Происхождение жизни на земле

МОУ «Лицей №43»

(естественно-технический)

Происхождение Жизни На земле

Тумайкин Евгений

10 «А» класс

Саранск,

2014.

Оглавление

Происхождение жизни на Земле        3

Введение        3

Условия появление жизни, проблема происхождения жизни на земле        3

Появление живых существ        5

Первые живые организмы        6

Основные этапы и закономерности эволюции жизни на Земле.        7

Заключение        8

       

Происхождение жизни на Земле

Введение

       

Происхождение жизни на Земле явилось третьим значительным этапом в ряду  происхождения нашей вселенной и происхождения Земли.

Существовало масса теорий и гипотез о возникновении жизни на Земле. Среди них миф о «творческом акте сотворения мира Богом», описанный в Библии, гипотезы Аристотеля, Эпикура и Демокрита.

Исследования Луи Пастера в 19-м веке окончательно подтвердили ошибочность представлений происхождения жизни как о спонтанном самозарождении. Правда, они не дали окончательных выводов о происхождении жизни.

И только 3 мая 1924 г. на собрании Русского ботанического общества ученый с новой точки зрения рассмотрел проблему возникновения жизни. Его доклад «О возникновении жизни» стал исходной точкой нового взгляда на вечную проблему нашего появления на Земле. Необходимо подчеркнуть, что независимо от Опарина к таким же выводам пришел английский ученый Дж. Холдейн.

Общим во взглядах Опарина и Холдейна было объяснение возникновения жизни в результате химической эволюции. Оба они подчеркивали огромную роль первичного океана как огромной химической лаборатории, в которой образовался «первичный бульон».

Условия появление жизни, проблема происхождения жизни на земле.

Жизнь не могла зародиться сама по себе, для этого сложились множества факторов и условий. Главное условие возникновения жизни связано с массой и размерами нашей планеты. Доказано, что если масса планеты больше чем 1/20 массы Солнца, на ней начинаются интенсивные ядерные реакции.

Следующим важным условием возникновения жизни являлось наличие воды. Значение воды для жизни исключительно. Это обусловлено ее специфическими термическими особенностями: огромной теплоемкостью, слабой теплопроводностью, расширением при замерзании, хорошими свойствами как растворителя и др.

Третьим элементом явился углерод, который присутствовал на Земле в виде графита и карбидов. Из карбидов при их взаимодействии с водой образовывались углеводороды.

Четвертым необходимым условием являлась внешняя энергия. Такая энергия на земной поверхности имелась в нескольких формах: лучистая энергия Солнца, в частности ультрафиолетовый свет, электрические разряды в атмосфере и энергия атомного распада природных радиоактивных веществ.

Превосходство этой концепции является достаточно точное соответствие ее теории химической эволюции, согласно которой в процессе до биологической (абиогенной) эволюции материи зарождение жизни закономерный результат. Убедительным аргументом в пользу этой концепции является также возможность экспериментальной проверки ее основных положений. Касается не только лабораторного воспроизводства физико-химических условий первобытной земли, но и кооцерватов, которые имитируют более точный период жизни и его функциональные особенности. Собой стороной концепции является допущение возможности само воспроизводство кооцерватных структур в отсутствии молекулярных систем с функциями генетического кода. Существование этих систем объяснялось наличием у них свойств открытых микросистем, выживающих за счет вовлечение в них ферментов, находящихся в готовом виде в окружающей среде. А это значит, что в рамках концепции Опарина не удастся решить главную проблему – о движущих силах саморазвития химических систем и перехода от химической революции к биологической, раскрыть причину таинственного скачка от неживой материи к живой.

