.

Эта теория путала влечение с поколением. Очевидно, что навоз привлекает мух, которые откладывают яйца, порождая новых мух, но это не означает, что эти насекомые были созданы навозом.

В семнадцатом веке противодействие этой теории началось. Одна из первых работ против самопроизвольной генерации была сделана Франциско Реди в 1665 году. Работа Реди была основана на предпосылке, что гнилое мясо порождает мух.

Для развития своих исследований Реди выдвинул две гипотезы: (а) что мухи возникают из мяса путем самопроизвольного рождения, и (б) мухи рождаются из яиц, которые другие мухи оставили в гнилом мясе.

Он провел эксперимент с двумя контейнерами с гниющим мясом внутри. Один из контейнеров был обнаружен, а другой был закрыт.

После нескольких дней Реди заметил, что в обнаженной плоти были личинки и мухи, в то время как мясо из покрытой бутылки не представляло ни одного из двух..

Таким образом, Реди доказал, что мухи не возникли из гнилой плоти. Несмотря на открытия Реди, многие ученые продолжали верить в спонтанное поколение.

Именно работы Луиса Пастера дали последний удар по этой теории. Этот ученый проводил эксперименты с горячими бульонами.

Он пришел к выводу, что микроорганизмы не пришли из бульона, но они были в воздухе и нашли бульон, пригодный для размножения. Таким образом, теория самозарождения была дискредитирована.

Теория панспермии

Теория панспермии указывает на то, что жизнь возникла не на планете Земля, а из космоса в форме бактерий и других микроорганизмов..

Эти организмы прибыли на Землю в переносе космической пыли и метеоритов, которые были притянуты земной гравитацией..

Эта теория была поднята Рихтером в 1865 году и получила поддержку других ученых (таких как Аррениус).

Однако эта гипотеза не предоставляет достаточных доказательств, которые могли бы доказать ее правдивость, поэтому она была исключена.

Теория панспермии указывает на то, что микроорганизмы были способны противостоять интенсивному холоду (вакуум в космическом пространстве) и высоким температурам (при входе в атмосферу Земли).

Это объяснение кажется невозможным, поскольку нет известных организмов, способных выдержать эти условия.

Кроме того, теория панспермии не объясняет, как появился этот внеземный микроорганизм. По этой причине он не предлагает истинного объяснения происхождения жизни.

Теория химической эволюции или первичного абиогенеза

Теория химической эволюции, также называемая теорией Опарина-Холдейна, указывает, что жизнь на Земле возникла в результате серии химических изменений (эволюций), которые произошли 3000 миллионов лет назад..

Согласно этой теории, спонтанная генерация невозможна в современных условиях Земли. Тем не менее, условия были разные миллиарды лет назад (когда планета была создана).

В 1920-х годах Александр Опарин (российский химик) отметил, что жизнь возникла из мертвой материи благодаря окружающей среде, которую представляет Земля.

Эта теория известна как теория первичного абиогенеза, потому что миллионы лет назад первый клетка, и эта клетка породила другие.

Одновременно J.B.S. Холдейн (британский ученый) пришел к тем же выводам, что и Опарин.

Эти ученые заявили, что первые молекулы были сформированы, необходимые для развития живых существ. Сначала были созданы аминокислоты, а затем они были объединены, чтобы получить сложные полимеры.

Как только все необходимые молекулы были разработаны, они собрались вместе, чтобы породить первый примитивный организм..

Опарин предположил, что каким-то образом этот организм эволюционировал химически. Этот организм сумел отделить свои компоненты от остальной среды благодаря единой клеточной стенке, образующей структуру, похожую на структуру пузыря. Таким образом появилась первичная клетка.

Работы Опарина были опубликованы на английском языке в 1938 году и не получили того внимания, которого они заслуживали. Однако Гарольд Юри и его ученик Стэнли Миллер решили пойти по пути изучения русского языка.

Теория Миллера-Юри или теория первичного бульона

Теория Миллера-Юри основана на теории первичного абиогенеза. Эти два ученых пытались воссоздать условия Земли в ее ранние годы.

Это было сделано для того, чтобы продемонстрировать, что жизнь могла возникнуть благодаря реакциям, которые произошли в земной среде с дефицитом кислорода.

Для этого они разработали атмосферу, богатую водородом и испытывающую недостаток кислорода в газообразной форме. Эта атмосфера была перевернута на жидкой среде (чтобы воссоздать океан, в котором, как считается, возникла жизнь).

Все это происходило при температуре 100 ° С, при этом подвергаясь постоянным электрическим разрядам (имитирующим молнии). Эта среда, созданная Миллером и Юри, представляет собой первичный бульон, в котором возникла жизнь.

Неделю спустя Миллер и Юри заметили, что около 15% метана, присутствующего в искусственной атмосфере, было преобразовано в более простые углеродные соединения (такие как формальдегиды)..

Впоследствии эти простые соединения были объединены в молекулы, такие как муравьиная кислота, мочевина и аминокислоты (такие как глицин и аланин)..

Аминокислоты являются одной из важнейших структур для образования белков и других сложных молекул, необходимых для образования живых существ..

Примечательно то, что обнаружили, что некоторые из элементов отвар Миллера-Юри не присутствовали в оригинальной атмосфере Земли.

Однако этот эксперимент показал, что молекулы, необходимые для развития устойчивой жизни, могут образовываться естественным путем из неорганических элементов..

Теория РНК против теория белков

После того, как была установлена ​​вероятность того, что молекулы могли возникнуть более спонтанно на ранней Земле, был сгенерирован следующим вопрос: какие молекулы пришел первый: рибонуклеиновая кислота (РНК) или белки?

Теория РНК

Сторонники теории РНК утверждают, что эта наследственная молекула необходима для развития других соединений..

Эта теория приобрела важность, когда Томас Чех открыл рибозимы, молекулы РНК, которые содержат ферменты..

Эти ферменты обладают способностью создавать связи между аминокислотами для образования белков. Таким образом, если молекулы РНК могут передавать информацию и действовать в качестве ферментов, для чего нужны белки??

Теория белков

Сторонники теории указывают, что белки без ферментов (которые представляют собой белки) любая молекула может быть воспроизведена (даже РНК).

Кроме того, эта теория указывает, что нуклеотиды (компоненты нуклеиновых кислот) слишком сложны, чтобы спонтанно образовываться.

В добавление к этому, белки гораздо проще синтезировать (как доказал эксперимент Миллера-Юри).

