Возникновение жизни на Земле Содержание Введение………………………………………………………..........…………….2 1. Современные представления о происхождении жизни на Земле.......………4 2. Основные законы биологической эволюции…………………………..........18 3. Микро и макроэволюция………………………………………………..........22 Заключение……………………………………………………………….............32 Список используемой литературы………………………………………...........33 ВВЕДЕНИЕ Актуальность работы. С момента возникновения жизни природа находится в непрерывном развитии. Процесс эволюции продолжается уже сотни миллионов лет, и его результатом является то обилие форм живого, которое во многом до конца еще не описано и не классифицировано. Эволюция протекает на всех уровнях организации живой материи и на каждом уровне характеризуется новообразованием структур и появлением новых функций. Объединение структур и функций одного уровня сопровождается переходом живых систем на более высокий эволюционный уровень. Существует много определений понятия "жизнь" - столь же сложного, многогранного и неоднозначного, как понятия "Вселенная", "материя" и "разум", предельно широкого, отражающего самые общие черты действительности - категории, определяемой через описание основных характеристик и свойств. Определение "Живыми из называются энциклопедического системы, которые словаря весьма способны уязвимо: самостоятельно поддерживать и увеличивать свою очень высокую степень упорядоченности в среде с меньшей степенью упорядоченности" - по нему живыми являются все самоорганизующиеся и саморегулирующиеся системы - звезды, галактики и сама Метагалактика, коацерватные капли и многие сложные органические соединения, самопроектирующиеся и самосборные кибернетические устройства и т.д.. Предложение академика С.Ф. Лихачева рассматривать жизнь как некоторое неопределимое свойство Вселенной ничего не дает в плане практического использования понятия. Не потеряло своей актуальности уточненное в ХХ веке определение Ф. Энгельса: "Жизнь - это способ существования белковых тел и нуклеиновых кислот" – поскольку вне живых организмов белки в природе не встречаются. Наилучшим следует признать определение академика Н. В. Волькенштейна: "Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, самоорганизующиеся и самовоспроизводящие системы, построенные из биополимеров - белков и нуклеиновых кислот". Проблемы происхождения и эволюции жизни на Земле принадлежали и принадлежат к числу величайших проблем естествознания. Эти проблемы привлекали к себе внимание человеческого ума с самых незапамятных времен. Они являлись предметом интереса всех философских и религиозных систем. Однако в разные эпохи и на разных ступенях развития человеческой культуры проблемы происхождения и эволюции жизни решались поразному. Сейчас считается общепризнанным, что возникновение жизни на Земле представляло собой закономерный процесс, вполне поддающийся научному исследованию. Однако вопрос о происхождении жизни труден в исследовании, поскольку когда наука подходит к проблемам развития как сотворения совершенно нового, она оказывается у предела собственных возможностей, так как ученые сейчас не в состоянии воспроизвести процесс возникновения жизни с такой же точностью, как это было несколько миллиардов лет назад. Даже тщательно поставленный опыт будет только модельным экспериментом, лишенным ряда факторов, сопровождавших появление живого на Земле. Таким образом, вопрос о происхождении жизни интересен не только сам по себе, но и тесной связью с вопросами эволюции форм жизни. Актуальность выбранной темы не вызывает сомнений, поэтому в данной работе рассматриваются современные теории возникновения жизни и процесса эволюции ее форм. При выполнении работы использовались учебники и учебные пособия по концепциям современного естествознания, философии, астрономии, экологии, экологическому праву и природопользованию, а также монографии и научные статьи в периодических изданиях. 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРОИСХОЖДЕНИИ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ В настоящее время ученые выделяют пять научных концепций возникновения жизни: 1. Возникновение живого из неживого, подчиняясь определенным физическим и химическим закономерностям - абиотическая концепция; 2. Гипотеза «голобиоза» - концепция протобионта либо биода, некоего доклеточного предка, начальных «жизнеспособных» структур; 3. Гипотеза «генобиоза», т.е. поиска генома как реликтового предка всех живых клеточных структур, считая, что конкретно РНК сыграла первостепенную роль в ёе зарождении жизни; 4. Концепция стационарного состояния жизни - жизнь была постоянно, начала жизни не существует; 5. Внеземное происхождение жизни – жизнь была занесена на Землю из Космоса (концепция панспермии). В развитии учений о происхождении жизни существенное место занимает теория, утверждающая, что все живое происходит лишь от живого теория биогенеза. Эту теорию в середине XIX века противопоставляли ненаучным представлениям о самозарождении организмов. Но как теория происхождения жизни биогенез несостоятелен, поскольку принципиально противопоставляет живое неживому, утверждает отвергнутую наукой идею вечности жизни [7, с. 129]. Абиотическая концепция. Абиогенез - мысль о происхождении живого из неживого - начальная гипотеза современной теории происхождения жизни. В 1924 г. биохимик А. И. Опарин высказал предположение, что при массивных электрических разрядах в земной атмосфере, которая 4 - 4,5 млрд. лет назад состояла из аммиака, метана, углекислого газа и паров воды, могли появиться простые органические соединения, нужные для возникновения жизни. Предсказание академика Опарина оправдалось. В 1955 г. американский исследователь С. Миллер, пропуская электрические заряды через смесь газов и паров, получил простые жирные кислоты, мочевину, уксусную и муравьиную кислоты и несколько аминокислот. Таковым образом в середине XX века был экспериментально осуществлен абиогенный синтез белковоподобных и других органических веществ в условиях, воспроизводящих условия первобытной Земли. Гипотеза Опарина о возникновении жизни на Земле опирается на представление о постепенном усложнении химической структуры и морфологического вида предшественников жизни (пробионтов) на пути к живым организмам. На стыке моря, суши и воздуха создавались благоприятные условия для образования сложных органических соединений. В концентрированных растворах белков, нуклеиновых кислот могут образовываться сгустки подобно акварастворам желатина. А. И. Опарин назвал эти сгустки коацерватными каплями либо коацерватами. Коацерваты это - многомолекулярные обособленные структуры. Это в еще не растворе живые органические существа. Их возникновение рассматривают как стадию развития преджизни. Более принципиальным этапом в происхождении жизни было возникновение механизма воспроизведения себе подобных и наследования параметров образованию Нуклеиновые прошлых сложных кислоты, поколений. комплексов способные Это стало возможным нуклеиновых к кислот благодаря и самовоспроизведению, белков. стали контролировать синтез белков, определяя в них порядок аминокислот, а белки-ферменты осуществляли процесс сотворения новейших копий нуклеиновых кислот. Так появилось основное свойство, характерное для жизни - способность к воспроизведению подобных себе молекул. Сильная сторона абиогенетической гипотезы - её эволюционный характер (жизнь – закономерный этап эволюции материи), возможность экспериментальной проверки главных положений гипотезы (на коацерватных каплях можно сымитировать доклеточные фазы зарождения жизни). Слабая сторона гипотезы Опарина допускала воспроизводство протоживых структур в отсутствии молекулярных структур генетического кода. Гипотеза Опарина предъявляет особые требования к экспериментальному воспроизведению коацерватных структур: «первичный бульон» с химически сложной структурой, элементы биогенного происхождения (ферменты и коферменты). Абиогенная гипотеза встретила решительный отпор ученых – приверженцев идеи вечности и безначальности биологической жизни. Российский ученый биохимик С. П. Костычев в брошюре «О появление жизни на Земле» замечает, что простые организмы посложнее всех фабрик и заводов, и случайное возникновение жизни маловероятно, жизнь никогда «не создается из мертвой материи» [7, с. 132]. В отношении самозарождения организмов нужно отметить, что Французская Академия наук еще в 1859 г. назначила специальную премию за попытку осветить по-новому вопрос о самопроизвольном зарождении жизни. Эту премию в 1862 г. получил известный французский ученый, основатель современной микробиологии Л. Пастер. Своими опытами он доказал невозможность самозарождения микроорганизмов. Следует отметить, что в настоящее время жизнь на Земле не может появиться абиогенным методом. Еще Дарвин в 1871 г. писал: "Но если бы сейчас в каком-либо теплом водоеме, содержащем все нужные соли аммония и фосфора и доступном действию света, тепла, электроэнергии и т.п., химически образовался белок, способный к дальнейшим все более сложным превращениям, то это вещество немедленно было бы разрушено и поглощено, что было нереально в период возникновения живых существ". С гипотезой А. И. Опарина в настоящее время трудно согласиться. Наличие аналогов обмена веществ и «естественного отбора» у коацерватов еще не есть доказательство того, что они могли привести к образованию первых примитивных организмов. А как произошел качественный скачок от неживого к живому гипотеза Опарина не объясняет. Теория панспермии. Идея панспермии была выдвинута в 1907 году С. Аррениусом и поддерживалась такими крупными учеными, как Э. Хойл, Ч. Викрамсинх, У. Крик, С. Ортель, К. Саган. В 1865 г. немецкий врач Г. Рихтер выдвинул гипотезу космозоев (космических зачатков), в согласовании с которой жизнь является вечной и зачатки, населяющие мировое пространство, могут переноситься с одной планеты на другую. Сходную гипотезу в 1907 г. выдвинул шведский естествоиспытатель С. Аррениус, предположив, что во Вселенной постоянно есть зародыши жизни. Он описывал, как с населенных другими существами планет уходят в мировое пространство частички вещества, пылинки и живые споры микроорганизмов. Они сохраняют свою жизнеспособность, летая в пространстве Вселенной за счет светового давления. Попадая на планету с подходящими условиями для жизни, они начинают новенькую жизнь на данной планете. Эту гипотезу поддерживали многие, в т.