ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ

ЭВОЛЮЦИЯ
ЭВОЛЮЦИЯ – ИЗМЕНЕНИЕ
ЧЕГО-ЛИБО ИЛИ КОГО-ЛИБО
ВО ВРЕМЕНИ.
Эволюция техники и
деградация человека
ИСТОРИЯ
ЭВОЛЮЦИОННОГО УЧЕНИЯ
БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ:
Природа жизни, ее происхождение,
разнообразие живых существ, структурная и
функциональная близость живых существ
ЭВОЛЮЦИОННЫЕ ТЕОРИИ
ХИМИЧЕСКАЯ
ЭВОЛЮЦИЯ:
Живые существа
возникли в процессе
эволюции из
относительно простых
химических соединений
Откуда взялась
первая клетка?
ЭВОЛЮЦИЯ
ОРГАНИЧЕСКОГО
МИРА:
Исследование природы самой
жизни, ее происхождения,
огромного разнообразия живых
существ и принципиального
сходства, лежащего в основе их
структуры и функции.
ВИДООБРАЗОВАНИЕ
ПОДХОДЫ ПРИ ИЗУЧЕНИИ
ИСТОРИИ ЖИЗНИ
Доктринерство – сознательные попытки
внедрения слепой приверженности к
какому-либо убеждению или учению.
Невозможность воспроизведения событий
при возникновении жизни
Умозрительность как научных, так и
теологических теорий
Теория эволюции - совокупность ряда
научных гипотез, поддающихся проверке
Теории возникновения жизни.
Креационизм: Жизнь была создана сверхъестественным
существом в определенное время;
Самопроизвольное зарождение: Жизнь возникла неоднократно
из неживого вещества
Теория стационарного состояния: Жизнь существовала всегда
Жизнь была занесена на нашу планету извне (панспермия);
Панспермия
Биохимическая эволюция: Жизнь возникла в результате
процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам
А). Белок
Б). Нуклеиновая кислота
Задание 3
3 Эссе «Происхождение жизни. Какую
гипотезу химической эволюции я
считаю более убедительной и
интересной? Почему?»
КРЕАЦИОНИЗМ
Религиозные учения:
Жизнь возникла в
результате
сверхъестественного
события в прошлом
1650 г., архиепископ Ашер
(Ирландия) вычислил, что
бог сотворил мир в октябре
4004г. до н.э.
Бог создал мир за 6 дней
продолжительностью в 24
часа.
КРЕАЦИОНИЗМ
Наука: наблюдение и
эксперимент. Научная истина
содержит элемент гипотезы.
Богословие: божественное
откровение и вера. Процесс
сотворения мира недоступен
наблюдению. Истина
абсолютна.
Наука не может ни доказать,
ни отвергнуть креационизм
Чей ты потомок?
Адама или обезьяны?
The origin of a leading evolutionist:
САМОПРОИЗВОЛЬНОЕ
(спонтанное) ЗАРОЖДЕНИЕ
Самопроизвольное
зарождение жизни –
способ появления
живых существ из
неживой материи.
Распространена в
древнем
Китае,
Вавилоне и Египте
как альтернатива
креационизму.
САМОПРОИЗВОЛЬНОЕ
ЗАРОЖДЕНИЕ
Аристотель (384-322 до н.э.) :
Определенные
«частицы»
вещества содержат «активное
начало»,
которое
при
подходящих условиях может
создать живой организм.
«Активное начало» есть в
оплодотворенном
яйце,
солнечном
свете,
тине,
гниющем мясе
Ван Гельмонт (1577-1644)
Эксперимент по
созданию мышей
за 3 недели в
горшке с зерном,
заткнутом грязной
рубахой в темном
шкафу. Активное
начало –
человеческий пот.
Какое упущение
допустил ван
Гельмонт в своем
эксперименте?
Эксперимент Ван Гельмонта с возникновением
мышей путем самозарождения из грязных рубашек:
1 - опыт, 2 - контрольный опыт.
1668г. Опыт Франческо Реди
Подверг сомнению теорию спонтанного
зарождения
Концепция биогенеза: жизнь может
возникнуть только из предсуществующей
жизни
«Убежденность оставалась бы тщетной, если
бы ее нельзя было подтвердить
экспериментом. Поэтому в середине июля я
взял 4 больших сосуда с широким горлом,
поместил в один из них змею, в другой –
немного рыбы, в третий – угрей из Арно, в
четвертый – кусок молочной телятины,
плотно закрыл и запечатал. Затем я
поместил то же самое в 4 других сосуда,
оставив их открытыми…»
1668г. Опыт Франческо Реди
«… Вскоре мясо и рыба в незапечатанных сосудах
зачервивели; можно было видеть, как мухи свободно
залетают в сосуды и вылетают из них. Но в запечатанных
сосудах я не видел ни одного червяка, хотя прошло много
дней, после того как в них была положена дохлая рыба»
1668г. Опыт Франческо Реди
Удар по теории
самозарождения:
Растения и животные
появляются только из
семян или из яиц,
образуемых
родительскими
особями.
Спонтанное
зарождение
продолжало
оставаться главной
теорией в
нерелигиозной среде.
Микроскоп Левенгука и способ его
использования. Изображения бактерий,
которые Левенгук увидел под микроскопом
Везде обитают крошечные организмы, невидимые простым
глазом
«Анималькули» происходят от себе подобных
Усиление теории самозарождения применительно к
микроорганизмам.
Наблюдения под микроскопом давали пищу как теориям
биогенеза, так и самозарождения
Дж. Нидхем (J. Needham, 1713
— 1781)
Серия опытов:



