Происхождение жизни (эволюция и развитие живых систем)

Первая идея, которая была выдвинута, это идея самопроизвольного зарождения жизни. Эмпедокл, например, считал, что все дышащее обязано своим существованием самозарождению отдельных органов рук, ног, лап, голов, сердец, которые затем, случайно комбинируясь, складывались в тела и достигали в конце концов вполне удачных комбинаций.

Лет за сто до него Анаксимандр с поразительной для своего времени прозорливостью утверждал, что путь к высшим организмам природа начинала с более примитивных, и, пожалуй, впервые выдвинул идею эволюции природы. Но и он за исходную субстанцию брал сложный природный продукт морской ил. По его мнению, живые существа зародились во влажном иле, который когда-то покрывал землю. Когда Земля стала высыхать, влага скапливалась в углублениях, в результате чего образовывались моря, а некоторые животные вышли на сушу. Среди них были разнообразные существа, в чреве которых развивались люди. Когда люди выросли, покрывавшая их чешуйчатая оболочка развалилась. Опыты Пастера, доказывающие происхождение живого от живого

В 60-х гг. XIX в. Пастер (1822 1895) в своих опытах продемонстрировал, что микроорганизмы появляются в органических растворах только потому, что туда раньше был внесен зародыш. Пастером фактически была открыта природа брожения. Он ввел методы асептики и антисептики, а в 1888 г. создал и возглавил институт микробиологии (впоследствии Пастеровский институт).

Таким образом, опыты Пастера имели двоякое значение:

1. Доказали несостоятельность концепции самопроизвольного зарождения жизни.

2. Обосновали идею о том, что все современное живое происходит только от живого.

Гипотеза занесения живых существ на Землю из космоса

Примерно в тот же период, когда Пастер продемонстрировал свои опыты, немецкий ученый Г. Рихтер (1865 г.) разработал гипотезу занесения живых существ на Землю из космоса. Зародыши могли попасть на Землю вместе с метеоритами и космической пылью и положить начало эволюции живого, которая породила все многообразие земной жизни. Эта концепция называлась концепцией панспермии.

Эволюция, ее атрибуты. Теория Ламарка

Эволюция — это изменение наследственных признаковпопуляцииорганизмов в течение нескольких поколений. Атрибуты эволюции:

1)самопроизвольность

2)необратимость

3)направленность

Теория Ламарка – первая эволюционная теория в основе которой лежит принцип стремления организмов к совершенству путем упражнения органов.

Всех животных Ламарк распределил по шести ступеням, уровням (или, как он говорил, «градациям») по сложности их организации. Дальше всего от человека стоят инфузории, ближе всего к нему — млекопитающие. При этом всему живому присуще стремление развиваться от простого к сложному. Совершенствуясь, организмы вынуждены приспосабливаться к условиям внешней среды. Для объяснения этого учёный сформулировал несколько «законов». Прежде всего, это «закон упражнения и не упражнения органов». Если орган часто упражняется, он развивается. Если орган не упражняется, он постепенно отмирает.

Другой «закон» Ламарка — «закон наследования приобретённых признаков». Полезные признаки, приобретённые животным, по мнению Ламарка, передаются потомству. Данная теория потерпела шквал критики со стороны других ученых.

Первичная атмосфера Земли - (содержащая - в равновесии с океаном - водяные пары, CO2 , CO , CH4 , NH3 , H2S и инертные газы, и являющаяся восстановительной) оставалась тонкой, и температура на поверхности планеты не отклонялась сколь-нибудь заметно от точки лучистого равновесия (15 градусов С).