ч. российские ученые С. П. Костычев, Л. С. Берг. Данная гипотеза не предполагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни и переносит дилемму в другое место Вселенной. Либих считал, что «атмосферы небесных тел, а также вращающихся космических туманностей можно считать как вековечные хранилища оживленной формы, как вечные плантации органических зародышей», откуда жизнь рассеивается в виде этих эмбрионов во Вселенной. Схожим образом мыслили немецкие ученые Кельвин, Гермгольц. Для обоснования панспермии традиционно употребляют наскальные картинки с изображением предметов, похожих на ракеты либо космонавтов, либо появления НЛО. Полеты космических аппаратов разрушили веру в существование разумной жизни на планетах солнечной системы, которая возникла после открытия Скипарелли каналов на марсе в 1877 г. [7, с. 135] Ловелл насчитал на Марсе 700 каналов. Сеть каналов обхватывала все материки. В 1924 г. каналы были сфотографированы, и большая часть ученых узрели в них подтверждение существования разумной жизни. Фотоснимки 500 каналов зафиксировали и сезонные конфигурации цвета, которые подтвердили идеи русского астронома Г. А. Тихова о растительности на Марсе, поскольку озера и каналы имели зеленоватый цвет. Ценная информация о физических условиях на Марсе была получена русским космическим аппаратом «Марс» и американскими посадочными станциями «Викинг-1» и «Викинг-2». Так, полярные шапки, испытывающие сезонные конфигурации, оказались состоящими из аквапара с примесью минеральной пыли и из жесткой двуокиси углерода (сухого льда). Но пока следов жизни на Марсе не найдено. Исследование поверхности с борта искусственных спутников позволило предположить, что каналы и реки Марса могли появиться в итоге растапливания под поверхностного водяного льда в зонах повышенной активности либо внутреннего тепла планеты, либо при периодических конфигурациях климата. В конце 60-х годов вновь возник интерес к гипотезам панспермии. При исследовании вещества метеоритов и комет были обнаружены многие «предшественники живого» - органические соединения, синильная кислота, вода, формальдегид, цианогены. Формальдегид, в частности, найден в 60% случаев в 22 исследованных областях, облака с его концентрацией приблизительно 1000 молекул в кубическом сантиметре заполняют обширные пространства. В 1975 г. предшественники аминокислот найдены в лунном грунте и метеоритах [2, с. 76]. Некоторые ученые считают, что жизнь возникла не на Земле, а была занесена на нее из космического пространства в виде спор микроорганизмов размерами 0,2-0,6 мкм. В составе планетарных и диффузных газопылевых туманностей и глобул обнаружены сложные органические соединения. При прохождении Солнечной системы в спиральных рукавах на поверхность Земли может выпадать до 1014 органических молекул на м2. В пользу вышеупомянутой гипотезы свидетельствуют: универсальность генетического кода всех земных организмов и важность роли молибдена в живой клетке, более редкого на Земле, чем хром и никель, которые могли бы выполнять те же функции. Устойчивые к ультрафиолетовому облучению и космической радиации споры действительно могли бы путешествовать между звезд, но для того, чтобы за миллиард лет Земля получила 1 спору, все остальные звезды Галактики должны иметь планеты, выбрасывающие в тот же срок в космос по 1 т. спор. В качестве места возникновения и развития жизни предполагались кометы и каменные метеориты - углистые хондриты, содержащие сложные органические вещества, в том числе аминокислоты (в составе метеорита Мерчисон было обнаружено 18 разновидностей аминокислот), не встречающиеся на Земле. Многочисленные данные свидетельствуют об изобилии органических соединений на поверхности Земли в эпоху ее формирования [2, с. 79]. Бактерии способны размножаться в экстремальных условиях температур от – 25○С до 300○С при давлении до 1,3× 108 Па. Они сохраняют жизнеспособность в виде спор при температурах от – 240 ○С до 600 ○С и давлении от 10-4 - 10-6 Па до 2× 109 Па, облучению ультрафиолетовым излучением интенсивностью до 5× 104 эрг/мм2 и жесткой радиации мощностью до 104 Гр. Колонии бактерий (E. coli) на борту АМС "Сервейер" смогли выжить в течение 1 года на поверхности Луны, и свыше 5 лет находившихся на открытой панели ИСЗ. В ископаемых льдах Арктики и Антарктиды обнаружены споры микроорганизмов (до 107 клеток на грамм), находящихся в состоянии анабиоза от 20-40 тысяч лет до 8 миллионов лет! Некоторые ученые полагают, что у многих обнаруженных популяций микроорганизмов в условиях вечной мерзлоты метаболизм крайне замедляется, но не останавливается. Такая жизнеспособность обусловлена неразрывностью связи популяций организмов со средой обитания. Отдельные группы земных микроорганизмов, примитивных грибов, дрожжей и водорослей могут не только выжить, но и размножаться в условиях, существующих в криосфере и на поверхности Марса или в океанах Европы. И все же, несмотря на космическую распространенность органических веществ, гипотеза панспермии до сих пор не получила материального подтверждения, хотя массовая печать неоднократно в форме сенсаций сообщала об обнаружении в метеоритах окаменелостей микроорганизмов. Главным недостатком этой гипотезы является то, что перенос места возникновения земной жизни с поверхности Земли в глубины Вселенной не решает вопроса о происхождении жизни из неживой материи. Концепция стационарного состояния жизни. По мнению В. И. Вернадского, необходимо говорить об извечности жизни и проявлений её организмов, как мы говорим об извечности материального субстрата небесных тел, их тепловых, электрических, магнитных параметров и их проявлений. Далек от научных исканий вопрос о начале жизни, как и вопрос о начале материи, теплоты, электроэнергии, магнетизма, движения. Все живое вышло от живого (принцип Реди). Примитивные одноклеточные организмы могли появиться лишь в биосфере Земли, а шире, в биосфере Вселенной. По мнению Вернадского, естественные науки построены на предположении, что жизнь с её особыми свойствами не играет никакой роли в жизни Вселенной. Но биосферу необходимо брать как целое, как единый живой космический организм (тогда и отпадает вопрос о начале живого, о скачке от неживого к живому) [8, с. 12]. Гипотеза «голобиоза» касается прообраза доклеточного предка и его способностей. Есть разные формы доклеточного предка – «биоид»,«биомонада», «микросфера». Согласно биохимику П. Деккера, структурную базу «биоида» составляют «жизнеподобные» неравновесные диссипативные (от лат. «dissipate») структуры, т.е. открытые микросистемы с ферментативным аппаратом, катализирующим метаболизм биоида. Эта гипотеза трактует активность доклеточного предка в обменно- метаболическом духе. В рамках гипотезы «голобиоза» конструировали биохимики С.Фокс и К.Дозе свои биополимеры, способные к метаболизму – комплексному белковому синтезу. Основной недостаток данной гипотезы – отсутствие генетической системы при таком синтезе. Отсюда - следует отдать предпочтение «молекулярному прародителю» всякого живого, а не первичной протоклеточной структуре. Гипотеза «генобиоза». Американский ученый Холдейн считал, что первичной была не структура, способная к обмену веществ с окружающей средой, а макромолекулярная система, подобная гену и способная к репродукции, а потому и названным им «голым геном». Общее признание гипотеза «генобиоза» получила после открытия РНК и ДНК и их феноменальных параметров. В начале 80-х гг. 20 века была установлена способность РНК к саморепродуцированию в отсутствии белковых ферментов. Второй момент – открытие у РНК автокаталитических функций. Объединение двух функций – каталитической и информационно- генетической – привело к тому, что макромолекулярная система стала способной к саморепродукции. Т.е. старая РНК кооперируя в себе черты фенотипа и генотипа, могла быть подвержена как генетическим преобразованиям, так и естественному отбору, т. е. она эволюционировала. Итак, РНК сыграла первостепенную роль в зарождении жизни. Но мы же знаем, что современный геном биосферы составляет ДНК, а не РНК. Но как это объяснить? Ревертаза и матричный синтез с ДНК на РНК явились компонентами одного для всего живого доклеточного предка. Но эволюция последнего шла в сторону современной ДНК и утраты им самостоятельных каталитических функций. Таким образом, РНК является той первичной информационной молекулой, которая стояла у истоков жизни. Можно допустить, что обе нуклеиновые кислоты произошли от одной более примитивной молекулы. Усложняясь и специализируясь в процессе эволюции, эта «прануклеиновая» кислота превратилась в функционально различные типы молекул ДНК и РНК. Возможно, что этой первичной нуклеиновой кислотой могла быть молекула, близкая к более простой РНК. Подобно РНК вируса табачной мозаики она обладала способностью к передаче наследственной информации и к синтезу белка. Возможно также, что вирусы содержащие только одну РНК (филогенетически более раннее образование), следует рассматривать как современные модификации древней, примитивной формы жизни [8, с. 15]. Все это может пролить некоторый свет на пути возникновения и развития живых существ от более простых форм управления и примитивной формы жизни к более сложным формам. Если небелковая («неживая») молекула РНК в подходящей среде образует живые системы, то не на этом ли пути можно обнаружить мостик между неживой и живой природой. Решающее слов в этом вопросе принадлежит различным будущим биохимическим и генетическим исследованиям. Таким образом, основные гипотезы о происхождении жизни на Земле можно разделить на 3 группы: 1) религиозная гипотеза о "божественном" происхождения жизни; 2) "панспермия" - жизнь возникла в космосе и затем была занесена на Землю; 3) жизнь возникла на Земле в результате естественных процессов. Рассмотрим более подробно закономерности и химические особенности происхождения жизни на земле. Возникновение и развитие жизни и разума на Земле подготовлено всем ходом эволюции неживой материи Метагалактики. Закономерность и неизбежность возникновения и развития жизни и разума обусловлена одним из важнейших Существование свойств и Метагалактики развитие объектов "антропным принципом". Метагалактики обусловлено - внутренними динамическими процессами. Все возникающие объекты, от космических пылинок и туманностей, бактерий и людей, звезд, галактик и, по-видимому, всей Метагалактики в целом, являются открытыми неравновесными системами, обменивающимися с окружающей средой веществом и энергией. В ходе эволюции возникает способность к воспроизведению подобных объектов и усвоению ими благоприобретенных признаков и свойств. С увеличением сложности структур упорядоченных систем возрастает их способность к накоплению, запоминанию и хранению информации. Информационная эволюция ускоряет темпы самоорганизации материи и идет в направлении уменьшения возможных наборов элементов, определяющих структуру и функционирование сложных систем. Наборы с наименьшим числом элементов легче восстанавливаются, передаются и тиражируются. Для атомов число возможных комбинаций протонов и нейтронов в атомных ядрах равно числу изотопов (свыше 1500). Для молекул возможное число наборов атомов равно количеству элементов таблицы Менделеева (около 100). Для полимеров в растворах - числу 5 пространственных конфигураций. Для живых организмов - количеству нуклеотидов в ДНК и РНК (4). С увеличением сложности структур возрастает зависимость их существования и развития от физических и химических свойств, среды и неизменности внешних условий. Например, температурные границы существования объектов: - атомов - от 0,5–1 К до 105 К (температура ионизации); - молекул - от 2-3 К до 104 К (температура диссоциации); - твердотельных кластеров (объектов, содержащих минимальное число атомов для проявления всех макроскопических свойств данного вещества) от 10-15К до 5× 103К; - микроорганизмов - от 100 К до 700 К; - человека - от 308 К до 312 К [7, с. 142]. Вышесказанное определяет условия, необходимые и достаточные для проявления и развития жизни, возможное время ее возникновения в Метагалактике и на Земле, основные темпы и направления эволюции живых организмов. В раннюю эпоху существования Метагалактики вплоть до образования галактик, жизнь не могла существовать из-за абсолютно неподходящих внешних условий. Не могла она возникнуть вблизи звезд I поколения, которые, скорее всего, не имеют планетных систем из-за 10-40кратного дефицита тяжелых химических элементов. Для образования космических тел с современным химическим составом и соотношением изотопов тяжелых элементов их синтез должен был произойти за 4-6 миллиардов лет до образования Солнечной системы, т.