готовил в стеклянных колбах разные настои, кипятил их в
течение нескольких минут, затем закрывал обычными
пробками
через несколько дней в сосудах появлялись
микроорганизмы
Заключение о спонтанном возникновении
микроорганизмов из неживого органического вещества, т.
е. о возможности самопроизвольного зарождения на
уровне низших живых существ.
Ладзаро Спалланцали, 1765г.
Опыт с бульоном в запаянной колбе,
закрытой пробкой
кипячения
(30мин.-1 час):
 Нет микроорганизмов в
большинстве колб
 в опытах Дж. Нидхема
микроорганизмы в настоях
появлялись из воздуха или
погибали не все клетки из-за
недостаточно длительного
кипячения (прорастание
покоящихся спор)
 Л. Спалланцани под микроскопом
наблюдал деление клеток.
до
ВЫВОДЫ:
Ладзаро
Спалланцали:
Микроорганизмы
(бактерии, плесень)
не зарождаются
самопроизвольно в
мясном бульоне, а
происходят от себе
подобных.
Нидхэм:
Воздух в закрытых
колбах непригоден для
жизни
Кипячение разрушило
жизненно важные
молекулы в опытах
Спалланцани,
необходимые для
превращения неживой
материи в живую.
Идея самозарождения
XVII – XVIII вв. благодаря успехам в
изучении низших организмов,
оплодотворении и развитии животных, а
также наблюдениям и экспериментам Реди,
Левенгука, Жобло, Спалланцани,
Тереховского и других вера в
самопроизвольное зарождение была
основательно подорвана.
Луи Пастер (1822-1895)
Отец микробиологии
Изучение бактерий,
дрожжей и других
микроорганизмов
Бактерии вездесущи,
Неживые материалы
могут быть заражены
живыми, если их не
простерилизовать
должным образом
Опыты Л.Пастера
Бактерии распространяются по воздуху
доказал, что в сосуде, куда не проникают
споры микроорганизмов, не могут
зарождаться даже бактерии.
Л.Пастер и его колба
Джон Тиндаль, Англия
Стирилизовал воздух, поступающий в колбы,
пропуская его сквозь пламя или через слой ваты.
Идея самозарождения
Идея самозарождения - в эпоху
господства религии
в противовес вере в сотворение,
подчеркивалась мысль о естественном
возникновении организмов, идея
самозарождения имела прогрессивное
значение.
Против выступали теологи
Условия, необходимые для
возникновения жизни
Л.Пастер доказал,

что жизнь в его колбах за время опыта и
условиях опыта (стерильная питательная
среда, чистый воздух) не зарождалась.
Л. Пастер не доказал,

