Еволюція життя на Землі

Виникнення життя на Землі

План

Вступ

Поняття часу

Гіпотези виникнення життя на Землі:

природний результат еволюції матерії

абіогенез і біогенез

данні отримані при досліджені метиоритів

енергетичний баланс життя

гіпотеза панспермії

Перші теорії Опаріна і Холдейна

Основні етапи виникнення життя:

хім. еволюція живого

початкові етапи біологічного обміну

хіральна чистота живого

6. Прискорення еволюції

1. Людина часто схильна звертатися до минулого так-як в ньому заховані його таємниці. Звернення до історії завжди повязане з уявленням про незловимий хід часу однак небагато хто мають ясну уяву про багаторіччя світу в якому ми живемо. Скільки не існувало людство – питання про те як і коли утворилась Земля цікавило всіх. Питання як і з чого зародилось життя було одним з перших питань з яким первісна людина звернулась до себе ледве змогла і озирнутись в жорсткій боротьбі за існування.

2. Є що-небудь більш загадкове ніж час? З глибокої давнини людство намагається проникнути в його сутність виразити словами числами міфами. Саме в стародавніх міфах вперше зявляються поняття “день” і “рік” котрі являються більш конкретними ніж поняття “час”. Вони мають початок і кінець. Згідно з біблією Земля виникла декілька тисяч років назад. В інших культурах наприклад по китайській міфології вік Землі оцінюється в 130 тисяч років. Давньоіндійські філософи вважають Землю такою старою що навіть більш старою ніж визначають сучасні вчені. Перший імпульс до поняття категорії часу дали очевидно давньогрецькі вчені-атомісти. Але лише в епоху Відродження (15-16ст.) наука починає звільнюватися від всезагального впливу міфології і всесильної влади церкви. Починається епоха Великих географічних відкриттів  доведена кулеподібна форма Землі. Корали – яскравий приклад геологічного годинника але вони можуть служити тільки в періоді не старше 440 млн. років.

3.Природний результат еволюції матерії.

З незапамятного часу походження життя було загадкою для всього людства. Але здатність задати собі питання: “Звідки ми?” – людина отримує порівняно недавно 7-8 тисяч років тому на початку нового камяного віку (неоліта). Разом з тим з’являється віра в те що навколишня природа – тварини і рослини річки і моря гори і рівнини – також одушевлені. Ідея самозародження життя з води мулу чи гниющої матерії також йде від давніх міфів. В різноманітних варіантах ця ідея дожила до початку 20 століття. Більшість сучасних спеціалістів переконані в тому що виникнення життя в умовах первичної Землі є природний результат еволюції матерії. Це переконання основано на доведеній єдності хімічної основи життя побудованій з декількох простих і самих розповсюджених у Всесвіті атомів. Ні один серйозний вчений сьогодні не вважає що життя на Землі - виключно явище у Всесвіті. Не дивлячись на те що проведено і проводяться безліч ціленаправлених дослідів але до сих пір не з’ясовано ніяких фактів котрі показали б що істоти принесені на Землю метеоритами або з космічною пиллю.

Біогенез і абіогенез

В розвитку вчення про походження життя важливе місце займає гіпотеза яка затверджує що все живе походить тільки від живого – теорія біогенезу. Цю теорію в середині 19 в. протиставляли ненаучним уявам про самонародження організмів. Однак як теорія походження життя біогенез неупорядкований оскільки принципіально протиставляється живе неживому підтверджує відкинуту наукою ідею вічності життя.

Абіогенез – ідея про походження живого з неживого – вихідна гіпотеза сучасної теорії походження життя. Важливо підкреслити що зараз життя на Землі не може виникнути абіогенним шляхом. Життя виникло на Землі абіогенним шляхом. В теперішній час живе походить тільки від живого(біогенне походження). Можливість повторного виникнення життя на Землі вилучене.

Данні отримані при дослідженні метеоритів.

Однак аж до самого останнього часу ми могли оперувати тільки методом логічної реконструкції. Але ось зовсім недавно ми отримали в руки зовсім неоцінимий матеріал: вдалось виявити надзвичайно давні з’єднання які містять Вуглець при чому ці з’єднання були виявлені не на Землі де б вони зазнали за її багатовікову історію надто великі зміни а в занесених до нас із космосу метеоритах. В метеоритах були виявлені складні з’єднання Вуглецю. Деякі з них можна розглядати як попередники складних біологічних молекул але утворились вони щонайменше 45 млрд. років назад і не на Землі а на якійсь іншій планеті. Виявлення цих з’єднань свідчить про те що Земля зовсім не є єдиним місцем з котрим пов’язані процеси виникнення життя: ці процеси можуть проходити і в інших ділянках Всесвіту хоча подальша еволюція могла проходити зовсім різними шляхами. Ці знаходки слугують матеріальним підтвердженням повсюдності процесів зародження життя: ми зараз можемо говорити не тільки про виникнення життя на Землі але про виникнення життя взагалі. Ми починаємо усвідомлювати що процес еволюції життя є процес всезагальний і необхідний.