е. не позже 9-11 миллиардов лет назад. Образование тяжелых элементов было особенно интенсивным в период формирования основных галактических структур; в нашем районе Галактики период интенсивного звездообразования закончился к моменту образования Солнечной системы. Химические условия возникновения и развития жизни определяются составом ее молекулярных основ. Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК построены из нуклеотидов, состоящих в свою очередь из сахара, азотистых оснований и фосфата; белки состоят из аминокислот. Все химическое разнообразие жизни на Земле исчерпывается 28 веществами: 20 видов аминокислот, 5 оснований, 2 углеводов и 1 фосфата, элементарный химический состав которых состоит из водорода (37,5%), углерода (29,8%), кислорода (18,3%), азота (11,3%), фосфора (3,1%). Водород - самый распространенный химический элемент, углерод, кислород и азот - самые распространенные из тяжелых химических элементов, способные образовывать огромное число сложных и относительно стабильных молекул (благодаря наличию химически инертных соединений углерода). Кислород активный окислитель, его соединение с водородом Н2О, вода - широко распространенный универсальный биологический химический растворитель, остающийся в жидком состоянии в широком диапазоне температур, обладающий высокой диэлектрической проницаемостью и теплоемкостью. Химические условия существования жизни налагают ряд дополнительных требований к физическим характеристикам объектов, на которых они могли бы реализоваться [7, с. 135]. Химический состав объекта должен допускать наличие гидросферы и атмосферы приемлемого состава, состоящей из газов, способствующих возникновению и развитию живых организмов и поддерживающих необходимый энергетический режим (температуры и энергетической освещенности) без резких колебаний вышеупомянутых условий и давления. Например, углекислый газ в атмосфере Земли не только основное сырье для фотосинтеза, но и важнейший инструмент для поддержания температуры атмосферы с оптимальной концентрацией 0,03-0,04%. Масса объекта должна обеспечивать силу тяжести, достаточную для удержания постоянной атмосферы достаточной плотности у поверхности космического тела без перехода атмосферных газов в другие агрегатные состояния. Орбита космического тела должна лежать в пределах "зоны жизни" данной планетной системы, обеспечивающей достаточную энергетическую освещенность поверхности в приемлемом диапазоне длин волн и иметь малый эксцентриситет во избежание резких колебаний внешних условий на поверхности тела. Объект должен вращаться вокруг своей оси со скоростью, достаточной для установления атмосферной и гидросферной циркуляции и некоторого усреднения физических условий на поверхности. Всем вышеперечисленным условиям отвечают планетные тела (планетоиды и планеты земной группы) массой от 0,1 до 10 МÅ, входящие в состав планетных систем одиночных, медленновращающихся, обладающих постоянством светимости звезд главной последовательности II и последующих поколений спектральных классов F5-К5.Число планетных тел Галактики с благоприятными условиями для существования жизни определяется формулой: , где N* - общее число звезд Галактики (около 2× 109); fn - доля звезд, имеющих планетные системы (все одиночные медленновращающиеся звезды, от 20 до60 % звезд); ne - доля звезд, вблизи которых могут быть благоприятные для жизни условия (для звезд классов F5-К5 около 0,01-0,02). Если в каждой из вышеуказанных планетных систем "обитаема" лишь одна планета, то в настоящее время в Галактике может быть от 40 до 240 миллионов планет, на которых существует жизнь. Даже если по каким-либо причинам вероятность возникновения жизни в сотни и тысячи раз меньше, в Галактике сейчас должны быть сотни тысяч и миллионы населенных планетных тел. Для Галактики это очень маленькая величина. Так, на расстоянии до 5 парсек (16,3 св. года) от Солнца насчитывается 53 звезды, из которых лишь 3-e Эридана, t Кита и e Индейца - удовлетворяют вышеупомянутым условиям; однако у e Эридана планетная система находится в стадии формирования. В настоящее время в научных лабораториях подробно исследованы и воспроизведены первые этапы эволюции от "неживой" к "живой" материи: 1. Эволюция малых молекул (CH4, H2O, NH3, CO и т.д.). 2. Образование полимеров. 3. Возникновение каталитических функций. Ведутся исследования последующего этапа эволюции - самосборки молекул-гиперциклов, возникновению биологических мономеров (аминокислот, азотистых оснований и т.д.) и биополимеров, накоплены определенные сведения по следующему этапу - возникновению мембран и доклеточной организации. К сожалению, весьма далеки от окончательного понимания два важнейших заключительных этапа превращения "неживого" в "живое" - возникновение механизма наследственности и возникновение клетки. Основой жизни в Метагалактике могут являться: 1) Широко распространенные химические элементы IV-VI групп таблицы Менделеева (углерод, кремний, кислород, фтор, азот, фосфор, сера и т.д.), способные образовывать сложные молекулярные цепочки, выполняющие функции органических молекул. 2) Химические соединения (вода H2O, аммиак NH3, смесь воды с аммиаком, сероводород H2S, синильная кислота HCN, фтористый водород HF и т.д.), обладающие свойством быть одновременно кислотой и основанием: они способны стать биологическими растворителями. Водородная связь определяет структуру белков, нуклеиновых кислот и других органических соединений и их возможных аналогов [8, с. 36]. "Аммиачная" жизнь является второй по вероятности распространенности после земной, основанной на соединениях углерода и воде. Аммиак обладает достаточно высокими теплотой плавления, парообразования и теплоемкостью, остается жидким в диапазоне температур от –77,7○С до –33,4○С при нормальном давлении; при возрастании давления температура кипения увеличивается (до +132,4○С при р = 112 атм.). Океаны и моря из жидкого аммиака (или смеси аммиака с водой и гидроксиламином NH2OH) будут так же эффективно смягчать колебания температуры, как гидросфера Земли. преимуществами Аммиак перед обладает водой некоторыми (большей биологическими текучестью, способностью растворять органические соединения и т.д.). "Аммиачная" жизнь может процветать на относительно холодных планетах земной группы и плаентоидах с плотными атмосферами. В плотных атмосферах планет-гигантов в условиях низких температур (от – 100 ○С до - 50 ○С) может возникнуть сероводородная жизнь. Жизнь может появиться и на поверхности планетных тел с плотными атмосферами из смеси газов CS2, COS, CH4, N2, Ar, и гидросферами из сернистого ангидрида SO2 (Т замерзания = – 75,5 ○С, Т кипения = - 10,2 ○С при р = 1 атм). Кремний может успешно заменить углерод и быть цепочкообразующим элементом органических систем, молекулы которых основаны на связях Si–O–Si или Si–N–Si. "Кремниевая" жизнь может встретиться на планетах, обладающих очень плотными горячими (Т³ 300 ○С) атмосферами, обращающихся на небольшом расстоянии вокруг массивных горячих звезд. Фтор - довольно редкий химический элемент, но жизнь его основе могла бы существовать на планетах земной группы с атмосферами, содержащими свободный F2 как аналог кислорода, и океанами из фтористого водорода HF (Т замерзания = – 83,1 ○С, Т кипения = + 19,5 ○С при р = 1 атм), обращающихся на большом расстоянии вокруг высокотемпературных звезд с максимумом энергетической светимости в УФ-диапазоне. В следующей части работы рассмотрим основные законы биологической эволюции. 2. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ Творцом первой подлинно научной теории эволюции стал великий английский ученый Чарльз Роберт Дарвин (1809-1882). Главным трудом Ч. Дарвина является книга "Происхождение видов путем естественного отбора или сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь" (1859), существенным дополнением к которой служат его книги "Изменение домашних животных и культурных растений" (1869) и "Происхождение человека и половой отбор" (1871). Эволюционное учение Дарвина состоит из трех разделов, а именно: совокупность доводов в пользу того, что историческое развитие организмов действительно имеет место; положение о движущих силах эволюции; представления о путях эволюционных преобразований. Движущими силами эволюции Ч. Дарвин назвал наследственность, изменчивость и естественный отбор. Он считал, что наследственность и изменчивость позволяют фиксировать изменения и трансформировать их в поколениях. Изменчивость вызывает разнообразие, а наследственность передает эти изменения потомству. Следовательно, для всех живых существ в результате изменений и скрещиваний характерна наследственная гетерогенность. Поскольку все организмы очень склонны к интенсивному размножению, то в пределах каждого вида производится потомства больше, чем выживает. Излишнее потомство гибнет в результате борьбы за существование, формы которой очень разнообразны [6, с. 115]. По Ч. Дарвину борьба за существование происходит как между видами, так и внутри видов, причем внутривидовая борьба является более ожесточенной по сравнению с межвидовой, ибо особи обитают в одной местности, нуждаются в одинаковой пище, подвергаются одинаковым опасностям и т.д. В результате борьбы за существование выживают наиболее приспособленные, т.е. те организмы, которые обладают каким-либо признаком, обеспечивающим приспособление. Следовательно, неизбежным следствием борьбы за существование является естественный отбор. «Сохранение благоприятных индивидуальных различий и изменений и уничтожение вредных я назвал естественным отбором или переживанием наиболее приспособленных» (Ч. Дарвин). Ч. Дарвин считал, что естественный отбор является главным механизмом эволюции. Заслуги Ч. Дарвина перед естествознанием имеют непреходящее значение. Он всесторонне обосновал исторический метод в применении к природе, создал теорию эволюции и изгнал из науки креационизм. Учение Дарвина касалось эволюции крупных групп организмов, включая все таксоны, в большие отрезки времени, измеряемые геологическими масштабами и на обширных территориях. Следовательно, классический дарвинизм является учением о макроэволюции. Однако оно оказалось недостаточно разработанным в генетическом плане. Дарвин имел в виду эволюцию особей, но ведь особи живут, как сейчас известно, в популяциях. Поэтому через 8 лет после выхода "Происхождения видов" англичанин Ф. Дженкин поставил такой вопрос: "Если отбор оставляет в живых те особи, которые лишь незначительно отличаются от других, то уже при последующем скрещивании наступает "поглощение" новых признаков, т.к. партнер по скрещиванию, вероятнее всего, не имеет этого нового свойства — произойдет растворение при-J знаков в потомстве". Дарвин называл этот вопрос кошмаром Дженкина, т.к. никогда не мог дать удовлетворяющий ответ. Дарвинизму длительное время не хватало генетической основы, но генетика очень быстро сама подошла к эволюции. Используя методологию классического генетического анализа, генетики стали анализировать роль отдельных факторов эволюции путем вычленения элементарных единиц и протекающих в них процессов [6, с. 118]. Первый шаг на пути объединения дарвинизма и генетики заключался в законе Дж. Харди - Вайнберга, которые в 1908 г. показали, что в популяции при свободном скрещивании, отсутствии мутаций данного гена и отсутствии отбора по данному признаку соотношение генотипов АА, Аа и аа остается постоянным. Это позволило им сформулировать закон, содержание которого сводится к тому, что частоты генов в бесконечно большой панмиксической популяции без давления каких-либо внешних факторов стабилизируются уже после одной смены поколений. Однако таких популяций, как известно, в природе не существует. Поэтому значение закона заключается в том, что накопленные наследственные изменения в генофонде популяций бесследно не исчезают, т.