1. Абиогенный синтез - образование органических соединений, характерных для живой природы, вне организмов и без участия ферментов, в результате химических реакций между неорганическими веществами.
2. Предбиологический отбор- Первыми катализаторами были простейшие соединения, соли железа, меди, других тяжелых металлов, но их действие было очень слабым. Постепенно на основе предбиологического отбора эволюционно формировались биологические катализаторы. Из огромного количества химических соединений, присутствующих в "первичном бульоне", отбирались наиболее эффективные в каталитическом отношении комбинации молекул. На определенном этапе эволюции простые катализаторы были заменены ферментами. Ферменты контролируют строго определенные реакции, и это имело огромное значение для совершенствования процесса обмена веществ.
3. Коацерваты,коацерватные капли, мелкие частицы, имеющие вид тонких пластин от 5 мкм до нескольких мм, образованные из органич. макромолекул на первоначальной стадии перехода от неживой материи к живой; в гипотезах о происхождении жизни — праорганизм; т. н. период коацерватов был одним из начальных периодов биогенеза
4. Гетеротрофы - организмы, использующие для питания исключительно или преимущественно органические вещества, произведенные другими видами (автотрофами), и неспособные синтезировать вещества своего тела из неорганических веществ. К гетеротрофам относятся все животные, паразитарные растения, грибы и подавляющее большинство микроорганизмов. Различают три типа гетеротрофного питания: сапрофитное, галозойное и паразитное
5. Автотрофы - организмы, синтезирующие из неорганических соединений органическое вещество с использованием энергии Солнца или энергии, освобождающейся при химических реакциях. Автотрофы служат в биосфере Земли продуцентами органического вещества.
6. Анаэробы - организмы, способные жить в бескислородной среде. Анаэробы получают необходимый для жизни кислород посредством расщепления кислородсодержащих органических соединений
7. Аэробы - организмы, способные жить только в среде, содержащей свободный молекулярный кислород. К аэробам относятся почти все животные и растения, а также многие грибы и микроорганизмы
8. Прокариоты - древнейшие организмы. Прокариоты не обладает четко оформленным ядром с оболочкой и типичным хромосомным аппаратом. Наследственная информация передается и реализуется через ДНК. Прокариоты размножаются делением без выраженного полового процесса. К прокариотам относят вирусы, бактерии, сине-зеленые водоросли, микоплазмы и др.
9. Эукариоты - высшие организмы, четко оформленные ядра которых обладают оболочкой, отделяющей их от цитоплазмы. Эукариоты включают царства: грибы, растения и животные.
10. Голобиоз - методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на идее первичности структур, наделенных способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма.
11. Генобиоз - методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на убеждении в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода. Исторические концепции происхождения жизни:

2. Креационизм - (от англ. creation — создание) — философско-методологическая 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. Последователи креационизма разрабатывают совокупность идей — от сугубо богословских и философских до претендующих на научность, хотя в целом современное научное сообщество относится к таким идеям критически.

3. Гипотеза панспермии-(греч. panspermía — смесь всяких семян, от παν (pan) — весь, всякий и σπερμα (sperma) — семя) — гипотеза о появлении жизни на Земле в результате переноса с других планет неких «зародышей жизни».

4. Биохимическая эволюция- Полагают, что в те времена атмосфера была совершенно не такая, как теперь. Легкие газы - водород, гелий, азот, кислород и аргон - уходили из атмосферы, так как гравитационное поле нашей еще недостаточно плотной планеты не могло их удержать. Однако простые соединения, содержащие (среди прочих) эти элементы, должны были удерживаться; к ним относятся вода, аммиак, двуокись углерода и метан. До тех пор пока температура Земли не упала ниже 100°С, вся вода, вероятно, находилась в парообразном состоянии.

5. Постоянное самозарождение- Уже на ранних стадиях своего развития человечество начало задаваться одним из важнейших философских вопросов: вопросом о происхождении всего живого на земле. Наши древние предки начали с того, что находили решение этого и подобных ему вопросов в такой мировоззренческой форме, как религия. Их примитивные представления о происхождении жизни давали ответы практически на все возникающие вопросы. Однако с появлением зачатков научного и эмпирического знания взгляды на решение этих вопросов стали меняться. Сейчас ни у кого не вызывает сомнения тот факт, что все живые существа на Земле возникают путём рождения от себе подобных. Но прежде чем прийти к признанию этой, казалось бы, неоспоримой истины, человечество проделало долгий и трудный путь ошибок, заблуждений и величайших научных открытий.

6. Стационарное состояние- 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.

Существует два подхода к пониманию проблемы жизни.

Редукционизм - путь познания от сложного к простому, доведенный до своего логического завершения, сводит познание к изучению элементарнейших форм существования материи. Это относится и к живой и к неживой природе. Развитие биологии шло по пути последовательного упрощения предмета исследования. Так возникли многочисленные биологические дисциплины, специализирующиеся на изучении структурно-функциональных особенностей определенных организмов. При гаком подходе законы природы пытаются познать, изучая вместо единого целого отдельные его части.

Другой подход основан на "виталистических" принципах (жизненных) - энтелехия, созидающая сила, порыв к форме и т.д. Истоками уходит в учение Платона о душе, которая одухотворяет животный и растительный мир, и в учение Аристотеля об энтелехии. Представителями витализма являются Г. Шталь, Я.Икскюль, Дриш. Витализм сформировался в XVII-XVIII веках. Ссылаясь на качественное своеобразие живой природы витализм отрицает возникновение живой природы из неживой. Происхождение жизни - божественное (не от личностного бога) и вечное существование жизни.

Особенности биологического уровня организации материи.

Существует определение: жизнь - форма движения материи, способ существования белковых тел. Более строго определение дать в настоящее время невозможно, как и сказать точно, когда и как она возникла. Все, что мы можем это перечислить те признаки живой материи, которые отличают ее от неживой, это прежде всего: питание, дыхание, раздражимость, подвижность, выделение, размножение, рост. Отличие живых организмов от неживых:

1. Живые организмы более сложные по составу и строению таких же по размерам объектов неживой природы.