Развитие химической революции произошло в ходе образования и накопления в первичных водоемах исходных органических молекул. Органические вещества сталкивались в сравнительно неглубоких местах первичных водоемов, прогреваемых солнцем. Солнечное излучение, в то время, достигало поверхности Земли ультрафиолетовыми лучами, которые сейчас задерживается озоновым слоем атмосферы. В свою очередь ультрафиолетовые лучи обеспечивали энергией протекание химических реакций между органическими соединениями. Таким образом, в некоторых зонах первичных водоемов протекали случайные химические реакции. Большая часть из них быстро завершалось из-за недостатка исходного сырья. Но в хаосе химических реакций произвольно возникали и закреплялись реакции циклических типов, обладающие способностью к само поддерживанию. Результатом этих реакций стали коонцерваты – пространственно обособленные целостные системы. Существенной их особенностью была способность поглощать из внешней среды различные органические вещества, что обеспечивали первичный обмен веществ. Первичная клеточная структура представляла собой открытую химическую микроструктуру и уже была наделена способностью к первичному обмену веществ.

В ходе развивающегося естественного отбора и пред биологической эволюции возникли важнейшие свойства жизни, отличающиеся от предыдущего этапа развития. Возникшие целостные молекулярные системы, фазово-обособленные от окружающей среды определенной границей раздела, сохраняют с ней взаимодействие по типу открытых систем. Только такие системы, черпающие из внешней среды вещества и энергию, могут противостоять энтропогории и даже способствовать ее уменьшению в процессе своего роста и развития, что является характерным признаком всех живых существ. Концепция Дж. Холдейна внесла дополнения в гипотезу , согласно которой первичной была не структура, способная к обмену веществ с окружающей средой, а молекулярная система, подобная гену  и способная к само репродукции, а по этому названная «голым геном».

Возникновение жизни содержит элемент случайности, оно не было абсолютно случайным, а в основе своей закономерным. Видимо появление жизни происходило в ходе самоорганизации материи, когда химическая эволюция после одной из точек буфукации привело к появлению живого организма и началу биологической эволюции.   его концепция разделения панспермии, то есть занесение простейших живых существ из космоса. Согласно этой концепции, зародыши живых организмов могли попасть на землю с метеоритом или космической пылью и положить начало эволюции живого, которая в свою очередь породило многообразие земной жизни.

Появление живых существ

Зарождением жизни можно считать появление белков. Первоначально все они плавали в первичном бульоне, и перемешиваясь создавали особые жидкости – коацерваты. Именно в них секрет появления жизни на Земле. Хотя коацерватные капельки были жидкие, они обладали определенным внутренним строением. Частицы вещества в них были расположены не беспорядочно, как в растворе, а с определенной закономерностью. При  образовании коацерватов возникали зачатки организации, однако, еще очень примитивной и неустойчивой. Для самой капельки эта организация имела большое значение. Любая коацерватная капелька была способна улавливать из раствора, в котором плавает, те или иные вещества. Они химически присоединялись к веществам самой капельки. Таким образом, в ней протекал процесс созидания и роста. Но в любой капельке наряду с созиданием существовал и распад. Тот или иной из этих процессов, в зависимости от состава и внутреннего строения капельки, начинал преобладать.

В результате, в каком-нибудь месте первичного океана смешались растворы белково-подобных веществ и образовались коацерватные капельки. Они плавали не в чистой воде, а в растворе разнообразных веществ. Капельки улавливали эти вещества и росли за их счет. Скорость роста отдельных капелек была неодинакова. Она зависела от внутреннего строения каждой из них.

Если в капельке преобладали процессы разложения, то она распадалась. Вещества, ее составляющие, переходили в раствор и поглощались другими капельками. Более или менее длительно существовали лишь те капельки, в которых процессы созидания преобладали над процессами распада.

Таким образом, все случайно возникающие формы организации сами собой выпадали из процесса дальнейшей эволюции материи.

Каждая отдельная капелька не могла расти беспредельно как одна сплошная масса — она распадалась на дочерние капельки. Но каждая капелька в то же время была чем-то отлична от других и, отделившись, росла и изменялась самостоятельно. В новом поколении все неудачно организованные капельки погибали, а наиболее совершенные участвовали в дальнейшей эволюции материи. Так в процессе возникновения жизни происходил естественный отбор коацерватных капелек. Рост коацерватов постепенно ускорялся. Причем научные данные подтверждают, что жизнь возникла не в открытом океане, а в шельфовой зоне моря или в лагунах, где были наиболее благоприятные условия для концентрации органических молекул и образования сложных макромолекулярных систем.