Следует отметить, что нуклеотиды также могут образовываться из неорганических компонентов, если условия являются адекватными.

Как видите, высказывание того, что появилось раньше (РНК или белки), является парадоксом, который еще не решен..

Теория гидротермальных источников

Первобытная атмосфера Земли была враждебной, с небольшим количеством кислорода в газообразном состоянии. Не было озонового слоя, который защитил бы планету.

Это означает, что солнечные ультрафиолетовые лучи могут легко достичь поверхности земли. Поэтому жизнь на Земле была невозможна.

Это привело многие ученые conjeturen, что первые люди пришли в глубокие воды, где не хватает ультрафиолетовых лучей.

В частности, считается, что жизнь зародилась вблизи гидротермальных источников. Хотя эти источники воды удивительно жарко, даже сегодня показывают примитивные формы жизни, которые могут возникнуть в докембрии.

По этой причине очень правдоподобно думать, что первые организмы появились под водой. Оттуда они развились, чтобы сформировать различные виды, которые мы знаем сегодня.

Гипотезы о происхождении жизни

Урок 29. Общая биология 11 класс ФГОС

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока “Гипотезы о происхождении жизни”

Недостаток фактов и подтверждений приводит к расхождению мнений учёных о возникновении жизни.

Существует несколько основных гипотез. Познакомимся с ними немного подробнее.

Итак, гипотеза креационизма. В переводе от латинского (сгеatio — сотворение).

Креационизм — это гипотеза возникновения жизни, согласно которой основные формы органического мира (жизнь, человечество, планета Земля, а также мир в целом), рассматриваются как непосредственно созданные Творцом, или Богом.

Согласно библейскому сказанию о сотворении мира, Бог создал Землю за 6 дней.

Научный креационизм ― ищет доказательство этой гипотезы в ряде различных эпизодов библейской истории, описанных в Книге Бытия Ветхого завета.

Научный креационизм это одно из наиболее активных движений христианских фундаменталистов, возникшее и активно развивающееся в США, а также получающее некоторое распространение в других странах. Оно стремится доказать абсолютную библейскую безошибочность в вопросах естествознания и опровергнуть научные свидетельства эволюции.

Однако многие священники выступают против научного креационизма. Так как полагают что верующие постигают истину через Божественное откровение и веру, а поэтому им не нужны доказательства Божественного возникновения жизни.

Гипотезу божественного возникновения живого можно принять только на веру, так как ее нельзя экспериментально проверить или опровергнуть. Следовательно, она не может рассматриваться с научной точки зрения.

Гипотеза самопроизвольного зарождения жизни. Ее приверженцы убеждены, что жизнь зарождается самопроизвольно из неживой материи.

Так, великий Аристотель, изучая угрей, установил, что среди них не встречаются особи с икрой или молоками. На основании этого он предположил, что угри рождаются из «колбасок» ила, образующихся от трения взрослой рыбы о дно.

А голландский учёный Ян ван Гельмонт в 17 веке описал свой опыт, утверждая, что живые мыши якобы зарождались у него из грязного белья и горсти пшеницы, запертых в шкафу.

Другой натуралист, Гриндель фон Ах, писал о якобы наблюдавшемся им самозарождении живой лягушки.

Натуралист взял каплю майской росы и, тщательно наблюдая за ней под микроскопом, заметил какое–то существо.

Наблюдая за ними через некоторое время, заметил, что появилось уже туловище, но голова ещё казалась не ясно сформированной. Продолжая свои наблюдения убедился, что наблюдаемое существо не что иное, как лягушка с головой и ногами.

Предполагалось также, что одни формы могут порождать другие, например, из плодов могут образовываться птицы и животные.

Первым кто попытался проверить идею о самопроизвольном зарождении был итальянский учёный, врач и натуралист ― Франческо Реди в 1668 году.

Он взял четыре сосуда. В один из них он поместил мёртвую змею, в другой ― немного рыбы, в третий ― дохлых угрей, в четвёртый ― кусок телятины. Затем плотно закрыл их и запечатал.

После он поместил то же самое в четыре других сосуда, оставив их открытыми. Вскоре мясо и рыба зачервивели. Можно было видеть, как мухи свободно залетают в сосуды и вылетают из них. Но в запечатанных сосудах такого не наблюдалось. На основании данного эксперимента был сделан вывод что личинки появились не самопроизвольно, а из отложенных мухами яиц».

Таким образом, Франческо Реди породил сомнения о самопроизвольном зарождении жизни. Но многие все же оставались приверженцами этой идеи. Так как факты, открытые Реди, не были до конца обоснованными.

Следующим, кто попытался опровергнуть эту идею, стал итальянский учёный Ладзаро Спалланцани в 1675 году. Он прокипятил в сосуде крепкий мясной бульон. Оставил его на несколько дней и заметил, что в бульоне стали развиваться микроорганизмы….

Затем он проделал тот же опыт, но уже с запаянным сосудом. Прошло несколько дней, но никаких признаков жизни в бульоне не обнаружилось.

Но и здесь сторонники идеи о самопроизвольном зарождении жизни не стали в это верить так как считали что «жизненная сила» разрушилась от высокой температуры.

В 1862 году французский микробиолог Луи Пастер совместно с физиологом Клодом Бернаром доказали, что жизнь не может зарождаться самопроизвольно.

Луи Пастер взял сосуд, в котором содержалась настойка из органического вещества, прозрачная, как дистиллированная вода. Сначала он прокипятил этот сосуд, для того что бы уничтожить зародыши организмов, которые, возможно, находились в жидкости или на поверхности стенок сосуда. Но через какое-то время в сосуде все же появились маленькие организмы и хлопья плесени.

Затем он повторил опыт, но уже с другим сосудом, горлышко которого было вытянуто и имело эс-образную форму.

Настойку из органического вещества в сосуде он довёл до кипения, затем охладил. Жидкость осталась неизменной в течение длительного времени.

Секрет долгого хранения жидкости кроется в горлышке сосуда эс-образной формы.

В сосуде с обычным горлышком пыль, взвешенная в воздухе, и зародыши организмов свободно проходят через горлышко сосуда и приходят в соприкосновение с жидкостью, в которой они находят пищу, обеспечивающую их развитие. Отсюда и появление микроскопических существ.