До сих пор не известна структура живой клетки. Еще более сложны многоклеточные организмы, в которых огромные популяции клеток специализированны на выполнение определенных функций и взаимодействуют по согласованной и взаимовыгодной программе. Строение клетки:

- клеточная мембрана (разделяет внутреннюю и внешнюю среду, осуществляет энергетический и информационный обмен с окружающей средой);

- рибосомы (в них аминокислоты соединяются в белки);

- ядро (центр управления, оно окружено двумя мембранами, регулирует жизнедеятельность клетки);

- хромосомы (содержат ДНК клетки);

- ядрышко (место, где идет сбор рибосом);

- эндоплазматическая сеть (мембранные канальцы, в которых накапливаются или транспортируются белки, производимые прикрепленными к ним рибосомами);

- метахондрии (центры производства молекул АТФ, обеспечивающие клетку энергией);

комплекс Гольджи (группа уплотненных мембранных мешков, которая упаковывает и распределяет производимые клеткой белки); - центриоли (находятся вблизи ядра, играют важную роль в делении клетки).

2. Основные жизненные процессы на Земле обеспечиваются молекулами только двух типов: белками и нуклеиновыми кислотами

Белки образуют ферменты, являющиеся катализаторами разнообразных химических реакций в живом веществе.

Нуклеиновые кислоты образуют гены — носители всех видов наследственной информации, которая определяет химическое строение, последовательность и скорость синтеза белковых молекул. Информация в организме состоит из закодированной на базе ДНК комбинации программ, управляющих синтезом ферментов и белковых молекул. Для синтеза живого вещества необходимо исходное сырье, источник энергии и растворитель (Н₂О).

3. Смерть живых организмов (прекращение функционирования), биологическая смерть.

4. Характерным генетическим признаком живых существ является способность к воспроизводству себе подобных и мутациям, которые по существующим представлениям лежат в основе эволюционного развития всех структур и функций, которыми отличаются живые объекты от неживых,

В этом смысле жизнь равнозначна наличию генетических свойств, система, способная к свободным мутациям и их последующему воспроизведению, должна развиваться на пути, обеспечивающему ее выживание. Одинаковое строение всех генов и белков, универсальность генетического кода позволяет сделать вывод об одинаковой основе всех живых организмов.

Жизнь на Земле определяется химическими свойствами углерода, т.к. атом углерода обладает уникальной способностью образовывать четыре сильные ковалентные химические связи с другими атомами, в том числе самого углерода. В связи с пространственной ориентацией этих связей атомы могут создавать скелеты гигантских трехмерных структур, вполне определенной архитектуры, подобные белкам и нуклеиновым кислотам. Структуры спиралевидные, но спирали имеют левую асимметрию, особенность соединений углерода - химическая инертность.

5. Молекулы живого являются пента-системами (системами с пятью осями симметрии).

6. Отличительная черта живых организмов - изменчивость, наследственность, естественный отбор.

7. С позиций термодинамики живые системы представляют собой открытые равновесные термодинамические системы, обменивающиеся с окружающей средой веществом, энергией и информацией.

Итог

Проблема происхождения жизни,

Три основных гипотезы:

1) абиогенез - самопроизвольное зарождение жизни;

2) панспермия - занесение зародышей жизни на землю извне;

3) научный креационизм - жизнь была сотворена высшим разумом, для чего были подготовлены условия.

Принцип Пастера-Редди живое только то, что происходит от живого.

Согласно версии абиогенеза, сначала Земля имела атмосферу, состоящую из углекислого газа, аммиака, метана и воды. Под влиянием солнечного излучения, электрических разрядов молнии и вулканических извержений простые соединения разлагались и преобразовывались в аминокислоты, а их разновидности скапливались в морях и образовывали соединения, подобные белкам, следовательно, океан превратился в "первичный бульон". Затем случайно образовалась молекула, способная к самовоспроизведению, но любая гипотеза должна быть проверена. Условия:

- существование подходящей первичной атмосферы;

- концентрация в океанах необходимых аминокислот,

- из них образуются белки и нуклеотиды;

- они соединяются и приобретают мембраны;

- развивается генетический код и начинает производить копии самих себя.

Атмосфера, аналогичная первичной, обрабатывалась электрическими разрядами. В результате образовывались многочисленные молекулы из аминокислот, входящие в состав белков (их них только 4 из 20 необходимые для жизни). Вероятность случайного образования хотя бы одной простой белковой молекулы равно 1/10¹¹³.

С точки зрения панспермии, жизнь - космическое явление, это естественный этап самоорганизации материи, она закономерно возникает при появлении необходимых для жизни условий. Исследование другого метеоритного вещества показывает, что в нем присутствуют закаменевшие останки микроорганизмов. Преоны - вирусы, имеющие в своем составе только белок.

Эволюция живых систем