е. частоты генов постоянны. Исходя из закона Харди-Вайнберга и учитывая влияние отбора и возникновение новых мутаций, в 1926 г. С. С. Четвериков (1880-1959) показал, что в результате спонтанного мутационного процесса во всех популяциях создается генетическая гетерогенность. Другими словами, в популяциях всегда есть мутации, в большинстве случаев в малых количествах. Он показал также, что популяция насыщена мутациями, как губка, и что мутации служат основой (материалом) эволюционного процесса, идущего под действием естественного отбора. Позднее Н. П. Дубинин и Д. Н. Ромашов (1932) показали, что когда популяции малы, в них происходят явления, получившие название генетикоавтоматических процессов (по Н. П. Дубинину, 1931) или дрейфа генов (по С. Райту, 1932). В результате генетико-автоматических процессов изменяются частоты встречаемости генов, устраняются гетерозиготы и появляются гомозиготы. Изолированная популяция становится доминантной гомозиготной или рецессивной гомозиготной. Если дрейфует мутантный летальный ген, это ведет к вымиранию организмов [6, с. 122]. Таким образом, структура популяции зависит не только от появления новых мутаций, но и от простого изменения частоты встречаемости данного гена. Эти и другие генетические исследования связали эволюционную теорию с генетикой. Современная концепция возникновения жизни на Земле является результатом широкого синтеза естественных наук, многих теорий и гипотез, выдвинутых исследователями различных специальностей. Огромный интерес представляет решение проблем: - Почему все белковые соединения в составе живого вещества имеют левую симметрию? - Однократно или многократно возникала жизнь на Земле, было ли ее возникновение глобальным или локальным явлением? - Почему жизнь на Земле не возникает из неживого в настоящее время? - Почему у всех живых существ на Земле белки строятся только из 20 аминокислот из более чем 100 известных науке? - Может ли возникнуть жизнь в других условиях, на принципиально иной химической основе? Таким образом Эволюция живых организмов от простейших форм к разумным существам занимает, по-видимому, несколько миллиардов лет - на Земле 3,5 миллиарда лет. Движущей силой эволюции являются мутации и естественный отбор - процессы, носящие статистический характер и обусловленные плавными медленными изменениями условий существования организмов (составом, плотностью и температурой атмосферы и гидросферы, климатом, рельефом, магнитным полем планеты, спектральным составом и уровнем освещенности поверхности и т. д.), причинами которых являются незначительные изменения в действии космических факторов в сочетании с мелкими, периодическими и беспорядочными колебаниями ряда основных характеристик внешней среды, в основе которых, как правило, также лежит действие космических процессов и объектов [1, с. 155]. 3. МИКРО И МАКРОЭВОЛЮЦИЯ Эволюция биомассы на Земле рисуется следующим образом. Разделим существующие организмы на группы: 1) водоросли, 2) морские животные, 3) наземные растения, 4) наземные животные. Водоросли появились в катархее, и в течение архея и протерозоя их биомасса нарастала до величины порядка сегодняшней, т.е. до 1 млрд. т. Морские животные появились в среднем протерозое, их биомасса очень медленно росла до венда, а в течение кембрия, вероятно, быстро выросла до величины порядка сегодняшней, т.е. до 20-30 млрд. т. Наземные растения появились, возможно, еще в ордовике или даже в кембрии, однако их биомасса стала ощутимой лишь в силуре, а за девон и карбон быстро выросла до колоссальных размеров, порядка нескольких триллионов тонн; в перми она, возможно, даже несколько уменьшилась и приблизилась к современному уровню. Наконец, наземные животные появились только в девоне, их биомасса достигла современной величины, вероятно, еще в палеозое. Что же касается изменений со временем разнообразия форм организмов, то здесь имеются довольно надежные фактические данные. Они показывают, что в разнообразии форм монотонного нарастания со временем не было, так как при появлении новых форм некоторые из старых отмирали. Так, в кембрии появилось 28 классов животных, в ордовике еще 14 (но часть классов уже отмерла), в силуре еще 3 (но 2 отмерли). Начало верхнего палеозоя ознаменовалось новой вспышкой формообразования - в девоне появилось 9 новых классов (и их число достигло фанерозойского максимума), а карбоне еще 5 (но 8 отмерло), в перми новых классов не появилось (но 4 отмерли). К триасу 3 класса отмерли, но 1 появился (и число классов достигло фанерозойского минимума, если не считать кембрия), в юре и мелу был небольшой прирост. В кайнозое изменений не произошло. Аналогичны данные и по классам растений; здесь также разделяются нижний палеозой, верхний палеозой, мезозой и кайнозой, лишь отмирания классов почти не происходило [7, с. 197]. Жизнь на Земле зародилась, когда на дне мелких теплых морей катархея, богатых сложными органическими веществами до аминокислот включительно, начали образовываться двойные сахаро-фосфатные спиральные нити высокополимерных нуклеиновых кислот с закрепленными на них последовательностями оснований (служащими «кодами» для синтеза белков), способные при некоторых условиях разворачиваться в одинарные спирали и синтезировать на каждой из них недостающую вторую спираль, т.е. порождать пару себе подобных (передавать им информацию о процедурах синтеза оснований). Такие белков, закодированных полимеры, которые последовательностями синтезировали белки, обеспечивающие им достаточно длительное самосохранение, по-видимому, уже можно считать первичными организмами. Эти первичные микроорганизмы, возможно, питались имевшейся органикой небиологического происхождения, осуществляя, например, бескислородное разложение белков и аминокислот - гниение или углеродов брожение (анологично питаются современные сапрофиты, поглощая через свои стенки клеток органику биологического происхождения: например, дрожжи при отсутствии кислорода сбраживают глюкозу до спирта и углекислоты). Развитие этих организмов, вероятно, исключило условия для дальнейшего самозарождения жизни, и с тех пор все живое появляется уже только от живого. В результате эволюции микроорганизмов (вынуждаемой нехваткой подходившей для пищи органики) у них появилась способность синтезировать необходимые для самосохранения органические молекулы из неорганических. Наиболее эффективным способом оказался фотосинтез продуцирование органического вещества из углекислоты и воды под действием солнечного света (энергия света, поглощаемого пигментами, прежде всего зеленым хлорофиллом, расходуется на расщепление молекул воды, кислород выделяется в атмосферу, а водород вместе с углекислотой идет на образование первичного органического продукта - фосфоглицериновой кислоты). Первыми фотосинтезирующими растениями были, по-видимому, микроскопические синезеленые водоросли цианофиты, у которых хлорофилл рассеян в виде мелких зерен по плазме клеток (у более развитых растений он сосредоточен в специальных тельцах - хлоропластах), и имеется еще синий пигмент фикоцианин. Эти водоросли похожи на бактерий тем, что в их клетках трудно различить ядра, и размножаются они только делением. Наиболее древние остатки жизнедеятельности организмов, найденные в Трансваале в породах серии Свазиленд возрастом 3,1 – 3,4 млрд. лет, были тщательно изучены Э. Баргхорном и Дж. Шопфом. Они представляют собой микроскопические изолированные палочки длиной 0,45 – 0,7 мк. и диаметром 0,18-0,32 мк., имеющие двухслойные оболочки толщиной 0,045 мк.; там же обнаружены нитеподобные образования, а также микроскопические шаровидные, дисковидные и многоугольные оболочки одноклеточных водорослей акритархи. Почти столь же древними (более 2,9 млрд. лет) являются обызвествленные продукты жизнедеятельности цианофитов и бактерий - прикрепленные ко дну столбчатые строматолиты и неприкрепленные округлые онколиты, найденные в известковых прослоях зеленокаменных пород системы Булавайо в Южной Родезии и описанные А. Мак-Грегором еще в 1940 г. [7, с. 204] Один из наиболее древних следов животных, найден А.М. Лейтесом в среднепротерозойских слоях Удоканской серии Забайкалья. Он представляет собой приуроченные к строматолитовым породам тонкостенные трубочки длиной до 2,5 см, диаметром до 4 мм, имеющие четырехгранное сечение с округленными углами и оставшиеся, по-видимому, от червей. По-видимому, к началу рифея кислорода было уже достаточно для развития примитивных животных. В породах среднего и верхнего рифея найдены следы роющих животных и трубочки червей. В породах венда обнаружены уже многочисленные отпечатки разнообразных бесскелетных животных, а начало кембрия маркируется массовым появлением скелетообразующих организмов. Палеонтологические данные позволили воссоздать грандиозную и стройную картину эволюции форм жизни в фанерозое, не оставляющую никаких сомнений в естественности этого процесса. Проследим фанерозойскую эволюцию ряда важнейших типов организмов. Начнем с растений, которые осуществляют фотосинтез первичного органического вещества и потому являются первоосновой всей жизни. Водоросли появились еще в начале архея (или, может быть, даже в катархее) и с тех пор благополучно существуют до настоящего времени преимущественно в виде одноклеточных форм. Доля водорослей в общей массе живых организмов на Земле в наше время составляет меньше одной тысячной (около 1,7 млрд. т. из общей суммы в 2-3 триллиона т.), но зато они чрезвычайно быстро размножаются - их клетки делятся каждые 1-2 суток, и в результате их продукция, около 550 млрд. т. в год, составляет основную долю продукции биомассы на Земле в целом. Первые наземные растения появились, вероятно, в ордовике или даже в кембрии, но достоверные их следы найдены лишь в силуре. Это были самые примитивные из высших растений типа сосудистых - псилофиты, мелкие растения без корней и листьев, а также первые плауны. В девоне появились представители двух других подтипов сосудистых растении - клинолистных (хвощей) и папоротникообразных (из последних - пока лишь наиболее примитивные растения класса папоротников а также отряда семенных папоротников птеридосперм из класса голосемянная), причем крупные древовидные формы плаунов хвощей и папоротников образовали первые леса нашей планеты. В карбоне обширные участки суши покрыли огромные заболоченные леса из гигантских плаунов лепидодендронов и сигиллярий, хвощей каламитов, древовидных папоротников и птеридосперм, а также новых отрядов вечнозеленых голосемянных кордаитов, а к концу периода первых хвойных растении и гинкго. В перми появились бенеттиты, плауны пришли в упадок; на территориях Гондваны господствовала специфическая растительность во главе с голосемянными глоссоптерисами. Триас и юра - это время расцвета голосемянных растений отрядов бенеттитов, хвойных, гинкго и цикадовых (саговников); птеридоспермы и кордаиты вымерли. В нижней половине мела, а возможно даже в юре, появились первые покрытосемянные (цветковые) растения, сначала двудольные. Во второй половине мела появились также однодольные цветковые растения, а двудольные