А в сосуде с вытянутым эс-образным горлышком попадание внутрь пыли затрудняется. Эс-образная трубка изолировала содержимое колбы от внешнего воздуха, благодаря оседавшему на её внутренних стенках водяному пару. Образовавшаяся в результате его конденсации влага играла роль фильтра, не пропускавшего бактерии из окружающего колбу воздуха. Пыль и все плотные частицы соединялись с каплями воды, попадали в шейку сосуда и задерживались в месте изгиба.

Однако стоило отломить горлышко, как вскоре в колбе начинали развиваться бактерии. Это убедительно доказывало, что микроорганизмы распространяются по воздуху, а не зарождаются самопроизвольно.

Пастер показал, что бактерии могут возникнуть только от других бактерий. Так окончательно была опровергнута гипотеза самозарождении жизни. На основании этого был сформулирован закон «Всё живое происходит из живого».

Однако учёные задумались над вопросом. Если для возникновения живого организма необходим другой живой организм, то откуда взялся первый живой организм?

Это дало толчок к возникновению гипотезы панспермии, которая имела и имеет много сторонников. Они считают, что впервые жизнь возникла не на Земле, а была занесена каким-то образом на нашу планету.

Сторонники этой гипотезы считают, что в кусках камня могли сохраниться замёрзшие примитивные формы жизни, «зародыши жизни», способные выдерживать экстремальные температуры и вакуумное пространство.

Однако гипотеза панспермии пытается лишь объяснить появление жизни на Земле. Она не отвечает на вопрос, как возникла жизнь.

Следующая гипотеза о происхождении жизни, которая легла в основу современных представлений, ― это гипотеза биохимической эволюции.

Гипотеза Опарина ― Холдейна, которую высказали в 20-е годы 20-го века русский учёный Александр Иванович Опарин и англичанин Джон Холдейн.

В 1924 г. Опарин опубликовал основные положения своей гипотезы происхождения жизни на Земле. Он исходил из того, что в современных условиях возникновение живых существ из неживой природы невозможно. Абиогенное (т. е. без участия живых организмов) возникновение живой материи возможно было только в условиях древней атмосферы и отсутствия живых организмов.

По мнению Опарина, в первичной атмосфере планеты, насыщенной различными газами, при мощных электрических разрядах, а также под действием ультрафиолетового излучения и высокой радиации могли образовываться органические соединения, которые накапливались в океане, образуя «первичный бульон».

Известно, что в концентрированных растворах органических веществ (белков, нуклеиновых кислот, липидов) при определённых условиях могут образовываться сгустки, называемые коацерватными каплями или коацерватами.

Коацерваты в условиях восстановительной атмосферы не разрушались. Из раствора в них поступали химические вещества. В результате чего они росли и усложнялись.

Коацерваты, которые были способны к примитивному обмену и росту в ходе дальнейшей эволюции, превратились в пробионты, которые Опарин рассматривал как ― предшественников живых организмов.

На границе между пробионтами и окружающей средой появлялись молекулы липидов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны.

Под действием каких-либо внешних сил пробионты дробились. А благодаря наличию белков, и возможно, нуклеиновых кислот они были способны передавать наследственную информацию.

Такие пробионты с маточной наследственностью, может быть, множились. И именно возникновение наследственности представляло собой переход от химической эволюции к биологической.

Пробионты, в которых обмен веществ сочетался со способностью к самовоспроизведению, можно уже рассматривать как примитивные проклетки.

Таким образом, по мнению Опарина, главную роль в зарождении жизни играют белки, именно они дали начало обмену веществ, обеспечив обособление коацерватных капель друг от друга и от окружающей среды.

Но эта гипотеза не давала объяснения способности к самовоспроизведению.

Для решения этого вопроса английский биохимик и генетик Джон Холдейн в 1929 г. выдвигает «генетическую гипотезу о происхождении живого», которая гласит, что в основе создания простейших живых систем (протобионтов) лежат не белки, а нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК), поскольку они служат матричной основой синтеза белков. Так, Александр Иванович Опарин отдавал первенство белкам, а Джон Холдейн ― нуклеиновым кислотам.

Гипотеза Опарина─Холдеина завоевала много сторонников, так как получила экспериментальное подтверждение, проведённое в 1953 году американским учёным Стенли Миллером.

Стенли Миллер провёл эксперимент, в котором моделировались гипотетические условия раннего периода развития Земли для проверки возможности химической эволюции.

В один из резервуаров установки помещается смесь газов (водорода, аммиака, метана и водяных паров), которые входили в состав первичной атмосферы. Через эту смесь при помощи электродов пропускаются электрические разряды (которые имитируют разряды молнии) и ультрофиолетовое облучение.

В другой камере налита вода, и эта камера подогревается (для насыщения газовой смеси парами воды). Ещё одна камера подвергается охлаждению, и здесь вода конденсируется, она имитирует «дождевые осадки». В колбу–«ловушку», которая располагается ниже резервуара, стекает охлаждённая вода, содержащая органические соединения ― аминокислоты, которые входят в состав современных белков.

Ещё один эксперимент позволяет, понять какие соединения возникали под действием радиации в первичной атмосфере планеты.

Если облучить электронами смесь метана, водорода и аммиака, то получатся азотистые основания. Среди них как предшественники нуклеиновых кислот, так и АТФ ― основной аккумулятор энергии живых систем. Используя различные виды энергии, учёные доказали возможность синтеза в условиях первичной земли всего алфавита жизни трёх десятков типов мономеров.

Но гипотеза Опарина — Холдейна имеет и слабую сторону. Не удаётся объяснить главную проблему: как произошёл качественный скачок от неживого к живому. Ведь для саморепродукции нуклеиновых кислот необходимы ферментные белки, а для синтеза белков — нуклеиновые кислоты.

Происхождение и развитие жизни на земле #58

Происхождение жизни на Земле – основные теории

Вопросы происхождения жизни на Земле были в центре внимания человечества с момента его появления и до настоящего времени. Все существующие гипотезы можно объединить в три группы.

Сторонники гипотез биогенеза предполагают, что живое могло происходить только от живого. Они утверждают вечность жизни. Происхождение жизни связывается чаще всего с актом сотворения всего живого Творцом (высшим разумом – идеи креационизма). В настоящее время известно, что Земля длительное время была необитаема.