что жизнь не могла возникнуть из
неживой материи никогда, ни при каком
сочетании условий.
Идея самозарождения: 1970-е
Живые организмы происходят от других
живых организмов
Новая проблема!!!
Откуда взялись первые клетки?
Не требует ответа на этот вопрос только
Теория стационарного состояния
Теория
стационарного
состояния
Земля существовала вечно, всегда поддерживалась
жизнь, виды существовали всегда, но имели 2
возможности: либо изменение численности, либо
вымирание.
Отрицают, что ископаемые остатки указывают на
время появления или вымирания вида
Пример: кистеперые рыбы – латимерия
(«вымерли» 70млн лет назад).
Теория стационарного
состояния
Метод: сравнение
живущих видов и
ископаемых остатков
Появление
ископаемого вида в
определенном пласте
объясняют
увеличением
численности его
популяции или его
перемещением в места,
благоприятные для
сохранения остатков.
Теория
панспермии
Жизнь занесена на
нашу планету извне.
Не предлагает
механизма объяснения
первичного
возникновения жизни.
Перенос проблемы в
другое место
Вселенной.
Жизнь возникла 1 или
несколько раз в
разных частях
Галактики.
Теория панспермии:
обоснования
многократные появления
НЛО
наскальные изображения
предметов, похожих на
ракеты и «космонавтов»
сообщения о встречах с
инопланетянами
материалы метеоритов и
комет – обнаружены
«предшественники
живого»: цианогены,
синильная кислота и
органические соединения
Условия, необходимые для
возникновения жизни
Л.Пастер доказал,
 что жизнь в его колбах за
время опыта и условиях
опыта (стерильная
питательная среда, чистый
воздух) не зарождалась.
Л. Пастер не доказал,
 что жизнь не могла
возникнуть из неживой
материи никогда, ни при
каком сочетании условий.
Биохимическая эволюция
Возраст Земли – 4,5-5 млрд.лет
3,5млрд лет назад –появление живых
существ на Земле
Жизнь возникла из неживой материи
в условиях, резко отличающихся от
нынешних, и на протяжении периода
в сотни миллионов лет в результате
процессов, подчиняющихся
химическим и физическим законам.
Появление жизни - обязательный
этап эволюции материи
Жизнь возникла неоднократно и в
разных частях Вселенной.
Условия, необходимые для
возникновения жизни:
Наличие определенных химических
веществ (вода, неорганические
вещества горных пород, газообразные
продукты извержений вулканов в
атмосфере)
Наличие источника энергии
Отсутствие газообразного кислорода
Безгранично долгое время
Вероятность того, что
событие не произойдет
Увеличение времени – вероятность
события возрастает
За 8128 лет –0,9997
Земля –4,6 млрд.лет, через 1,1млрд лет прокариоты
Отсутствие газообразного
кислорода в атмосфере
Жизнь могла
возникнуть лишь в
отсутствие кислорода.
Органические
вещества не
разрушались и
успевали
образовывать более
сложные структуры
Причины невозможности зарождения
жизни в современных условиях
Органические
вещества разрушаются
кислородом
Свободные
органические
вещества
поглощаются
бактериями и грибами
Чарльз Дарвин,1871г.
« Часто говорят, что все необходимые
для создания живого организма условия,
которые могли когда-то существовать,
имеются и в настоящее время. Но если
(ох, какое это большое «если»)
представить себе, что в каком-то
небольшом теплом пруду, содержащем
всевозможные аммонийные и
фосфорные соли, при наличии света,
тепла, электричества и т.п. образовался
бы химическим путем белок, готовый
претерпеть еще более сложные
превращения, то в наши дни такой
материал непрерывно пожирался бы или
поглощался, чего не могло случиться до
того, как появились живые существа.»
Биохимическая эволюция
ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ
Случайные химические
события
Скопление химических
веществ
Усложнение химических
веществ
Сходство с живым
Превращение скоплений
химических веществ в
клетки
Эволюция клетки
Откуда взялась первая
клетка?
Какими свойствами должны обладать
агрегаты для превращения в клетку?
Липидно-белковая
мембрана:


отделение клетки от среды
обмен веществ между клеткой
и средой
Белки:



Обмен со средой
Роль структурных
компонентов
Катализ биохимических
реакций в клетке
Нуклеиновые кислоты:

Информация для синтеза
определенных белков
ПОИСКИ ИСТОКОВ ЖИЗНИ
1924г. Александр
Опарин
«Возникновение жизни
на Земле»
1929г. Дж.Холдейн развитие идей
А.Опарина
1953г. –Стэнли
Миллер,
экспериментальная
проверка гипотезы А.
Опарина
Белково-коацерватная теория
Опарина
Условия:
Атмосфера –восстановительная
без кислорода.
Источники энергии для синтеза:
интенсивная солнечная радиацияультрафиолет, электрические
разряды
Разнообразие в океанах простых
соединений,
Масштабы времени
Гипотеза:
В океанах постепенно
накапливались
органические вещества и
образовался тот
«первичный бульон», в
котором могла возникнуть
жизнь
Прибор Стэнли Миллера для воспроизведения
условий первобытной Земли, 1953г.
Шар с «атмосферой»:
NH3, CH3, H2, пары
H20.
Искровые
заряды=молнииисточник энергии.
Вода = «океан»,
нагревают, пары,
охлаждение, дождь.
Через неделю
появились разные
органические
вещества
Аминокислоты,
аденин и простые
сахара, такие как
рибоза.
Карл Саган (США)
1963 г. эксперименты по
моделированию
синтеза
органических
молекул в
первичной
атмосфере Земли.
В сосуде, заполненном смесью первичных газов (водород,
метан, аммиак, сероводород, пары воды) происходят
электрические разряды, имитирующие молнии.
Через несколько часов стенки сосуда покрываются темной
смесью синтезированных органических соединений.
Доказана возможность образования молекул
аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) - одного из
важнейших компонентов живого вещества.
Образование органических
веществ на Земле в наше время
Теория Опарина завоевала
широкое признание, но она
оставляет нерешенные
проблемы, связанные с
переходом от сложных
органических веществ к
простым живым
организмам.
Теория Опарина – общая
схема, нет деталей процесса.
Образование органических
веществ на Земле в наше время
Реакция между
газообразными продуктами
извержения вулканов с
лавой.
Обнаружение органических
веществ в метеоритах и
атмосфере других планет.
Это подтверждение
образования органических
веществ на первобытной
Земле без участия живых
организмов.
Вещества на кометах
The Hale-Bopp comet
Некоторые
предшественники
биомолекул
Органические
вещества метеоритов
The Murchison
meteorite
Образование агрегатов: белки
«Микросферы» диаметром 1-2 мкм – агрегаты, образованные
протеиноидами в присутствии воды.
Покрыты 2-ным слоем белка.
Избирательно поглощают из среды короткие нуклеотидные
полимеры.
Внутри происходит катализ химических реакций.
Какими свойствами должны обладать
агрегаты для превращения в клетку?
Липидно-белковая
мембрана:


отделение клетки от среды
обмен веществ между клеткой
и средой
Белки:



Обмен со средой
Роль структурных
компонентов
Катализ биохимических
реакций в клетке
Нуклеиновые кислоты:

Информация для синтеза
определенных белков
Какими свойствами обладают агрегаты
Имеют липидную оболочку на
поверхности
Избирательно поглощают
вещества из окружающей воды
Накопление малых молекул
внутри агрегатов
Поглощение предшественников
нуклеиновых кислот
Способность катализировать
химические реакции (малые
молекулы – полимеры)
Увеличение размеров агрегатов
и распад на фрагменты
Агрегат –не клетка
Опарин А.: «…путь,
пройденный природой
от исходных систем
протобионтов до
наиболее примитивных
бактерий,…ничуть не
короче и не проще, чем
путь от амебы до
человека»
Возникновение
метаболизма
Метаболизм – совокупность
всех химических реакций в
живом организме:





Дыхание, высвобождает
энергию из питательных
веществ
Использование энергии для
движения
Для синтеза полимеров
Для накопления веществ,
поступающих в клетку из
окружающей среды
Превращение одних веществ в
другие
Возникновение метаболизма
От агрегата до клетки: миллионы
лет химической эволюции
Отбор химических комбинаций, способных
дольше существовать, не разрушаясь.
Стабилизация за счет молекул катализаторов внутри агрегатов.
Истощение исходных веществ в среде для
образования агрегатов, так как удачные
стабильные агрегаты росли и распадались
на фрагменты.
Удлинение метаболических
путей
Отбор систем, эффективно конкурирующих за сырье
или способных превращать в сырье другие
вещества.
Конкуренция между системами, способными
использовать другие вещества истощила и их
запасы.
Преимущества получили системы, способные
превращать третьи вещества во вторые, а вторые – в
первые - Удлинение метаболических путей
Преимущества у систем с большими скоростями
превращений: быстрее других накапливают
необходимое им сырье, растут и размножаются.
Образование метаболических путей,
обеспечивающих клетки энергией:
Поглощение АТФ агрегатами из
«бульона» (синтез АТФ из
неорганических веществ)
Клеточные насосы, работающие
от солнечной энергии: Запасание
энергии при перекачивании
ионов Н через мембрану – расход
на перенос веществ через
мембрану и на ресинтез АТФ многократное использование
АТФ
Еще большее удлинение и
усложнение цепей переноса
электронов - фотосинтез и
дыхание
Образование метаболических путей,
обеспечивающих клетки энергией:
Гликолиз (глюкоза - в
пируват, брожение) –
возник на ранних стадиях
эволюции как способ
регенерации АТФ
Цикл лимонной кислоты
и сложная цепь переноса
электронов –возникли
позже как механизмы
эффективного извлечения
энергии из продуктов
брожения.
Возникновение размножения
Агрегаты – «неживые»,
неспособны точно
воспроизводить себя.
Генетическая
информация –
инструкция по
изготовлению
белковых молекул и
воспроизведению себя.
Клетка способна
передавать
информацию для
сборки ее копий.
Белково-коацерватная
теория Опарина
Теория оказалась неспособной
предложить решение проблемы
точного воспроизведения - внутри
коацервата и в поколениях единичных, случайно появившихся
эффективных белковых структур.
Что появилось раньше – ферменты
или нуклеиновые кислоты?
Концепция самодостаточного мира РНК:
РНК – первичный генетический материал.
Схематическое
представление
путей
происхождения
жизни
согласно
современной
концепции
первичности мира
РНК
Общая схема биосинтеза белка
Генетическая
информация
закодирована в
последовательности
ДНК
ДНК - РНК - белок
Концепция самодостаточного мира РНК:
РНК – первичный генетический материал.
1. В химическом синтезе, и в биохимических
реакциях рибонуклеотиды предшествуют
дезоксирибонуклеотидам; дезоксирибонуклеотиды продукты модификации рибонуклеотидов.
Структура ДНК и РНК
Химические формулы
остатков одного из
рибонуклеотидов уридиловой
кислоты (U) и
гомологичного ему
дезоксирибонуклеотида
- тимидиловой кислоты
(dT)
Концепция самодостаточного мира РНК:
РНК – первичный генетический материал.
2.В самых древних, универсальных
процессах жизненного метаболизма
широко представлены
рибонуклеотиды, включая основные
энергетические носители типа
рибонуклеозид-полифосфатов (АТФ и
т.п.).
Концепция самодостаточного мира РНК:
РНК – первичный генетический материал.
3. Репликация РНК может
происходить без какого бы то ни было
участия ДНК, а механизм
редупликации ДНК даже в
современном живом мире требует
обязательного участия РНК-затравки
в инициации синтеза цепи ДНК.
Концепция самодостаточного мира РНК:
РНК – первичный генетический материал.
4. РНК способна выполнять функции белков:
катализ химических реакций.
Таким образом, имеются все основания
рассматривать ДНК как более позднее
эволюционное приобретение - как модификацию
РНК, специализированную для выполнения
функции воспроизведения и хранения уникальных
копий генов в составе клеточного генома без
непосредственного участия в биосинтезе белков.
Схема эволюции и специализации молекул РНК
в процессе перехода от древнего мира РНК к
современному миру генетически детерминированного
биосинтеза белков
ОТ ЭРЫ ХИМИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ
К ЭРЕ ЕСТЕСТВЕННОГО ОТБОРА
Примитивная клетка
Появление надежного
механизма воспроизведения
генетической информации
Отбор среди клеток на
способность получать более
эффективным путем энергию
и создавать потомство.
Природа первых организмов
Возникновение примитивного
самовоспроизводящегося
гетеротрофного организма,
питавшегося органическими
веществами первичного бульона
Возрастание численности
гетеротрофов –уменьшение
пищевых ресурсов первичного
бульона – ускорение появления
автотрофов
Развитие автотрофности
(способность синтезировать
питательные вещества из
неорганических соединений) зеленые растения.
Фред Хойл
Мысль о возникновении живого
в результате случайных
взаимодействий молекул «столь
же нелепа и неправдоподобна,
как утверждение, что ураган,
пронесшийся над мусорной
свалкой, может привести к
сборке Боинга-747»
Гипотезы о появлении
способности к
самовоспроизведению мало
убедительны.
Теории о происхождении
жизни и видообразовании
Вопрос о соотношении между
научными и теологическими
взглядами на историю жизни
Стационарное состояние
Креационизм
Спонтанное зарождение
Панспермия
Биохимическая эволюция
Литература
1.П.Кемп, К.Армс Введение в биологию,
Мир, М. 1988, гл.13.
2.Н.Грин, У.Стаут, Д.Тейлор Биология,
Мир, М., 1996, т.3.
3.Соросовский журнал
4.В.И.Вернадский lib.nnn.tstu.ru/project/
Vernad/Vernadnew.htm
5.Государственный Дарвиновский музей
www.DARWIN.museum.ru
Задание 4
Эссе «Происхождение жизни. Какую
гипотезу химической эволюции
считаю более убедительной и
интересной? Почему?»