образовали уже леса (кленовые и дубовые). Они вытеснили ряд отрядов голосемянных - бенеттиты вымерли, цикадовые и гинкго пришли в упадок. Наступивший затем кайнозой - эра расцвета цветковых растений. Рассмотренная эволюция форм растений от водорослей до цветковых происходила по линии уменьшения роли двуполых гаплоидных поколении, в телах которых (гаметофитах) клетки содержат одинарные наборы хромосом, и увеличений роли бесполых диплоидных поколений, в телах которых клетки содержат двойные наборы хромосом. Так, у многоклеточной водоросли улотрикс имеется только 1 диплоидная клетка, остальные - гаплоидны. У покрытосемянных, наоборот, все растение гаплоидно а гаметофит состоит лишь из нескольких клеток в тканях цветка; эволюционная выгода этого заключается как в том, что для размножения цветковых не требуется внешней влаги, так и в меньшей чувствительности диплоидных организмов к влиянию рецессивных генов (таких, которые действуют лишь при наличии их в обоих наборах хромосом в диплоидной клетке). В наше время наземные растения, преимущественно цветковые и хвойные, составляют 98-99% от 2-3 триллионов т. биомассы на Земле, но растут они медленно - их годичная продукция составляет всего около 50 млрд. т. (вдесятеро меньше продукции водорослей в океане), а средний возраст (очевидно, возраст деревьев в лесах) - 40-60 лет [7, с. 211]. Переходя к эволюции животных, отметим, что сведения палеонтологии о времени появления, расцвета и вымирания тех или иных групп животных вместе с данными о степени сложности их устройства, способах размножения и особенностях развития их зародышей позволяют судить о происхождении этих групп. Современные представления о происхождении основных типов животных (базирующиеся на принципе монофилии, т.е. на предположении о наличии единого корня происхождения каждой группы организмов) показаны на рис. 1. Согласно этим представлениям, одноклеточные простейшие животные породили как тупиковую ветвь губок, так и прогрессивную ветвь кишечнополостных, от которой пошли два главных ствола - первичноротых и вторичноротых. На первом из этих стволов промежуточным этапом были низшие черви, от которых пошли ветви немертин, плеченогих, мшанок, форонид, моллюсков и через кольчатых червей, наконец, членистоногие. От другого ствола поочередно отделялись ветви щетинкочелюстных червей, иглокожих, погонофор, кишечнодышащих, оболочников, головохордовых и, наконец, позвоночных. Ряд типов животных - по крайней мере простейшие, кишечнополостные и некоторые низшие черви - появился, хотя бы в небольших популяциях, еще в среднем протерозое. Число семейств - одна из возможных количественных характеристик разнообразия форм данного типа организмов, свидетельствующая о темпах его эволюции: в периоды быстрой эволюции разнообразие форм должно возрастать. К сожалению, мы не имеем возможности остановиться на истории развития каждого из типов животных - напомним, что всего имеется 23 типа! Поэтому о первичноротых мы скажем лишь то, что все их типы появились, по-видимому, еще в докембрии. Нам придется оставить в стороне такие интересные и важные вопросы, как, например, связанная с эволюцией кишечно-полостных история коралловых рифов или же охватывающая весь фанерозой история «приматов моря» - головоногих моллюсков (не раз порождавших и массовые формы, и таких гигантов, как наутилусы ордовика с 6-метровыми прямыми раковинами, меловые аммониты со спиральными раковинами 3-метрового диаметра и современные гигантские «кракены» глубоководные кальмары архитевтисы длиной до 15-20 м.). Рис. 1. Происхождение основных типов животных. Из вторичноротых рассмотрим лишь историю позвоночных. Первые их представители появились в кембрии, это так называемые панцирные рыбы небольшие рыбообразные донные животные без челюстей и плавников, покрытые панцирем из костных пластинок на голове и толстых чешуи на туловище; они еще не были настоящими рыбами - из современных позвоночных животных к ним ближе всего бесчерепные (ланцетники) и бесчелюстные - круглоротые (миноги и миксины). В силуре появились, а в девоне получили широкое развитие уже и настоящие рыбы, как хрящевые (сначала панцирные, а затем и беспанцирные акулы, благоденствующие с тех пор по настоящее время), так и костные, уже в середине девона поделившиеся на лопастеперых (двоякодышащих и кистеперых) и лучеперых, сначала ганоидных в триасе, а с юры и костистых, имеющих абсолютное господство среди рыб в настоящее время. Девон был временем первых попыток рыб выбраться на сушу; двоякодышащие рыбы в этом не преуспели, а от кистеперых пошли земноводные животные (амфибии), которые осваивали сушу одновременно с насекомыми. Первые настоящие наземные позвоночные - это пресмыкающиеся (рептилии), у которых размножение и развитие происходят на суше. История рептилий перми и мезозоя, этих двухсот миллионов лет господства чудовищ на нашей планете, является, вероятно, самой драматической главой истории жизни на Земле до появления человека. Современное представление о пресмыкающихся,- как о холоднокровных животных с чешуйчатой кожей, плохо приспособленных к среде с низкой или резко колеблющейся температурой, возможно, не следует распространять на динозавров. Для выяснения этого вопроса Роберт Беккер (1975 г.) использовал три признака, отличающих теплокровных животных от холоднокровных: 1) наличие в костях большого количества кровеносных сосудов, а также каналов, в которых происходит быстрый обмен фосфатом кальция, необходимый для нормального функционирования мышц и нервов; 2) малое отношение биомасс хищников и их жертв (порядка 1-5% против десятков процентов у холоднокровных животных); 3) способность существовать в условиях холодного климата [8, с. 92]. По всем трем признакам установлено, что если раннепермские хищные пеликозавры (например, диметродоны) еще были холоднокровными, то уже позднепермские терапсиды и позднетриасовые текодонты были теплокровными (отношения хищник-жертва порядка 10-15%); у динозавров признаки теплокровности выражены даже ярче, чем у современных млекопитающих (отношение хищник-жертва всего 1-3%, так что находки костей хищных динозавров чрезвычайно редки). Динозавры, особенно жившие в высоких широтах, вероятно, имели и волосяные покровы. Таким образом, эволюция форм организмов происходит, во-первых, вследствие мутаций (вызываемых физико-химическими воздействиями случайных изменений в нуклеинокислотных носителях наследственности) и, во-вторых, вследствие отбора тех мутантов, которые оказываются способными к адаптации (т.е. к приспособлению) к окружающей их живой и неживой природе. В большинстве случаев способными к адаптации оказываются мутанты с полезными усложнениями организмов; полезные упрощения возникают гораздо реже, и жизнь в целом эволюционирует от простого к сложному. Иногда же возникают особенно удачные формы организмов, столь хорошо приспособленные не только к среде, окружавшей их в период образования, но и к широкому спектру ее изменений, что им удается просуществовать чрезвычайно долго, до сотен миллионов лет включительно. Иначе говоря, высокая мера адаптированности приводит к низкой мере эволюционирования (и наоборот) [8, с. 89]. Человеческое общество оказывает все усиливающееся влияние на развитие жизни на Земле, которое началось в форме охоты, рыболовства и истребления опасных для человека животных и вытеснения дикой жизни из населенных районов, а в наши дни идет по пути создания и разведения культурных сортов растений и пород животных и может, в конце концов, привести почти к стопроцентному управлению развитием всех форм жизни. Это может касаться и вида Homo sapiens, развитие которого определяется не столько биологическими, сколько социальными факторами прежде всего уровнем производительных сил общества и производственными отношениями его членов (и такими надстройками, как складывающаяся стихийно или формируемая сознательно общественная мораль, которая, например, в прошлые столетия вследствие высокой детской смертности поощряла многодетность; в последние же десятилетия при снижении детской смертности, но создаваемых урбанизацией жилищных ограничениях это отношение изменяется). ЗАКЛЮЧЕНИЕ В современной теории эволюции значительное место занимают вопросы происхождения жизни на Земле, ибо в рамках теории эволюции происхождение жизни рассматривают в качестве изначального процесса образования живых форм (необиогенеза) из неорганических веществ, т.е. в виде химической эволюции. В наше время абиогенезу противопоставлена концепция постепенного возникновения и развития живого материала в течение длительного периода времени. Эта концепция получила название архебиоза или археогенеза. В соответствии с теорией Опарина жизнь является результатом исторического односторонне направленного развития в виде постепенного усложнения органических субъединиц и развития их в сложные системы, обладающие свойствами живого. Несмотря на остающуюся неопределенность в вопросе о происхождении жизни на Земле, не вызывает сомнения факт в естественности ее происхождения как определенного закономерного этапа развития материи. 1. Возникновение жизни на Земле подготовлено ходом эволюции неживой материи во Вселенной. 2. Существование жизни на Земле определяется постоянством действия космических факторов: мощностью и спектральным составом солнечного излучения, неизменностью основных характеристик орбиты Земли и ее осевого вращения, наличием магнитного поля и атмосферы планеты. 3. Развитие жизни на Земле во многом обусловлено плавными незначительными изменениями космических факторов; сильные изменения ведут к катастрофическим последствиям: космические лучи и их рассмотрение как мутагенных факторов. 4. На определенном этапе своего развития жизнь становится фактором космического масштаба, оказывающим влияние на физико-химические характеристики основных оболочек планеты (например, температуру атмосферы, гидросферы и верхних слоев литосферы). состав и СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Барг, О. А. Живое в едином мировом процессе./ О. А. Барг. - Изд- во Пермского университета. 1993. – 227 с. 2. Вселенная, астрономия, философия. М.: изд. МГУ 1988. – 192 с. 3. Данилова В. С. Основные концепции современного естествознания: учебник/ В. С. Данилова, Н. И. Кожевников. - М.: Аспектпресс, 2020. – 256 с. 4. Карпенков С. Х. Современное естествознание: учеб./ С. Х. Карпенков. - М.: Академический проект. 2019. – 560 с. 5. Найденыш В. М. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для вузов/ В. М. Найденыш. - М.: Гардарики 2020. - 476 с. 6. Соколов Е. Ф. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для вузов,/ Е. Ф. Соколов. - М.: ВЛАДОС, 2019. – 232 с. 7. Шкловский И. С. Вселенная, жизнь, разум/ И. С. Шкловский. – М.: Наука, 2017. – 320 с. 8. Щербаков В. П. Эволюция как сопротивление энтропии/ В. П Щербаков. – М.: ЭКСМО, 2016. – 125 с. Введение Проблема происхождения жизни на Земле и возможности её существования в других областях Вселенной издавна привлекала внимание как ученых и философов, так и простых людей. За последние годы интерес к этой «вечной проблеме» значительно возрос. Это обусловлено двумя обстоятельствами: во-первых, значительными успехами в лабораторном моделировании некоторых этапов эволюции материи, приведшей к зарождению жизни, и, во-вторых, стремительным развитием космических исследований, делающих все более реальным непосредственный поиск каких-либо форм жизни на планетах Солнечной системы, а в будущем и за её пределами. Происхождение жизни - один из самых таинственных вопросов, исчерпывающий ответ, на который вряд ли когда-нибудь будет получен. Множество гипотез и даже теорий о возникновении жизни, объясняющих различные стороны этого явления, неспособны пока что преодолеть существенное появления обстоятельство жизни. - Современная экспериментально наука не подтвердить располагает факт прямыми доказательствами того, как и где возникла жизнь. Существуют лишь логические построения и косвенные свидетельства, полученные путем модельных экспериментов, и данные в области палеонтологии, геологии, астрономии и т.