Гипотеза занесения жизни из космоса (гипотеза панспермии) примыкает к гипотезам биогенеза. Она была выдвинута немецким ученым Г. Рихтером (1865) и поддержана физиками Г. Гельмгольцем, С. Аррениусом и др. Согласно их представлениям споры бактерий и других организмов могли быть занесены на Землю метеоритами, космической пылью, давлением световых лучей. В настоящее время доказана высокая устойчивость живых организмов к неблагоприятным воздействиям, и в частности к низким температурам. Английский биофизик Ф. Крик считает, что жизнь на Землю занесена преднамеренно или случайно космическими пришельцами. Эта гипотеза представляет интерес с точки зрения существования жизни на других планетах, но она не дает ответа на вопрос о происхождении жизни.

Гипотезы абиогенеза предполагают происхождение жизни из неживой природы. В качестве доказательства сторонники этой гипотезы приводили многочисленные примеры появления личинок, мух, плесневых грибов, микроорганизмов на портящихся продуктах и нечистотах. В 1668 г. итальянский врач Ф. Реди опроверг эти представления. Он поместил кусочки мяса в сосуды, часть из которых закрыл кисеей, а часть оставил открытыми. Естественно, в открытых сосудах вскоре появились личинки мух, а в закрытых они не вывелись.

Во второй половине ХVIII века сторонники витализма утверждали существование «жизненной силы», без которой не могло произойти появление живых существ из неживого. После опытов Ф. Реди возникло предположение, что самозарождаться могут только микроорганизмы. Это предположение опроверг французский микробиолог Л. Пастер (1859). Он поместил в колбы с длинными S-образными горлышками питательную среду и прокипятил ее, убив все нахоцящисся там микроорганизмы. Через S-образную трубку «жизненная сила» могла свободно проходить в колбы, а бактерии и их споры оседали на стенках трубки. В этих условиях никакого «самозарождения» жизни не наблюдалось. Когда же S-образные горлышки были отломлены, микрорганизмы смогли свободно проникать в питательну среду и наблюдался бурный рост микроорганизмов (среда мутнела). Таким образом, было окончательно доказано, что в современных условиях самозарождение жизни невозможно.

Коацерватная теория

Наибольшее признание в ХХ столетий получила биохимическая гипотеза происхождения жизни на Земле, предложенная советским биохимиком А. И. Опариным (1924) и независимо от него английским биохимиком Дж. Холдейном (1929). Базируясь на гипотезе Опарина-Холдейна, английский ученый Дж. Бернал сформулировал гипотезу биопоэза, включающую три этапа:

• абиогенное возникновение органических веществ;
• образование биополимеров;
• формирование мембранных структур и первых самовоспроизводящихся организмов.

Первый этап биопоэза был абиогенный синтез простых органических соединений. Земля как планета возникла около 4,5 млрд лет назад. Температура ее поверхности была очень высокой (4 — 5 тыс. °С). По мере отстывания углерод и тугоплавкие металлы (железо, алюминий, кальций, магний и другие) конденсировались и образовали земную кору (около 3,9 млрд лет назад). К этому моменту начала формироваться первичная атмосфера, состоящая из паров воды, аммиака, диоксида углерода, метана и цианистого водорода. Легкие газы(ведород‚ гелий, азот, кислород и аргон) уходили из атмосферы. При отстывании Земли у ее поверхности происходила конденсация паров воды, что привело к образованию первичного океана.

Вулканическая деятельность, мощные электрические разряды и излучения (космическое и солнечное в отсутствие азонового слоя) привели к образованию простых органических соединений: формальдегида, муравьиной и молочной кислот, мочевины, глицерина и некоторых простых аминокислот. Так как свободного кислорода в атмосфере не было, то эти соединения не окислялись, а накапливались в водах первичного океана, образуя так называемый «первичный бульон». Продолжительность этих процессов составляла многие миллионы и десятки миллионов лет. Вероятно, так осуществился первый этап биопоэза – образование и накопление органических мономеров.

Представления о первом этапе биохимической эволюции были подтверждены экспериментально. В 1953 г. американский биохимик С. Миллер сконструировал прибор, «атмосферой» в котором служила смесь аммиака, водорода и метана, а вода – «первичным океаном». Воду нагревали, а через смесь газов пропускали электрические разряды в течение недели. В результате в установке были получены некоторые органические соединения: аминокислоты, простые сахара, альдегиды и аденин. Опыты Миллера были многократно повторены со смесями разных газов и с разными источниками энергии: во всех случаях при отсутствии кислорода удавалось получить целый спектр различных простых органических соединений. В дальнейшем (Дж. Оро) в сходных условиях были получены аденин, урацил и нуклеотиды.

Вторым этапом биопоэза, вероятно, было образование биополимеров из простых органических соединений. Значительная часть образовавшихся мономеров разрушалась, а некоторые могли вступать в соединение друг с другом (реакции конденсации и полимеризации). Этому способстовало повышение концентрации органических соединений при подсыхании водоемов, адсорбции органических веществ на глинах и т.п. Жирные кислоты, соединяясь со спиртами, могли образовывать липиды, покрывающие жировой пленкой поверхность водоемов. Аминокислоты, соединяясь друг с другом, образовывали полипептиды, моносахариды – полисахариды, а нуклеотиды – нуклеиновые кислоты. Первыми нуклеиновыми кислотами, вероятно, были небольшие цепи РНК, так как они, как и небольшие полипептиды, могли синтезироваться в среде с высоким содержанием минеральных компонентов без участия ферментов.

Опарин полагал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежит белкам, так как их молекулы способны образовывать гидрофильные комплексы, покрытые сольватными оболочками (связанная вода). Такие комплексы способны сливаться друг с другом и образовывать коацерваты (от лат. coacervus – сгусток, куча). Коацерваты обладали способностью поглощать различные вещества из окружающей среды. При поглощении ионов металлов могли образовываться ферменты, значительно ускоряющие течение биохимических реакций.

Одним из важных этапов превращения коацерватов в примитивные живые системы стало формирование вокруг них элементарных мембран, которые изолировали и защищали коацерваты от окружающей среды. Мембраны образовались, вероятно, из липидных пленок. При волнении водоемов могли возникать пузырьки, внутри которых оказывались коацерваты.

В живые организмы могли превратиться только те коацерваты, которые стали способны к саморегуляции и самовопроизведению, т.е. содержали белки и нуклеиновые кислоты. Увеличение размеров коацерватов и их фрагментация привела, возможно, к образованию идентичных коацерватов («размножению»). Такая предположительная последовательность событий могла привести к возникновению примитивных самовоспроизводящихся гетеротрофных организмов – протобионтов‚ которые питались органическими веществами «первичного бульона». С появлением устойчивых механизмов воспроизведения генетической информации закончилась эпоха химической эволюции и наступила эра эволюции биологической. Таким образом, третьим этапом биопоэза было формирование мембран и появление самовоспроизведения. Произошло это около 3,5 млрд лет назад.