Енергетичний баланс життя.

Процес виникнення життя розпадається логічно на декілька стадій. Перша – це формування простих біогенних молекул – процес якому очевидно передували поглинання і фіксація вільної енергії. Джерелом вільної енергії при цьому могли бути деякі форми випромінювання – або безпосередньо сонячна радіація або сонячний вітер( потік плазми складена в основному з ядер Водню і електронів розповсюджуваних з великою швидкостю від Сонця в результаті безперервного розширення сонячної корони) або енергія радіоактивного розпаду. Таким чином в “первинному бульйоні” в процесі його формування накопичувалась вільна енергія. Перша стадія еволюції життя в цьому бульйоні представляє собою поперед усього перетворення більш простих з’єднань за рахунок накопиченої вільної енергії в більш складні молекулярні струкрури. За цим в якийсь момент ( який саме невідомо) під дією ультрафіолетового випромінювання Сонця з’являється нове джерело енергії достатнє – але і не тільки – для підтримання життя. Однак життя не могло існувати на цьому принципі нескінченно. Виникали різні поглинаючі ультрафіолет форми які однак безслідно зникли. Саме тут і діяв процес природного відбору на молекулярному рівні. На сьогодні ми бачимо тільки ті що виграли в цьому змаганні.

Гіпотеза панспермії

Панспермія – гіпотеза про повсюдність поширення в Всесвіті зародків живих істот. Згідно панспермії в світовому просторі розсіяні зародки життя (наприклад спори мікроорганізмів) які рухаються під тиском світових променів а потрапивши в сферу притягання планети осідають на її поверхні і закладають на цій планеті початок живого. Ця гіпотеза була видвинута шведським вченим Ареніусом в 1907 р.

4. Перші теорії Опаріна і Холдейна

Накопичення фактів говорячих о хімічній і генетичній єдності життянеминуче повинно було рано чи піздно навести на певні роздуми про виникнення життя. Першою спробою в цьому роді стала книга Опаріна “Виникнення життя” видана ним в 1924 р. Ідеї висказані в цій невиликій за об’ємом книзі лягли в основу майже всіх сучасних теорій виникнення життя. Опарін висказав припущення що при міцних електричних розрядах в земній атмосфері яка 4-45 млрд.р. назад складалась із аміаку метану вуглекислого газу і пари води могли виникнути найпростіші органічні з’єднання необхідні для виникнення життя. П’ять років пізніше ті ж самі в сутності положення  але незалежно від Опаріна були в значно коротшій формі висказані Холдейном. Обидві ці роботи представляють собою спробу використати нові знання відносно циклів біохімічної реакції окислення і бродіння для того щоб пояснити виникнення життя через виникнення її важливіших біохімічних властивостей в умовах які як припускається існували на первісній Землі; особливу увагу при цьому приділяють процесам відбуваючимся в океані або гідросфері а також на зміні в примитивній атмосфері Землі.

В 1897 році Бухнеру вдалось ізолювати “неживий” фермент із дріждживих клітин досліджувані Пастером в 1855 р. Ця робота поклала початок хімічному вивченню процесу бродіння. Цим самим були закладені основи для поняття природи і функціонування ферментів – органічних молекул здатних в багато разів прискорювати звичайні хімічні реакції надзвичайно специфічні в своїй діяльності. Іншими словами ферменти є ніщо інше як органічні каталізатори. Опаріну було зрозуміло що їх виникнення виявилось необхідною ланкою процесу виникнення життя.

Він намагався відповісти на заперечення – заперечення доволі вагомі - висовувані проти старих теорій виникнення життя на Землі і усунути протиріччя народженні успіхом досвіду Пастера експерементально довівшого неможливість спонтанного самонародження. Пастер довів що живе виникає тільки із зародків вже присутніх в середовищі. Якщо погодитись з таким висновком то життя слідує вважати таким же вічним як і сама матерія - а численні вчені саме так і вважали. Але це положення в сутності лежало на гіпотезі Аристотеля про незмінювання світотворення і заперечувало новій доведеній теорії еволюції організмів. Відмова ж від цієї ідеї відкривала шлях для нової гіпотези складеній в тому що умови в яких виникло життя відрізняється від умов в яких життя існує зараз. Ця відмінність стосувалась головним чином складу атмосфери.

5.Основні етапи виникнення життя

Ознаки діяльності живих організмів виявлені багатократно в докембрійських породах розсіяних по всій земній кулі. В Пд. Африці (м. Фіг-три) знайдені породи зі слідами діяльності мікроорганізмів вік яких більше 35 млрд. років.