В конечном итоге усовершенствование коацерватов привело к новой форме существования материи — к возникновению на Земле простейших живых существ. Вообще, исключительное разнообразие жизни осуществляется на единообразной биохимической основе: нуклеиновые кислоты, белки, углеводы, жиры и несколько более редких соединений типа фосфатов.

Основные химические элементы, из которых построена жизнь, — это углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор. Очевидно, организмы используют для своего строения простейшие и наиболее распространенные во Вселенной элементы, что обусловлено самой природой этих элементов. Например, атомы водорода, углерода, кислорода и азота имеют небольшие размеры и образовывают устойчивые соединения с двух и трехкратными связями, что повышает их реакционную способность. А образование сложных полимеров, без которых возникновение и развитие жизни вообще невозможны, связано со специфическими химическими особенностями углерода.

Сера и фосфор  присутствуют в относительно малых количествах, но их роль для жизни особенно важна. Химические свойства этих элементов дают возможность образования кратных химических связей. Сера входит в состав белков, а фосфор — составная часть нуклеиновых кислот.

Первые живые организмы

Строение первых живых организмов хотя и было гораздо совершеннее, чем у коацерватных капелек,  но все же оно было несравненно проще нынешних живых существ. Естественный отбор, начавшийся в коацерватных капельках, продолжался и с появлением жизни. В течение долгого времени строение живых существ все более улучшалось, приспособлялось к  условиям существования.

Вначале пищей для живых существ были только органические вещества,  возникшие из первичных углеводородов. Но с течением времени количество таких веществ уменьшилось. В этих условиях первичные живые организмы выработали в себе способность строить органические вещества из элементов неорганической природы — из углекислоты и воды. В процессе последовательного развития у них появилась способность поглощать энергию солнечного луча, разлагать за счет этой энергии углекислоту и строить в своем теле из ее углерода и воды органические вещества. Так возникли простейшие  растения — сине-зеленые водоросли. Остатки сине-зеленых водорослей обнаруживаются в древнейших отложениях земной коры.

Другие живые существа сохранили прежний способ питания, но пищей им стали служить первичные растения. Так возникли в своем первоначальном виде животные.

На заре жизни и растения, и животные были мельчайшими  одноклеточными существами, подобными живущим в наше время бактериям, сине-зеленым водорослям, амебам. Большим событием в истории последовательного развития живой природы стало возникновение многоклеточных организмов, т. е. живых существ, состоящих из многих клеток, объединенных в один организм. Постепенно, но значительно быстрее, чем раньше, живые организмы становились все сложнее и разнообразнее.

С образованием сложных ультра молекулярных систем (пробионтов)  включающих нуклеиновые кислоты, белки ферменты и механизм генетического кода, появляется жизнь на Земле. Пробионты нуждались в различных химических соединениях — нуклеотидах, аминокислотах и др. Из-за низкой степени генетической информации, пробионты обладали достаточно ограниченными возможностями. Дело в том, что они использовали для своего роста готовые органические соединения, синтезированные в ходе химической эволюции, и если бы жизнь на своем раннем этапе существовала только в форме одного вида организмов, то первичный бульон был бы достаточно быстро исчерпан.

Однако благодаря тенденции к приобретению большого разнообразия свойств, и в первую очередь, к возникновению способности синтезировать органические вещества из неорганических соединений с использованием солнечного света, этого не произошло.

В начале следующего этапа образуются биологические мембраны-органеллы, ответственные за форму, структуру и активность клетки. Биологические мембраны построены из агрегатов белков и липидов, способных отграничить органическое вещество от среды и служить защитной молекулярной оболочкой. Предполагается, что образование мембран могло начаться еще в процессе формирования коацерватов. Но для перехода от коацерватов к живой материи были необходимы не только мембраны, но и катализаторы химических процессов — ферменты или энзимы. Отбор коацерватов усиливал накопление белково-подобных полимеров, ответственных за ускорение химических реакций. Результаты отбора фиксировались в строении нуклеиновых кислот. Система успешно работающих последовательностей нуклеотидов в ДНК усовершенствовалась именно путем отбора. Возникновение самоорганизации зависело как от исходных химических предпосылок, так и от конкретных условий земной среды. Самоорганизация возникла как реакция на определенные условия. При самоорганизации отсеивалось множество различных неудачных вариантов, до тех пор, пока основные черты строения нуклеиновых кислот и белков не достигли оптимального соотношения с точки зрения естественного отбора.