Первые живые организмы были анаэробные гетеротрофы, близкие по строению к прокариотам. Постепенно запасы органических веществ в «первичном бульоне» истощались. Проблема дальнейшего развития жизни разрешилась появлением автотрофных анаэробов. Первые автотрофы, вероятно, с помощью энергии солнечного света окисляли сероводород до сульфатов, а высвобождающийся при этом водород использовали для восстановления диоксида углерода до углеводов. При этом кислород не выделялся. Следующим шагом в эволюции было возникновение фотосинтезирующих организмов, использующих воду в качестве источника атомов водорода с выделением свободного кислорода. Первыми такими организмами были, вероятно, цианобактерии. Фотосинтез с выделением кислорода оказал решающее влияние на дальнейшее развитие живого. С развитием автотрофного питания были созданы условия для появления огромного разнообразия как автотрофных, так и гетеротрофных организмов.

Атмосфера постепенно насыщалась кислородом, и, когда его содержание составило около 3%, появились первые аэробы – организмы, способные к энергетически более выгодному кислородному этапу энергетического обмена.

В верхней части атмосферы сформировался озоновый экран, защищающий живые существа от губительного действия коротковолновых ультрафиолетовых лучей‚ что позволило им выйти на сушу.

Следующим важным этапом эволюции явилось появление эукариотических одноклеточных организмов. Это произошло около 1,5 млрд лет назад. Существуют две главные гипотезы происхождения эукариотических клеток: инвагинационная и симбиотическая.

Согласно инвагинационной гипотезы, эукариотические клетки появились путем впячивания и отшнуровывания участков мембран прокариотической клетки, в которой одновременно находилось несколько геномов, прикрепленных к клеточной мембране, с последующей специализацией их в ядро, митохондрии и хлоропласты.

Наиболее популярна в настоящее время симбиотическая гипотеза происхождения эукариотических клеток, детально разработанная Л. С. Маргулис. Согласно этой гипотезе исходной клеткой была анаэробная гетеротрофная прокариотическая, способная к амебоидному движению, которая питалась более мелкими клетками, например аэробными бактериями. В цитоплазме некоторых амебоидных клеток аэробные бактерии не переваривались, а превратились в митохондрии. Сходное происхождение имеют, вероятно, центриоли, реснички и жгутики, появившиеся вследствие симбиоза таких клеток со спирохетоподобной бактерией. В результате такого слияния значительно увеличилась подвижность организмов, что способствовало нахождению пищи. Постепенно в цитоплазме сформировалось ядро (образовалась кариолемма). Такая клетка могла стать исходной для возникновения одноклеточных жгутиконосцев, которые в процессе эволюции дали начало царствам грибов и животных. Некоторые из подвижных эукариот могли вступить в симбиоз с цианобактериями, которые дали начало хлоропластам. Так появились фотосинтезирующие жгутиконосцы, давшие впоследствии начало царству растений.

В ходе дальнейшей биологической эволюции произошла серия ароморфозов, приведшая к появлению многоклеточности. Многоклеточные организмы обладают рядом преимуществ перед одноклеточными: способность к более длительному существованию, специализация клеток, развитие органов, обеспечивающих активное передвижение, добывание и переваривание пищи и т.п. Считают, что все многоклеточные произошли от колониальных жгутиковых протистов. Гипотезы происхождения многоклеточных были предложены в конце ХIХ в. немецким зоологом Э. Геккелем и русским ученым И. И. Мечниковым.

Э.Геккель считал, что многоклеточные произошли от вольвоксоподобных колониальных жгутиковых, у которых произошло впячивание одного полюса внутрь колонии с образованием второго внутреннего слоя клеток, как это происходит при образовании гаструлы путем инвагинации. Такой организм был назван гастреей. Гастрея имела двухслойную стенку тела, внутри которой помещалась кишечная полость, сообщающаяся с внешней средой ртом (как у современных примитивных кишечнополостных).

И. И. Мечников предполагал, что предками многоклеточных были колониальные жгутиковые, которые питались посредством фагоцитоза. Клетки наружного слоя захватывали пищевые частицы, становились тяжелее и погружались внутрь колонии, теряя при этом жгутик. После переваривания пищи они опять поднимались на поверхность и восстанавливали жгутик. Эти клетки размножались и образовали внутри колонии второй слой клеток, возник двухслойный организм – фагоцителла. В дальнейшем произошло разделение функции клеток: клетки эктодермы стали выполнять защитную и двигательную функции, а энтодермы – пищеварительную. Ход дальнейшей эволюции представлен в таблице .

Гипотезы возникновения жизни на Земле. Основные ароморфозы в эволюции растений и животных. Усложнение живых организмов на Земле в процессе эволюции

Содержание:

Гипотезы возникновения жизни на Земле

Креационизм — теория происхождения жизни в результате сотворения мира сверхъестественным существом. Во времена Аристотеля и позже возникла теория самозарождения жизни. Согласно гипотезе панспермии, жизнь существует в космосе вечно, и ее зародыши были занесены на Землю метеоритами, пришельцами либо божественным провидением.

Взгляды на происхождение организмов формировались в течение всего существования человеческого общества, изменялись в связи с развитием науки, открытиями и находками.

Из всего спектра учений, описывающих образование Земли, наиболее разработана теория «Большого взрыва». Согласно теоретическим расчетам, экспериментальным данным и наблюдениям, планеты Солнечной системы возникли свыше 4,6 млрд. лет назад при конденсации газопылевого облака — результата «Большого взрыва» (рис 1).

Постепенно температура первичной Земли снижалась, усиленно происходила миграция химических элементов из разных слоев. Сформировались плотное ядро, мощная полужидкая мантия и тонкая, но твердая кора. Происходившие затем тектонические движения, извержения вулканов и другие геологические процессы привели к образованию первых океанов и морей. Сформировалась первичная бескислородная атмосфера.

При высокой температуре и действии электрических разрядов из метана, аммиака, углекислого газа и паров воды могли синтезироваться аминокислоты, углеводы, жирные кислоты. Возникали молекулы органических веществ, которые объединялись в более сложные структуры. Этот процесс происходил на теплых мелководьях океанов и морей. Автор теории биохимической эволюции — советский ученый А.И. Опарин.