п.[13] По современным научным представлениям, жизнь - это процесс существования сложных систем, состоящих из больших органических молекул и неорганических веществ и способных самовоспроизводиться, саморазвиваться и поддерживать свое существование в результате обмена энергией и веществом с окружающей средой. Таким образом, биологическая наука стоит на материалистических позициях. Однако вопрос о происхождении жизни еще окончательно не решен. Существует множество гипотез происхождения жизни. [20] В разное время и в разных культурах рассматривались следующие идеи: · Креационизм (жизнь была создана Творцом); · Самопроизвольное зарождение (самозарождение;жизнь возникла неоднократно из неживого вещества); · Гипотеза стационарного состояния (жизнь существовала всегда); · Гипотеза панспермии (жизнь занесена на Землю с других планет); · Биохимические гипотезы (жизнь возникла в земных условиях в ходе процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам, т.е. в результате биохимической эволюции); Цель работы - рассмотреть основные теории происхождения жизни на Земле. Для выполнения цели рассматриваются такие задачи: - рассмотреть основные теории - креационизм - теория самопроизвольного зарождения жизни - теория стационарного состояния - гипотеза пансермии - исследовать основную белково-коацерватную теорию А.И. Опарина - ознакомиться с биографией А.И. Опарина - описать истоки химической эволюции «первичный бульон» - определить стадии процесса возникновения жизни на Земле - необходимость исследования происхождения жизни на Земле - современные воззрения на происхождение жизни При выполнении работы сравнительно-географический, исторический. использовались анализ следующие литературных методы: источников, Работа была написана по таким материалам: монографии, переводные издания, статьи из сборника научных работ, составные части книг, литература из интернета. Раздел 1. Основные теории происхождения жизни на Земле Креационизм Креационизм (от англ. creation- создание) - религиозно-философская концепция, в рамках которой всё многообразие органического мира, человечества, планеты Земля, а также мир в целом, рассматриваются так намеренно созданные неким верховным существо или божеством. Теория креационизма, отсылая ответ на вопрос о возникновении жизни к религии (сотворение жизни Богом), по критерию Поппера находится вне поля научных изысканий (так как она неопровержима: научными методами невозможно доказать, как то, что Бог сотворил жизни, так и то, что Бог её сотворял). Кроме того, эта теория не дает удовлетворительного ответа на вопрос о причинах возникновения и существования самого верховного существа, обычно просто постулируя его безначальность. [3] Гипотеза самопроизвольного зарождения 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 (384-322гг 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. [9] 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 веете, тине и гниющем мясе. «Таковы факты - живое может возникать не только путем спаривания животных, но и разложением почвы. Так же обстоит дело и у растений: некоторые развиваются из семян, а другие как бы самозарождаются под действием всей природы, возникая из разлагающейся земли или определенных частей растений» (Аристотель). [5] 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) 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 мыши Ван-Гельмонт считал человеческий пот. Ряд сочинений, принадлежащих к XVI и XVIIв.в., подробно описывает превращение воды, камней и других неодушевленных предметов в пресмыкающихся, птиц и зверей. Гриндель фон Ах даже приводит изображение лягушек, образующихся из майской росы, а Альдрованд дает рисунки, показывающие, каким образом птицы и насекомые родятся из веток и плодов деревьев.[2] Чем дальше развивалось естествознание, чем большее значение в деле познания природы приобретали точное наблюдение и опыт, а не одни только рассуждения и мудрствования, тем более сужалась область применения теории самопроизвольного зарождения. Уже в 1688г итальянский биолог и врач Франческо Реди, живший во Флоренции, подошел к проблеме возникновения жизни более строго и подверг сомнению теорию спонтанного зарождения. Доктор Реди простыми опытами доказал неосновательность мнений о самозарождении червей в гниющем мясе. Он установил, что маленькие белые червячки - это личинки мух. Проведя ряд экспериментов, он получил данные, подтверждающие мысль о том, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (концепция биогенеза). [7] «Убежденность была бы тщетой, если бы её нельзя было подтвердить экспериментом. Поэтому в середине июля я взял четыре больших сосуда с широким горлом, поместил в один из них землю, в другой - немного рыбы, в третий - угрей из Арно, в четвертый - кусок молочной телятины, плотно закрыл их и запечатал. Затем я поместил то же самое в четыре других сосуда, оставив их открытыми… Вскоре мясо и рыба в незапечатанных сосудах зачервили; 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» (Реди). [4] Таким образом, относительно живых существ, видимых простым глазом, предроложение о самозарождении оказалось несостоятельным. Но в конце XVIIв. Кирхером и Левенгуком был открыт мир мельчайших существ, невидимых простым глазом и различимых только в микроскоп. Этих «мельчайших живых зверьков» (так Левенгук называл открытые им бактерии и инфузории) можно было обнаружить всюду, где только происходило гниение, в долго стоявших отварах и настоях растений, в гниющем мясе, бульоне, в кислом молоке, в испражнениях, в зубном налете. «В моем рту, писал Левенгук, - их (микробов) больше, чем людей в соединенном королевстве». Стоит только поставить на некоторое время в теплое место скоропортящиеся и легко загнивающие вещества, как в них сейчас же развиваются микроскопические живые существа, которых раньше там не было. Откуда же эти существа берутся? Неужели они произошли из зародышей, случайно попавших в гниющую жидкость? Сколько, значит, должно быть повсюду этих зародышей! Невольно являлась мысль, что именно здесь, в гниющих отварах и настоях и происходит самозарождение живых микробов из неживой материи. Это мнение в середине XVIIIв получило сильное подтверждение в опытах шотландского священника Нидхэма. Нидхэм брал мясной бульон или отвары растительных веществ, помещал их в плотно закрывающиеся сосуды и короткое время кипятил. При этом, по мнению Нидхэма, должны были погибнуть все зародыши, новые же не могли попасть извне, так как сосуды были плотно закрыты. Тем не менее, спустя некоторое время в жидкостях появлялись микробы. Отсюда указанный ученый делал вывод, что он присутствует при явлении самозарождения. [5] Однако против этого мнения выступил другой ученый, итальянец Спалланцани. Повторяя опыты Нидхэма, он убедился, что более продолжительное нагревание сосудов, содержащих органические жидкости, совершенно их обесположивает. В 1765г Ладзаро Спалланцани провел следующий опыт: подвергнув мясные и овощные отвары кипячению в течение нескольких часов, он сразу же их запечатал, после чего снял с огня. Исследовав жидкости через несколько дней, Спалланцани не обнаружив в них никаких признаков жизни. Из этого он сделал вывод, что высокая температура уничтожила все формы живых существ, и что без них ничто живое уже не могло возникнуть. Между представителями двух противоположных взглядов разгорелся ожесточенный спор. Спалланцани доказывал, что жидкости в опытах Нидхэма не были достаточно прогреты и там оставались зародыши живых существ. На это Нидхэм возражал, что не он нагревал жидкости слишком мало, а, наоборот, Спалланцани нагревал их слишком много и таким грубым приемом разрушал «зарождающую силу» органических настоев, которая очень капризна и непостоянна. Таким образом, каждый из спорящих остался при своем мнении, и вопрос о самозарождении микробов в гниющих жидкостях не был разрешен ни в ту, ни в другую сторону в течение целого столетия. За это время было сделано немало попыток опытным путем доказать или опровергнуть самозарождение, но ни одна из них не привела к определенным результатам. Вопрос запутывался все больше и больше, и только в половине XIXв он был окончательно разрешен благодаря блестящим исследованиям гениального французского ученого. Луи Пастер занялся проблемой происхождения жизни в 1860г. К этому времени он уже многое сделал в области микробиологии и сумел разрешить проблемы, угрожавшие шелководству и виноделию. Он доказал также, что бактерии вездесущи и что неживые материалы легко могут быть заражены живыми существами, если их не стерилизовать должным образом. Рядом опытов он показал, что всюду, а в особенности около человеческого жилья, в воздухе носятся мельчайшие зародыши. Они так легки, что свободно плавают в воздухе, лишь очень медленно и постепенно опускаясь на землю. В результате ряда экспериментов, в основе которых лежали методы Спалланцани, Пастер доказал справедливость теории биогенеза и окончательно опроверг теорию спонтанного зарождения. [9] Таинственное появление микроорганизмов в опытах предыдущих исследователей Пастер объяснял или неполным обесположиванием среды, или недостаточной защитой жидкостей от проникновения зародышей. Если тщательно прокипятить содержимое колбы и затем предохранять его от зародышей, которые могли бы попасть с притекающим в колбу воздухом, то в ста случаях из ста загнивания жидкости и образования микробов не происходит. Для обесположивания, притекающего в колбу воздуха Пастер применял самые разнообразные приемы: он или прокаливал воздух в стеклянных и металлических трубках, или защищал горло колбы ватной пробкой, в которой задерживаются все мельчайшие частицы, взвешенные в воздухе, или, наконец, пропускал воздух через тонкую стеклянную трубку, изогнутую в виде буквы S, - в этом случае все зародыши механически задерживались на влажных поверхностях изгибов трубки. Всюду, где защита была в достаточной степени надежной, появление микробов в жидкости не наблюдалось. Но, может быть, продолжительное нагревание химически изменило среду и сделало её непригодной для поддержания жизни? Пастер легко опроверг и это возражение. Он бросал в обесположенную нагреванием жидкость ватную пробку, через которую пропускался воздух и которая, следовательно, содержала зародышей, жидкость быстро загнивала. Следовательно, прокипяченные настои являются вполне подходящей почвой для развития микробов. Это развитие не происходит только потому, что нет зародыша. Как только зародыш попадает в жидкость, так сейчас же он прорастает и дает пышный урожай. 