Благодаря предбиологическому отбору самих систем, а не только отдельных молекул, системы приобрели способность совершенствовать свою организацию. Это был уже следующий уровень биохимической эволюции, который обеспечивал возрастание их информационных возможностей. На последнем этапе эволюции обособленных органических систем сформировался генетический код. После образования  генетического кода эволюция развивается вариациями. Чем дальше она продвигается во времени, тем многочисленнее и сложнее вариации.

Однажды возникнув, жизнь стала развиваться быстрыми темпами  показывая ускорение эволюции во времени. Так, развитие от первичных пробионтов до аэробных форм потребовало около 3 млрд лет, тогда как с момента возникновения наземных растений и животных прошло около 500 млн лет; птицы и млекопитающие развились от первых наземных позвоночных за 100 млн лет, приматы выделились за 12-15 млн лет, для становления человека потребовалось около 3 млн лет.

Основные этапы и закономерности эволюции жизни на Земле.

первым, который ясно указал на огромную роль живых организмов в образование земной коры. Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов. Теперь перед ученым возникла реальная – конкретно исследовать, каким образом и в какой мере живое вещество влияет на физико-химические и географические процессы, проходящие на поверхности Земли и в земной коре. Такую задачу поставил перед собой . Он высказывает предположение, что живое вещество, возможно, имеет свой процесс эволюции, проявляющегося с ходом геологического времени, вне зависимости от изменения среды.

Исходной основой существования биосферы и происходящей в ней биологических процессов является астрономическое положение нашей планеты и в первую очередь ее расстояние от солнца и наклон земной оси к эклиптике, или к плоскости земной орбиты. Это пространственное расположение земли определяет в основном климат на планете, а последующий в свою очередь жизненные циклы всех существующих на них организмов.

Непрерывный процесс эволюции создавал множесва био - и биокостного в-ва.

Американский ученый Дж. Дана (1813-1895), который еще до появления труда Ч. Дарвина  впервые четко заявил, что эволюция живого вещества идет в определенном направлении. Основываясь на своих исследованиях ракообразных моллюсков, Д. Дана пришел к выводу, что на протяжение, по крайней мере, 2 миллиардов лет идет усовершенствование и рост центральной нервной системы животных, начиная от ракообразных и кончая человеком. Этот процесс он назвал ценоформализацией, при которой достигнутый уровень организации нервной системы никогда не снижается.

Концепция Вернадского впервые привела все известные эмпирические факты, данные и результаты в единую систему знания, которая убедительно объясняет, какие факторы способствуют переходу от биосферы к ноосфере. Она основывается на признание решающей роли человеческой деятельности, труда и мысли в эволюции биосферы, а через последнюю и в изменении происходящих на Земле геологических процессов.

Прежде всего, биологическая революция присуща лишь живому веществу биосферы (растениям животным) и человеку как части этого вещества. Человек развивается до возникновения цивилизации и превращается в Homo sapiens. В дальнейшем биологическая эволюция человека переходит в эволюцию социальную. Эволюция живого вещества приводит к возникновению новых видов растений и животных, которые как остальные виды, непрерывно и неразделимо связаны с окружающей их средой, прежде всего с питанием и дыханием, как наиболее характерными процессами обмена веществ. Такой обмен приводит к миграции, движению атомов живого вещества к неживому в особенности в биогенному, в котором живые элементы объединяются с неживыми. В период перехода от биосферы к ноосфере в процесс вступает такой мощный фактор, как постоянно увеличивающиеся количество зеленого живого вещества в биосфере, получаемого посредствам расширения посевных площадей и интенсификации земледелия. По-видимому, постепенный переход к ноосфере начался еще сотни тысяч лет тому назад, когда человек овладел огнем и стал изготовлять первые орудия производства и охоты.