Устойчивые комплексы из молекул органических веществ получили название «коацерваты». Они напоминали жировые капли в бульоне. Коацерваты избирательно поглощали вещества, приобретали способность производить подобные себе «капли» (рис. 2). Позже возникли организмы, содержащие хлорофилл. Фотосинтез способствовал обогащению атмосферы кислородом, появлению кислородного дыхания.

Основные ароморфозы в эволюции растений и животных

Представители двух основных ветвей эволюции органического мира прошли длительный путь развития. Они приобретали черты строения, которые были полезны, способствовали выживанию в борьбе за существование.

Важнейшие ароморфозы у растений:

Первый в этом перечне ароморфоз повысил устойчивость растений к действию факторов внешней среды. Изменение не коснулось моховидных, у которых в цикле развития преобладает гаметофит.

• Появление автотрофного питания
• Способность к фотосинтезу
• Наличие специальных фотосинтетических пигментов
• Появление органоидов – хроматофоров
• Половое размножение
• Появление клеточной стенки из двух слоев: целлюлозного и пектинового
• Чередование полового и бесполого поколений
• Появление тканей
• Разделение тела на стебель и листообразные пластинки
• Появление половых органов – мужский (антеридии), женских (архегонии)
• Появление корня
• Возникновение оплодотворения, не связанного с водой
• Возникновение семени
• Появление шишки – видоизмененного побега
• Возникновение семенных зачатков
• Возникновение хвои
• Возникновение семенных зачатков, из которых после оплодотворения развиваются семена
• Возникновение двойного оплодотворения у цветковых растений
• Появление цветка
• Способность к опылению насекомыми

Один из главных ароморфозов в эволюции животных связан с формированием многоклеточных организмов. Произошла специализация групп клеток, что позволило им лучше выполнять функции. Продолжалось обособление органов и систем органов. Возник прочный скелет, сформировалась центральная нервная система.

Кроме формирования тканей, к основным ароморфозам у животных относят половое размножение, разделение большого и малого кругов кровообращения у птиц и млекопитающих. Для низших групп характерно смешивание артериальной и венозной крови из-за неполной перегородки в сердце.

• Многоклеточность
• Лучевая симметрия
• Возникновение 2-х зародышевых листков (эктодермы, энтодермы)
• Нервная система диффузного типа
• Двусторонняя симметрия
• Появление 3-го зародышевого листка – мезодермы
• Появление первичной полости тела
• Появление вторичной полости тела (целома)
• Дыхательная система – жабры
• Возникновение нервной системы – окологлоточное нервное кольцо и нервные стволы
• Расчленение тела на голову, грудь, брюшко
• Возникновение наружного хитинового скелета
• Членистые конечности у насекомых
• Развитие с личиночной стадией (полное, неполное превращение)
• Возникновение хорды
• Дыхательная система – легкие развиваются как парные выпячивания задней части глотки
• Дифференциация мускулатуры
• Парные конечности с шарнирными суставами
• Передний мозг четко разделен на 2 полушария
• Крупные, богатые белком и желтком яйца
• Внутреннее оплодотворение
• Постоянная температура тела птиц, млекопитающих
• Появление перьев у птиц
• Кровеносная система – полное разделение кругов кровообращения
• Тело покрыто волосяным покровом
• Появление желез в коже
• Появление наружного уха
• Появление коры головного мозга
• Появление четырехкамерного сердца

Усложнение живых организмов на Земле в процессе эволюции

Химическая эволюция привела к появлению протобионтов. Они прошли огромный путь биологической эволюции. Палеонтологи выделяют в истории Земли два эона — криптозой или время скрытой жизни и фанерозой — явную жизнь. Для удобства изучения эти крупнейшие отрезки времени делят на более мелкие — эры и периоды. Границы между ними проводят согласно возрасту преобладающих ископаемых остатков живых организмов в горных породах (рис. 3).

Редко находят органические остатки в отложениях криптозоя по причине малого распространения жизни, отсутствия минерального скелета у животных. Первые виды прокариотических организмов появились 3,5 млрд лет назад. В архейскую и протерозойскую эры на Земле уже обитали одноклеточные и многоклеточные существа, преимущественно гетеротрофы.

В протерозое возникли ядерные организмы — эукариоты. Следы жизнедеятельности и остатки живых организмов в протерозойских отложениях представлены выделениями водорослей, червей, отпечатками кишечнополостных.

Около 1 млрд. лет назад произошло важное эволюционное событие — эукариоты разделились на части, от которых возникли многоклеточные растения и грибы (рис. 4). Первыми из воды на сушу вышли псилофиты, давшие впоследствии начало мхам, хвощам, плаунам. От семенных папоротников произошли голосеменные растения. Позже начался расцвет покрытосеменных, которые до сих пор господствуют на Земле.

Эволюция животных тоже обусловлена появлением эукариот (рис. 4). Возможно, предками были одноклеточные организмы, напоминающие эвглену зеленую и вольвокс. Наиболее древними животными являются кишечнополостные, черви, трилобиты, иглокожие. Моллюски, рыбы появились позже. От кистеперых рыб возникли земноводные и сухопутные позвоночные.

Время появления млекопитающих — триасовый период мезозойской эры (рис. 5). Прогрессивные черты этой группы животных: теплокровность, развитие коры головного мозга, вскармливание детенышей молоком. Для высокоорганизованных животных характерно социальное поведение. Его усложнение дало толчок к эволюции человека.

Гипотезы и теории возникновения жизни на Земле

Презентация “Гипотезы и теории возникновения жизни на Земле”

Скачать:

Предварительный просмотр:

Подписи к слайдам:

«Гипотезы и теории возникновения жизни на Земле»

Происхождение жизни на Земле – один из наиболее трудных и в то же время актуальный и интересный вопрос в современном естествознании. Теории, касающиеся возникновения жизни на Земле, разнообразны и далеко не достоверны. Наиболее распространенными теориями возникновения жизни на Земле являются следующие: 1. Жизнь была создана сверхъестественным существом (Творцом) в определенное время (креационизм). 2. Жизнь возникала неоднократно из неживого вещества (самопроизвольное зарождение). 3. Жизнь существовала всегда (теория стационарного состояния). 4. Жизнь занесена на нашу планету извне (панспермия). 5. Жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам (биохимическая эволюция). Гипотезы и теории возникновения жизни на земле

Креационизм — религиозно-философская концепция, в рамках которой основные формы органического мира (жизнь), человечество, планета Земля, а также мир в целом, рассматриваются как намеренно созданные неким сверхсуществом или божеством. Теории креационизма придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религиозных учений (особенно христиане, мусульмане, иудеи). Креационизм