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. Однако подтверждение теории биогенеза породило другую проблему. Коль скоро для возникновения живого организма необходим другой живой организм, то откуда же взялся самый первый живой организм? Только теория стационарного состояния не требует ответа на этот вопрос, а вов всех других теориях подразумевается, что на какой-то стадии истории жизни произошел переход от неживого к живому. [8] Теория стационарного состояния 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. Однако гипотеза стационарного состояния в корне противоречит данным современной астрономии, которые указывают на конечное время существования любых звезд и, соответственно, планетных систем вокруг звёзд. По современным оценкам, основанным на учете скоростей радиоактивного распада, возраст Земли, Солнца, Солнечной системы исчисляются ~4,6млрд лет. Поэтому эта гипотеза обычно не рассматривается академической наукой. [16] Сторонники этой теории не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводит в качестве примера представителя кистеперых рыб - латимерию (целаканта). По палеонтологическим данным кистеперые вымерли в конце мелового периода. Однако это заключение пришлось пересмотреть, когда в районе Мадагаскара были найдены живые представители кистеперых. Сторонники теории стационарного состояния утверждают, что, только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми останками, можно сделать вывод и вымирании, да и в этом случае весьма вероятно, что он окажется неверным. Используя палеонтологические стационарного состояния, её данные для сторонники подтверждения интерпретируют теории 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 Теория стационарного состояния 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. Однако гипотеза стационарного состояния в корне противоречит данным современной астрономии, которые указывают на конечное время существования любых звезд и, соответственно, планетных систем вокруг звёзд. По современным оценкам, основанным на учете скоростей радиоактивного распада, возраст Земли, Солнца, Солнечной системы исчисляются ~4,6млрд лет. Поэтому эта гипотеза обычно не рассматривается академической наукой. [16] Сторонники этой теории не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводит в качестве примера представителя кистеперых рыб - латимерию (целаканта). По палеонтологическим данным кистеперые вымерли в конце мелового периода. Однако это заключение пришлось пересмотреть, когда в районе Мадагаскара были найдены живые представители кистеперых. Сторонники теории стационарного состояния утверждают, что, только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми останками, можно сделать вывод и вымирании, да и в этом случае весьма вероятно, что он окажется неверным. Используя палеонтологические стационарного состояния, её данные для сторонники подтверждения интерпретируют теории 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 Раздел 2. Белково-коацерватная теория А.И. Опарина Суть теории Первую научную теорию относительно происхождения живых организмов на Земле создал советский биохимик А.И. Опарин (1894-1980). В 1924г он опубликовал работы, в которых изложил представления о том, как могла возникнуть жизнь на Земле. Согласно этой теории, жизнь возникла в специфических условиях древней Земли, и рассматривается Опариным как закономерный результат химической эволюции соединений углерода во Вселенной. [16] происхождение жизнь креационизм панспермия По Опарину, процесс, приведший к возникновению жизни на Земле, может быть разделен на три этапа: Возникновение органических веществ. Образование из более простых органических веществ биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липидов и др.). Возникновение примитивных самовопроизводящихся организмов. Теория биохимической эволюции имеет наибольшее количество сторонников среди современных ученых. Земля возникла около пяти миллиардов лет назад; первоначально температура её поверхности была очень высокой (до нескольких тысяч градусов). По мере её остывания образовалась твёрдая поверхность (земная кора - литосфера). [11] Атмосфера, первоначально состоявшая из лёгких газов (водород, гелий), не могла эффективно удерживаться недостаточно плотной Землёй, и эти газы заменялись более тяжелыми: водяным паром, углекислым газом, аммиаком и метаном. Когда температура Земли опустилась ниже 100 градусов по Цельсию, водяной пар начал конденсироваться, образуя мировой океан. В это время, в соответствии с представлениями А.И. Опарина, состоялся абиогенный синтез, то есть в первичных земных океанах, насыщенных разными простыми химическими соединениями, «в первичном бульоне» под влиянием вулканического тепла, разрядов молний, интенсивной ультрафиолетовой радиации и других факторах среды начался синтез более сложных органических соединений, а затем и биополимеров. Образованию органических веществ способствовало отсутствие живых организмов - потребителей органики - и главного окислителя - кислорода. Сложные молекулы аминокислот случайно объединялись в пептиды, которые, в свою очередь, создали первоначальные белки. Из этих белков синтезировались первичные живые существа микроскопических размеров. [10] Наиболее сложной проблемой в современной теории эволюции является превращение сложных органических веществ в простые живые организмы. Опарин полагал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежит белкам. По-видимому, белковые молекулы, притягивая молекулы воды, образовывали коллоидные гидрофильные комплексы. Дальнейшее слияние таких комплексов друг с другом приводило к отделению коллоидов от водной среды (коацервация). На границе между коацерватом (от лат. Coacervus - сгусток, куча) и средой выстраивались молекулы липидов - примитивная клеточная мембрана. Предполагается, что коллоиды могли обмениваться молекулами с окружающей средой (прообраз гетеротрофного питания) и накапливать определенные вещества. Еще один тип молекул обеспечивал способность к самовоспроизведению. Система взглядов А.И. Опарина получила название «коацерватная гипотеза». Гипотеза Опарина была лишь первым шагом в развитии биохимических представлений о возникновении жизни. Следующим шагом стали эксперименты Л.С. Миллера, который в 1953г показал, как из неорганических составляющих первичной земной атмосферы под воздействием электрических разрядов и ультрафиолетового излучения могут образовываться аминокислоты и другие органические молекулы. Академик РАН В.Н. Пармон и ряд других ученых предполагают различные модели, позволяющие объяснить, как в среде насыщенной органическими молекулами могут протекать автокаталитические процессы, реплицирующие некоторые из этих молекул. Одни молекулы реплицируются успешнее, другие - хуже. Так запускается процесс химической эволюции, которая предшествует эволюции биологической. [8] На сегодняшний день среди биологов преобладает гипотеза РНК-мира, утверждающей, что между химической эволюцией, в которой размножались и конкурировали отдельные молекулы и полноценной жизнью, основанной на модели ДНК-РНК-белок, был промежуточный этап, на котором размножались и конкурировали между собой отдельные молекулы РНК. Уже есть исследования, показывающие, что некоторые молекулы РНК обладают автокаталитическими свойствами и могут обеспечивать самовоспроизведение без участия сложных белковых молекул. Современная наука еще далека от исчерпывающего объяснения, как конкретно неорганическое вещество достигло высокого уровня организации, характерного для процессов жизнедеятельности. Тем не менее, ясно, что это был многоступенчатый процесс, в ходе которого уровень организации вещества шаг за шагом повышался. Восстановить конкретные механизмы этого ступенчатого усложнения - задачу будущих научных исследований. Эти исследования идут по двум основным направлениям: Сверху вниз: анализ биообъектов и изучение возможных механизмов образования их отдельных элементов; Снизу вверх: усложнение «химии» - изучение всё более сложных химических соединений. [12] Пока добиться полноценного соединения этих двух подходов не удалось. Тем не менее, биоинженеры уже сумели «по чертежам», то есть, по известному генетическому коду и структуре белковой оболочки собрать из простейших биологических молекул простейший живой организм - вирус. Тем самым доказано, что для создания живого организма из неживой материи не требуется сверхъестественного воздействия. Так что необходимо лишь ответить на вопрос, как этот процесс мог пройти без участия человека, в естественной среде. [3] Широко распространено «статистическое» возражение против абиогенного механизма возникновения жизни. Например, в 1996г немецкий биохимик Шрам подсчитал, что вероятность случайного сочетания 6000 нуклеотидов в РНК-вирусе табачной мозаики: 1 шанс из 102000. Это чрезвычайно невозможность низкая вероятность, случайного которая образования указывает подобной РНК. на полную Однако в действительности это возражение построено некорректно. Оно исходит из предположения, что вирусная молекула РНК должна образоваться «с нуля» из разрозненных амиокислот. В слчае ступенчатого усложнения химических и биохимических систем вероятность рассчитывается совершенно иначе. Кроме того, нет никакой необходимости получить именно такой вирус, а не какой-то другой. С учетом этих возражений получается, что оценки вероятности синтеза возникновения вирусной РНК занижены до полной неадекватности и не могут рассматриваться как убедительное возражение против абиогенной теории возникновения жизни. [14] Александр Иванович Опарин Александр Иванович Опарин родился 18 февраля (2 марта) 1894г в городе Углич. В 1917г окончил естественное отделение Физико-математического факультета МГУ. В 1925г он начал читать в МГУ курс лекций. С начала 1935г начинает свою работу институт биохимии АН СССР, основанный Опариным совместно с А.Н. Бахом. С самого основания Института Опарин руководил Лабораторией энзимологии, которая в будущем преобразовалась в лабораторию эволюционной биохимии и субклеточных структур. До 1946г он является заместителем директора, после смерти А.Н. Баха - директором этого института. 3 мая 1924г на собрании Русского ботанического общества выступил с докладом «О возникновении жизни», в котором предложил теорию возникновения жизни из бульона органических веществ. В середине XXв были экспериментально получены сложные органические вещества при пропускании электрических зарядов через смесь газов и паров, которая гипотетически совпадает с составом атмосферы древней Земли. В качестве проклеток Опарин рассматривал коацерваты - органические структуры, окруженные жировыми мембранами. В 1942-1960гг А.И. Опарин заведовал Кафедрой биохимии растений МГУ, где читал курсы лекций по общей биохимии, технической биохимии, спецкурсы по энзимологии и по проблеме происхождения жизни. После смерти в 1951г С.И. Вавилова А.И. Опарин стал вторым председателем правления Всесоюзного просветительского общества «Знание». Оставался на этом посту по 1956г, когда председателем «Знания» был избран М.Б. Митин. В 1970г было организовано Международное научное общество по изучению возникновения жизни (International Society for the Study of the Origin of Life), первым президентом, а затем почетным президентом которого был избран Опарин. Исполком ISSOL в 1977г учредил Золотую медаль имени А.