Процеси які передували виникненню життя на Землі безперечно здійснювались на основі тих же фізичних і хімічних законів які діють на Землі і досі. Фізичні і хімічні властивості різних атомів і молекул робили обов’язковим взаємодію між ними. Говорячи про виникнення життя шляхом складних хімічних перетворень молекул важливо мати на увазі що ці процеси не мали єдиного і неповторюваного характеру а могли протікати і очевидно протікали в неоднакових умовах і на різних ділянках поверхні Землі.

Передбачаєма історія виникнення життя викладена в трьох основних частинах:

від атома до молекули;

від молекули до полімера;

від полімера до організму.

Хімічна еволюція живого

Із Водню Азоту і Вуглецю при наявності вільної енергії на Землі повині були виникати спочатку прості молекули: аміак метан і подібні з’єднання. Далі ці нескладні молекули в первинному океані могли вступати в нові зв’язки між собою і з іншими речовинами.

З особливим успіхом очевидно протікали процеси росту молекул при наявності групи –N=C=N – . Ця група приховує в собі великі хімічні можливості до росту як за рахунок приєднання до атому Вуглецю атома Водню так і шляхом реагування з азотистою основою.

З визначеного етапу хімічної еволюції участь кисню в цьому процесі стала необхідною. В атмосфері Землі кисень міг накопичуватись в результаті розкладу води і водяної пари під впливом ультрафіолетових променів Сонця( існують припущення про наявність кисню до зародження життя). Для перетворення відновленої атмосфери первинної Землі в окислену витратилось не менше 1-12 млрд. р. З накопиченням в атмосфері кисню відновлені з’єднання почали окислюватись а саме: NH₃ – до NO₃ CH₄ – до CO₂ H₂S – до SO₃. В ряді випадків при окислені CH₄ утворились метиловий спирт формальдегід мурашинна кислота і т.д. які разом з дощевою попадали в первинний океан. Ці речовини вступаючи в реакції з аміаком і ціанистим воднем  дали початок амінокислотам і з’єднанням типу аденіну.

В ході таких і аналогічних їм реакцій води первинного океана насичувались різноманітними речовинами утворюючи первинний бульйон. Шляхом реакції полімерилізації з простих молекул могли бути утворені і більш складні молекули – білки ліпіди нуклеїнові кислоти і їх спричинені. Однією з найбільш важливих ланок початкової стадії хімічної еволюції слідує визнати з’єднані здібності до самовідтворення полінуклеотидів з каталітичною активністю поліпептидів. При виникненні життя необхідна була участь як полінуклеотидів так і поліпептидів.

Надалі ускладнення обміну речовин в таких системах значну роль повинні були відіграти каталізатори (різні органічні і неорганічні речовини) і просторово-часові роззносини (тобто закінчити зв’язок) початкових і кінцевих продуктів реакції. Все це не могло з’явитись до появи мембран. Утворення мембранної структури вважається самим важким етапом хімічної еволюції життя. Біологічні мембрани як відомо складають агрегати білків і ліпідів здатні розмежувати речовини від середовища і надати упаковці молекул міцності.

Початкові етапи біологічного обміну

Вважають що в початкових етапах передбіологічної еволюції коацервати в яких виникла концентрація певного набору металів і простих органічних речовин стали основою для переходу до біогенних синтезів. Навіть перші живі організми могли получити АТФ із оточуваного середовища.

З іншого боку каталітична активність коацерватов могла бути підсилина і при виникненні комплексів між металами і органічними з’єднаннями.

До виникнення дійсної живої істоти здібність до самовідтворення не обов’язково могла бути зв’язана з точною редуплікацією нуклеїнових кислот так як вона здійснювалась дуже повільно. Самоподвоєння їх могло б бути результатом постійності співвідношення швидкостей різних реакцій обміну речовин йдучих із участю коферментов – каталізаторов небілкової природи. Надалі очевидно шов передбіологічний відбір коацерватов і по здібності накопичення спеціальних білковоподібних полімерів відповідальних за прискорення хімічних реакцій. Всі ці зміни привели до виникнення циклічного обміну речовин характерного для живих створінь.

В системі коацерватов не виключен і відбір самих нуклеїнових кислот тобто відбір по генам. Система з успішною працюючою послідовністю нуклеотидів в нуклеїновій кислоті має право називатись живою.

Хіральна чистота живого

В питанні про походження життя одним із загадкових залишається факт наявності абсолютної хіральної чистоти (від греч. cheir – рука ): у живих істот – зміст в молекулах білків тільки “лівих” амінокислот а в нуклеїнових кислотах – “правих” цукрів. Подібне явище могло виникнути тільки внаслідок утрати передбіологічного середовища первинної зеркальної симетрії (однаковий зміст правих і лівих ізомерів амінокислот і цукрів). Неживій природі присутня тенденція установлення зеркальної симетрії(рацемації).