Формирование креационизма в биологии связано с переходом в конце XVIII — начале XIX века к систематическому изучению морфологии, физиологии, индивидуального развития и размножения организмов, положившему конец представлениям о внезапных превращениях видов и возникновении сложных организмов в результате случайного сочетания отдельных органов. Сторонники идеи постоянства видов ( К.Линней , Ж.Кювье , Ч.Лайель ) доказывали, что виды реально существуют, что они устойчивы, а размах их изменчивости под влиянием внутренних и внешних факторов имеет строгие пределы. Линней утверждал, что видов существует столько, сколько их было создано во время «творения мира». Стремясь снять противоречие между данными об устойчивости современных видов и данными палеонтологии, Кювье создал теорию катастроф. Последователи Кювье придавали этой теории откровенно креационистский характер и насчитывали десятки периодов полного обновления органического мира Земли в результате деятельности творца.

Благодаря широкому и быстрому признанию дарвинизма, уже с середины 60-х годов ХIX века креационизм утратил свое значение в биологии и сохранился главным образом в философских и религиозных доктринах. В последарвиновский период креационизм претерпел определенные изменения. Были предприняты попытки объединить идею эволюции с религиозными идеями о создании мира. При этом не оспаривалось происхождение человека от обезьяноподобных предков, но сознание и духовная деятельность человека рассматривались как результат божественного творения. Сторонники научного креационизма утверждают, что теория эволюции — лишь одно из возможных объяснений существования органического мира, не имеющее фактического обоснования и поэтому сходное с религиозными концепциями. Теория креоционизма находится вне поля научных изысканий, не дает ответа на вопрос о причинах возникновения и существования самого верховного существа.

Эта теория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне и Египте в качестве альтернативы креационизму, с которым она сосуществовала. Религиозные учения всех времен и всех народов приписывали обычно появление жизни тому или другому творческому акту божества. Весьма наивно решали этот вопрос и первые исследователи природы. Аристотель (384 – 322 гг. до н. э.), которого часто провозглашают основателем биологии, придерживался теории спонтанного зарождения жизни. Даже для такого выдающегося ума древности, каким являлся Аристотель, принять представление о том, что животные — черви, насекомые и даже рыбы — могли возникнуть из ила, не представляло особых затруднений. Напротив, этот философ утверждал, что всякое сухое тело, становясь влажным, и, наоборот, всякое мокрое тело, становясь сухим, родят животных. Согласно гипотезе Аристотеля о спонтанном зарождении, определенные “частицы” вещества содержат некое “активное начало”, которое при подходящих условиях может создать живой организм . Аристотель был прав, считая, что это активное начало содержится в оплодотворенном яйце, но ошибочно полагал, что оно присутствует также в солнечном свете, тине и гниющем мясе. Самопроизвольное (спонтанное) зарождение

Авторитет Аристотеля имел исключительное влияние на воззрения средневековых ученых. Мнение этого философа в их умах причудливо переплеталось с учением отцов церкви, зачастую давая нелепые и даже смешные на современный взгляд представления. Приготовление живого человека или его подобия, “гомункулуса”, в колбе, при помощи смешения и перегонки различных химических веществ, считалось в средние века хотя и весьма трудным и беззаконным, но, без сомнения, выполнимым делом. Получение же животных из неживых материалов представлялось ученым того времени настолько простым и обычным, что известный алхимик и врач Ван- Гельмонт (1577 – 1644 гг.) прямо дает рецепт, следуя которому можно искусственно приготовить мышей, покрывая сосуд с зерном мокрыми и грязными тряпками. Этот весьма удачливый ученый описал эксперимент, в котором он за три недели якобы создал мышей. Для этого нужны были грязная рубашка, темный шкаф и горсть пшеницы. Активным началом в процессе зарождения мыши Ван- Гельмонт считал человеческий пот.

В ХVII—ХVIII веках благодаря успехам в изучении низших организмов, оплодотворения и развития животных, а также наблюдениям и экспериментам итальянского естествоиспытателя Ф. Реди (1626—1697), голландского микроскописта А. Левенгука (1632—1723), итальянского ученого Л. Спалланцани (1729—1799), русского микроскописта М. М. Тереховского (1740—1796) и других вера в самопроизвольное зарождение была основательно подорвана. Однако вплоть до появления в середине Х века работ основоположника микробиологии Луи Пастера это учение продолжало находить приверженцев. Опыты Пастера с несомненностью показали, что самозарождения микробов в органических настоях не происходит. Все живые организмы развиваются из зародышей, т. е. берут свое начало от других живых существ.

Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень незначительно. Согласно этой версии, виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности — либо изменение численности, либо вымирание. Гипотезу стационарного состояния иногда называют гипотезой этернизма (от лат. еternus – вечный). Гипотеза этернизма была выдвинута немецким учёным В. Прейером в 1880 г. Взгляды Прейера поддерживал академик Владимир Иванович Вернадский, автор учения о биосфере. Вернадский считал, что жизнь — такая же вечная основа космоса, которыми являются материя и энергия. Исходя из представления о биосфере как о земном, но одновременно и космическом механизме, Вернадский связывал ее образование и эволюцию с организованностью Космоса. Теория стационарного состояния

Сторонники этой теории не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводят в качестве примера представителя кистеперых рыб — латимерию ( целаканта ). Считалось, что кистепёрая рыба ( целакант ) представляет собой переходную форму от рыб к земноводным и вымерла 60-90 млн. лет назад (в конце мелового периода). Однако это заключение пришлось пересмотреть, когда в 1939 году у побережья о. Мадагаскар был выловлен живой целакант . Таким образом, целакант не является переходной формой. Были найдены и многие другие, считавшиеся вымершими, животные, например, лингула – маленькое морское животное, якобы вымершее 500 миллионов лет назад, живо и сегодня и как другие “живые ископаемые”: солендон – землеройка, туатара – ящерица. За миллионы лет они не претерпели никаких эволюционных изменений. Ещё один пример заблуждения это археоптерикс – существо, связующее птиц и пресмыкающихся, переходная форма на пути превращения рептилий в птиц. Но в 1977 году в штате Колорадо были обнаружены окаменелости птиц, возраст которых соизмерим и даже превышает возраст останков археоптерикса, т.е. он не является переходной формой.