Из выше сказанного, биосфера на сегодняшний день, представляет  из себя единство живых и минеральных элементов, вовлеченных в сферу жизни.

Прежде чем говорить о времени появление человека нужно выяснить вопрос об особенности анатомии и жизнедеятельности высших обезьян и человека.

Человек состоит из белков и нуклеиновых кислот, что и животные, и многие структуры и функции нашего тела такие же, как и у обезьян. Чем выше эволюционная ступень развития животного тем, ближе оно по сходству с человеком. Человеческий зародыш проходит те же стадии в своем развитии, которые прошла эволюция живого. Так же у человека имеются рудиментарные органы, которые выполняют важную функцию у обезьян и сохранились у человека, хотя не нужны ему. Изучение высших животных показало то, что они обладают многим, что раньше считалось особенностью людей. Эксперименты с обезьянами показали, что они могут понимать слова, сообщать с помощью компьютера о своих желаниях и сними можно вести диалог. Но высшие обезьяны не обладают способностью к понятийному мышлению, то есть к формированию отвлеченных, абстрактных представлениях о предметах. Мышление обезьян если о таковом можно говорить всегда конкретно, а мышление человека может быть абстрактным, отвлеченным, обобщающим, понятийным, логическим.

Особенности жизнедеятельности высших обезьян и человека сводятся к главным отличиям: понятийному мышлению, труду, речи.

Заключение

Истинная основа жизни образовалась в результате появления клетки, в которой биологические мембраны объединили отдельные органеллы  в единое целое.

Первые клетки были примитивны и не имели ядра. Но такие клетки существуют и в настоящее время. Удивительно, ведь они появились более 3 млрд. лет назад.

Первые клетки были прообразом всех живых организмов: растений, животных, бактерий. Позже, в процессе эволюции, под воздействием дарвиновских законов естественного отбора клетки совершенствовались и появились специализированные клетки высших многоклеточных, растений и животных — метафитов и метазоа.

В качестве объединяющей зависимости между химической эволюцией переходящей затем в биохимическую и биологическую эволюцию можно привести следующую:

1.        атомы

2.        простые молекулы

3.        сложные макромолекулы и ультра молекулярные системы (пробионты)

4.        одноклеточные организмы.

Итак, живой мир сотворен. На это потребовалось более 3 миллиардов лет, и это было самым трудным. Не поддается перечислению огромное количество вариантов развития исходных углеродных соединений. Однако самым важным был результат – возникновение жизни на Земле.

Вопросы к тексту:

Как коацерваты и протобионты превратились в клетку?

Как коацерваты получили способность к саморепликации?

Как химическая эволюция перешла в биохимическую?

Глоссарий

Коацерваты(протобионты) – сложные белковые смеси имеющие способность к саморепликации. Первичный бульон – смесь неорганических веществ, которые при определенных условиях обазуют органические вещества. Коонцерваты – пространственно обособленные целостные системы. Энтропогория – процесс уменьшения кислорода в воздухе. Биологические мембраны-органеллы – первичные органоиды клетки. Биовещество – «живое» вещество. Биокостное вещество – вещество образованное «живым» веществом. Метафиты, метазоа – высшие многоклеточные.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Концепции современного естествознания. – Новосибирск: ЮКЭА», 1997. – 832с.

2. Концепции современного естествознания / под ред. . -  Ростов/нД: «Феликс», 1997. -  448с.

3. Концепции современного естествознания. – М.: Гардарики, 1999. – 476с.

4. Концепции современного естествознания. – М.: ВЛАДОС, 1998. – 232с.

5. , Концепции современного естествознания: Учеб. Пособие: Высшая школа., М.: 1998

6.  Wikipedia [Электронная сылка] Wikipedia. org

7.  Жизнь как форма движения материи – Издательство академии наук СССР 1993г

8.  Возникновение и развитие жизни на Земле. Издательство «Наука» 1998г

9.  С. озе  Молекулярная эволюция и возникновение жизни. Издательство «Мир» 1975

10.  Современные взгляды на происхождение жизни. Издательство «Правда» 1947