Досвіди останніх років показали що тільки в хірально чистих розчинах практично могло виникнути біологічно вагоме видовження ланцюга полінуклеотидів і процес самореплікації. Живі системи організовані так що тРНК із правих цукрів приєднує до себе тільки ліві амінокислоти. Ось чому виникнення життя очевидно виключалось до руйнування зеркальної симетрії передбіологічного середовища і появи саморепліцируючих систем.

Усі живі організми піддтримують свою хіральну чистоту і еволюція не надала їм засобів для мешкання в рацимічному середовищі.

Всі викладені – не більш як правдоподібні гіпотези можливих шляхів виникнення життя і тут можна очікувати нових цікавих відкриттів. Так за останні роки показано що давно відомі бактерії проживаючі в гарячих джерелах на дні океанів в шлунку деяких жуйних тваринах поглинаючи вуглекислий газ водень і виділяючі метан (метаноутворюючі бактерії) мало відрізняються від організмів які жили на Землі першими.

В проблемі виникнення біологічного обміну на Землі ще є багато нез’ясованого. Занесене життя на землю чи воно тут виникло? Прошов біологічний обмін через коацерватний стан чи первісно виникає генетичний код? Але научно вірогідною залишається можливість виникнення життя з неорганічних речовин за допомогою діяння фізичних факторів середовища і діяння передбіологічного відбору.

6.Прискорення еволюції

Прискорення (акселірація) – відміна риса еволюції: вперше це підкреслив академік Опарін. Після виникнення життя на Землі її еволюція характеризується тенденцією до поступового прискорення. Від виникнення перших живих істот (біля 35 млрд.р.назад) до першого масового розвитку багатоклітинних в вендську епоху пройшло більш 25 млрд.р. Для досягнення величезного різноманіття тварин і рослин було необхідно біля 400 млн.р. для розвитку ссавців і птах – біля 100 млн.р. приматів – біля 60 млн.р. гомінід – біля 16 млн. р. для роду чоловіка – 6 млн. р. для Homo sapiens – 60 тис.р.

Древній кам’яний вік (палеоліт) продовжувався стільки ж скільки слідуючі неоліт бронзовий і залізний віки. Сучасна наука зародилась біля 300 р. назад. Увесь хід розвитку свідчить про прискорення.

Швейцарський інженер і філософ Ейхельберг досить образно описує темпи прогресу людства:

“ Припускається що вік людства 600 тис. р. Уявляємо собі рух людства як марафонський біг на 60 км.

Більша частина 60-кілометрової відстані проходить по дуже складному шляху – через незаймані ліси. Ми мало знаємо цю частину так як лише в кінці на 58-59-м кілометрі бігу зустрічаємо разом з первісною зброєю малюнки печерних людей як перші ознаки культури і ледве лише на останньому кілометрі шляху з’являється все більше ознак землеробства.

За 200 м до фінішу дорога вже покрита кам’яними плитами ми проминаємо римські фортеці.

За 100 м до фінішу наш бігун пробігає через середньовікові міста.

До фінішу залишається ще 50 метрів; там стоїть людина яка розумними очами слідкує за бігуном - це Леонардо да Вінчі.

Залишається тільки 10 метрів! Вони починаються при світлі факелів і при світлі масляних світильників.

Але при стримкому пориві на останніх 5 метрах трапляється диво: світло заливає нічну дорогу машини шумлять на землі і в повітрі і здивований бігун осліплен прожекторами фото- і телекореспондентів”.

Ейхельберга турбує цей стрімкий біг. Він питає – невже стрімкий рух людства до научно-технічного прогресу може виявитись рухом до його загибелі?

Безперечно що розвиток людства визначається іншими законами відмінними від законів біологічної еволюції. Але еволюція життя і неживої природи в геологічному минулому – процес діалектичний котрому теперішнє зобов’язане своїм існуванням. На довгому шляху життя крізь глибини часу можно виявити вражаючий зв’язок між мешканцями Землі і спадкоємністю розвитку клімату і ландшафту періодами небувалого розквіту і епохами згубних випробувань. Сучасне середовище в якому ми живемо змінюється з дивовижною швидкістю; зараз за десятиріччя проходять зміни які в минулому проходили за мільйони років.

Прискорення є спільною закономірністю в розвитку. Але з ним зв’язана і цефалізація сучасним досягненням якої є людський мозок. Прискорення веде не до загибелі а до прогресу. В цьому закономірність еволюції.

Список використаної літератури:

Яблоков  Юсуфов “Еволюційне вчення”

Т.Ніколов “Довгий шлях життя”

М.Р. Івахненко В.А. Корабельников “ Живе минуле Землі”

Джон Бернал “Виникнення життя”

Р.Д. Ален “Наука про життя”

О.Томілін “Як люди відкривали свою Землю”