Сторонники теории стационарного состояния утверждают, что только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми останками, можно сделать вывод о вымирании, да и в этом случае весьма вероятно, что он окажется неверным. Используя палеонтологические данные для подтверждения теории стационарного состояния, ее сторонники интерпретируют появление ископаемых остатков в экологическом аспекте. Так, например, внезапное появление какого-либо ископаемого вида в определенном пласте они объясняют увеличением численности его популяции или его перемещением в места, благоприятные для сохранения остатков. Большая часть доводов в пользу этой теории связана с такими неясными аспектами эволюции, как значение разрывов в палеонтологической летописи, и она наиболее подробно разработана именно в этом направлении.

В теории панспермии существует два утверждения. Первое: жизнь всегда существовала, она тесно связана с материей. Второе: споры микроорганизмов могут, а также должны переноситься посредством космического пространства. Впервые гипотеза, утверждающая космический посев жизни на Земле была высказана греческим философом Анаксагором в V веке до нашей эры (близко 500-428 до нашей эры), который говорил, что возникновение жизни на Земле произошло из семени, существующего “всегда и везде”. Панспермия

Х.Рихтер «разбудил» эту идею в 1865 году, утверждая, что жизненные зародыши были занесены на Землю либо космической пылью, либо метеоритами. Исходя из представления, что в мировом пространстве везде носятся маленькие частицы твердого вещества ( космозои ), отделившиеся от небесных тел, ученый допускал, что одновременно с этими частицами, может быть, прилепившись к ним, носятся жизнеспособные зародыши микроорганизмов. Таким образом эти зародыши могут переноситься с одного заселенного организмами небесного тела на другое, где жизни еще нет. Если на этом последнем уже создались благоприятные жизненные условия, в смысле подходящей температуры и влажности, то зародыши начинают прорастать, развиваться и являются впоследствии родоначальниками всего органического мира данной планеты.

Также гипотезу поддерживали такие знаменитые физики, как Герман ван Гельмгольц (1821-1894) и Уильям Томпсон, называвшийся позже лордом Кельвином (1824-1907). Тщательно разработал эту идею в 1884-1908гг. Сванте Аррениус, физик-химик (1859-1927). Его гипотеза гласит: «Жизнь на Земле появилась от спор микроорганизмов или растений, которые были занесены с других планет вследствие светового давления или метеоритами». Сторонники теории стремились научно обосновать возможность такого переноса зародышей с одного небесного тела на другое, при котором сохранялась бы жизнеспособность этих зародышей. Ведь на самом деле главный вопрос заключается именно в том, может ли спора совершить такое длительное и полное опасностей путешествие, как перелет из одного мира в другой, не погибнув, сохранив способность прорасти и развиться в новый организм.

В современной науке принята гипотеза абиогенного (небиологического) происхождения жизни в результате процессов абиогенеза. Абиогенез – длительный процесс космической, геологической и химической эволюции. Основоположниками этой гипотезы являются русский ученый А. И. Опарин и английский естествоиспытатель Дж. Холдейн . Согласно абиогенезу нужны четыре основных условия для появления живого из неживого: • наличие определенных химических веществ, • наличие источника энергии, • отсутствие газообразного кислорода, • длительное время. Выделяют три основных этапа абиогенеза. Гипотеза биохимической эволюции

Первый этап связан с химической эволюцией. После возникновения (5 млрд. лет назад) Земля представляла собой раскаленный шар. Температура поверхности в начальный период была 4000-8000°С, и по мере остывания тяжелые химические элементы перемещались к центру Земли, а легкие скапливались на поверхности. Углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались и впоследствии стали основой земной коры. Химические элементы взаимодействовали друг с другом и образовали молекулы неорганических веществ (воды, азота, углекислого газа, аммиака, метана, сероводорода). По мере остывания происходила конденсация водяных паров, что привело к формированию водоемов, в которых растворялись различные неорганические соединения. Второй этап возникновения жизни связан с появлением белковых веществ (биополимеров). Земная жизнь имеет углеродную основу (см. химию). А. И. Опарин в своей работе «Происхождение жизни» (1924 г) высказал мнение, что органические вещества — основа жизни — могли возникнуть из более простых углеродных соединений при их концентрации в первичном океане. Подобную идею в 1927 году предложил английский естествоиспытатель Дж. Холдейн . Источником энергии для реакции синтеза органических веществ были солнечная радиация и тепло Земли. Излучение беспрепятственно проникало на Землю, поскольку озонового слоя в первичной атмосфере еще не было. В первичной атмосфере не было и кислорода. Кислород, будучи сильным окислителем, моментально разрушил бы органические соединения, поэтому его отсутствие облегчало синтез биополимеров.

В 1953 г. Стэнли Миллер (США) предпринял попытку экспериментальной проверки гипотезы Опарина– Холдейна . В установке он смоделировал условия, предположительно существовавшие на ранней Земле. Смесь газов (водяные пары, метан, аммиак и водород) в течение недели подвергали воздействию электрических разрядов высокого напряжения, после чего в «ловушке» было обнаружено 15 аминокислот. Позднее в подобных экспериментах были синтезированы простые нуклеиновые кислоты. Органические вещества, накапливаясь в океане, образовали «первичный бульон», затем они стали объединяться в студнеобразные сгустки — коацерваты (от лат. coacervus — сгусток). За счет физико-химических процессов, происходивших в «первичном бульоне», коацерватные капли увеличивались в размерах, получили способность делиться на части, поглощать вещества из окружающей среды, т.е. приобрели признаки роста, размножения и обмена веществ. Однако коацерваты не были способны к самовоспроизводству и саморегуляции .

Третий этап возникновения жизни связан с формированием у органических соединений способности к самовоспроизводству . Началом жизни следует считать возникновение стабильной самовоспроизводящейся органической системы с постоянной последовательностью нуклеотидов. Поглощение коацерватами металлов привело к образованию ферментов, ускоряющих биохимические процессы, а появление границ между коацерватами и окружающей средой (полупроницаемых мембран) обеспечило стабильность коацерватов.

Возникновение жизни объясняется взаимодействием нуклеиновых кислот (ДНК) и белков. В результате включения их в коацерват могла возникнуть примитивная клетка, способная к росту и размножению. Нуклеиновые кислоты являются носителями генетической информации, а белки служат катализаторами химических реакций, протекающих внутри коацервата. Таким образом, сложная открытая органическая система приобрела основные признаки живого – способность к самоорганизации, саморегуляции и самовоспроизводству , и стала прообразом единицы живого – клетки.