И. Опарина (англ. Oparin Medal), присуждаемую за важнейшие экспериментальные исследования в этой области. Умер 21 апреля 1980г. Похоронен на Новодевичьем кладбище в Москве. [16] Истоки химической эволюции «Первичный бульон» Несмотря на некоторые пробелы в наших знаниях о первой стадии возникновения жизни, мы в состоянии сделать достаточно определенные выводы. Ведь нам известно, что в пределах солнечной системы возможен синтез соединений, содержащих до 24 атомов углерода и азота. Быть может, возможен также синтез и более сложных соединений, в том числе полимеров, хотя данных о существовании полимеров с упорядоченной последовательностью не имеется. Это все, что мы можем сказать относительно состава среды, известной под названием «первичного бульона». По мере накопления новых сведений становится все более очевидным, что продукты первичного синтеза из молекул простых гибридов обязательно будут образовываться в соответствующих условиях. Эти условия могут быть чрезвычайно многообразными, и потому рассматриваемые синтезы не связаны с каким-либо сторого определенным временем и местом. [18] Факты, эксперименты и наблюдения говорят о возможности синтеза довольно сложных химических соединений в окрестности любой звезды при наличии достаточного количества «сырья» - пыли и газов. Таким образом, первая стадия - это еще не столько возникновение жизни, сколько подготовка к этому. Все начинается с материалов, образующихся за счет обычных астрофизических процессов; дальнейшие превращения совершаются в полном согласии с законами химии, без привлечения каких-либо новых принципов. В то же время уже на этой стадии происходит некий предварительный отбор тех типов соединений, которые пойдут впоследствии на построение живых существ. Следовательно, поскольку процессы, протекающие на этой первой стадии, оказывают воздействие на весь последующий ход биосинтеза, они и сами зависят от конкретных условий, существующих на планетах. Вот поэтому Земля - единственная планета солнечной системы, имеющая океаны на своей поверхности, - оказалось в тоже время и единственной планетой с развитой жизнью. Стадии процесса возникновения жизни Стадия 1. Эта стадия соответствует возрастанию сложности молекул и молекулярных систем, которым суждено было, в конечном счете включиться в живые системы. На первой стадии произошло формирование предорганизменных молекул из гибридов углерода, азота и кислорода (т.е. из метана, аммиака и воды). Эти газы обнаруживаются в молекулярной форме в космическом пространстве (в более холодных частях Вселенной) и сейчас. Кажется очевидным, что первая стадия могла бы осуществиться во многих местах - из них нам достоверно известны только Земля и метеориты астероидного происхождения. Таким местом могло быть и первичное полевое облако. Оказалось также возможным имитировать эти процессы в лаборатории, что и было сделано Миллером и его последователями. В этих экспериментах были получены важнейшие биологические молекулы: некоторые органические основания (например, адеин), входящие в состав белков; некоторые сахара, в частности рабоза и их фосфаты, и, наконец, некоторые более сложные азотосодержащие соединения, такие, как порфирины, которые служат важной составной частью окислительных ферментов и переносчиков энергии. Стадия 2. На второй стадии из компонентов опаринского «первичного бульона», состоявшего главным образом из только что упомянутых молекул, а также из более сложных молекул, образовались полимеры путем соединения в линейном порядке сходных или идентичных мономеров или субмолекул. На какой-то решающей стадии в процессе эволюции таких полимеров, являющихся, по-видимому, более простыми аналогами существующих ныне нуклеиновых кислот и белков, должен был возникнуть механизм строгой репродукции и репликации, которые рассматриваются многими биологами как важная отличительная особенность самой жизни. Пока что мы можем лишь логически реконструировать те процессы, которые могли бы привести к этому в условиях, по-видимому, существовавших в то время на Земле, т.е. в присутствии воды в свободном состоянии, а также молекул газов и ионов металла в растворе. Трудно представить себе, чтобы всё это могло происходить на таких безводных небесных телах, как Луна, или тем более на метеоритах астероидного происхождения, содержащих воду лишь в связанном состоянии - в виде гидратов или льда. Стадия 3. На третьей стадии, которая, по-видимому, связана со второй стадией постепенными переходами, происходит образование из описанных выше элементов (путем биохимических и структурных превращений) самых простых, какие только можно себе представить, организмов. Это предполагает образование таких специализированных компонентов клетки, как митохондрии, ответственные за такие химические превращения, как окисление; рибосомы, на которых происходит построение белковой молекулы в соответствии с порядком, заданным нуклеиновыми кислотами; различные мембраны - органеллы, ответственные за форму, структуру и функционирование клетки. Из этих элементов и были построены самые первые примитивные клетки - самые простые состоятельные формы жизни, какие можно вообразить. Еще более мелкие и простые современные организмы - вирусы - не автономны, а способны только к паразитическому существованию; весьма вероятно, что эта форма жизни - лишь результат дегенерации клетки. [6] Раздел 3. Необходимость исследования возникновения жизни Главный практический мотив для изучения возникновения жизни состоит в том, что без этого мы не сможем понять современную жизнь, и, следовательно, не сможем управлять ею. Необходимо изучить возникновение жизни для того, чтобы разобраться в её сущности, её возможностях и ограничениях, а затем уже для того, чтобы развить первые и преодолеть вторые. В более широком понимании изучение о происхождении жизни представляет собой дальнейшую попытку поисков смысла жизни. С древнейших времен смысл жизни усматривали в самых различных вещах, но со временем все яснее становилась ложность разнообразных трактов смысла жизни, их конечная несостоятельность. Вплоть до средних веков и даже позднее назначение жизни в общей системе миропорядка считалось известным. Разные люди в различных цивилизациях по-разному решали этот вопрос, но и решения эти были настолько сходными, что их можно считать вариантами одного и того же ответа простейший ответ сводился к тому, что жизнь имеет смысл в предначертаниях всеведущего и всемогущего Бога. Волю Господню следует исполнять, а если понять в чем она состоит подчас затруднительно, то допускаются различные толкования. Но из всех таких ответов правильным может быть лишь один. И каков этот ответ - дано знать не всем, а лишь истинно верующим. Научная революция, начавшаяся в XVIIв, постепенно подтачивала основы веры. Но даже в умах тех, кто так или иначе, своими открытиями и интеллектуальными прозрениями разрушал твердыню веры (подчас совершенно бессознательно), вера все же продолжала существовать. Как это ни парадоксально, но чем более мощной была атака, тем сильнее цеплялись за эту веру людские умы. Отсюда и сопротивление дальнейшим исследователям, которые, естественно, должны были положить конец религиозным воззрениям на Вселенную. Хотя сопротивление новым идеям перестало быть столь ожесточенным, как это было во времена Коперника и даже Дарвина, но оно все же существует. А между тем уже то немногое, что известно о возможном происхождении жизни, достаточно для того, чтобы потрясти основы веры гораздо глубже, чем это было в состоянии сделать любое другое открытие в прошлом. Строение Вселенной в целом и протекающие в ней процессы начинают для нас прояснятся, пусть пока даже вчерне, и после этого уже ничто не может остаться неизменным. Потребность в мифах, объясняющих происхождение и судьбу человека, возникла еще на заре истории, и подобных мифов известно с глубокой древности великое множество, однако до сих пор не появилось ничего, что в равной мере удовлетворяло бы разум и сердце. С одной стороны, веры была призвана исправить несовершенство человеческого разума и его наблюдений, а с другой - то, что считалось научной картиной Вселенной, стало казаться бессмысленным, сухим и неудовлетворительным. Сейчас, наконец, мы начинаем прозревать искомый смысл, и это не благодаря созданию «утешительной философии», а практически благодаря уменьшению жизненных тягот и увеличению возможностей человека. [19] Раздел 4. Современные воззрения на происхождение жизни на Земле У теории А.И. Опарина и других подобных гипотез есть один существенный недостаток: нет ни одного факта, который бы подтвердил возможность абиогенного синтеза на Земле хотя бы простейшего живого организма из безжизненных соединений. В многочисленных лабораториях мира осуществлены тысячи попыток такого синтеза. Например, американский ученый С. Миллер, исходя из предположений относительно состава первичной атмосферы Земли, в специальном приборе пропускал электрические разряды через смесь метана, аммиака, водорода и паров воды. Ему удалось получить молекулы аминокислот - тех основных «кирпичиков», из которых складывается основа жизни - белки. Эти опыты были многократно повторены, кое-кому из ученых удалось получить довольно длинные цепочки пептидов (простых белков). И только! Ни одного хотя бы простейшего живого организма никому не посчастливилось синтезировать. Ныне среди ученых популярностью пользуется принцип Реди: «Живое лишь от живого». [15] Но предположим, что такие попытки когда-то увенчаются успехом. Что докажет такой опыт? Лишь то, что для синтеза жизни нужны ум человека, сложная развитая наука и современная техника. Ничего этого на первоначальной Земле не было. Больше того, синтез сложных органических соединений из простых противоречит второму закону термодинамики, который запрещает переход материальных систем от состояния большей вероятности к состоянию меньшей, а развитие от простых органических соединений к сложным, потом от бактерий к человеку происходил именно в этом направлении. Здесь мы наблюдаем ничто иное, как творческий процесс. Второй закон термодинамики непреложный закон, единственный закон, который еще ни разу не был подвергнут сомнению, нарушен или опровергнут. Поэтому порядок (генная информация) не может стихийно возникнуть из беспорядка случайных процессов, что и подтверждается теорией вероятности. В последнее время сокрушительный удар гипотезе абиогенного синтеза нанесли математические исследования. Математики подсчитали, что вероятность самозарождения живого организма из безжизненных блоков практически равно нулю. Так, Л. Блюменфельд доказал, что вероятность случайного образования за все время существования Земли хотя бы одной молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты - одной из важнейших составных частей генетического кода) составляет 1/10800. вдумайтесь в ничтожно маленькую величину этого числа! Ведь в знаменателе его находится цифра, где после единицы тянется ряд из 800 нулей, а это число в невероятное количество раз больше общего количества всех атомов во Вселенной. Современный американский астрофизик Ч. Викрамасингхе так образно высказал невозможность абиогенного синтеза: «Быстрее ураган, который пронесется над кладбищем старых самолетов, соберет новенький суперлайнер из кусков лома, чем в результате случайного процесса возникнет из своих компонентов жизнь». [13] Противоречат теории абиогенного синтеза и геологические данные. Как бы далеко мы не проникали вглубь геологической истории, не находим следов «азойской эры», то есть периода, когда на Земле не существовало жизни. Сейчас палеонтологи в породах, век которых достигает 3,8млрд лет, то есть близки ко времени образования Земли (4-4,5млрд лет тому по последним оценкам), нашли ископаемые остатки довольно сложно организованных существ - бактерий, сине-зеленых водорослей, простых грибков. В. Вернадский был уверен, что жизнь геологически вечна, то есть в геологической истории не было эпохи, когда наша планета была безжизненной. «Проблема абиогенеза (спонтанного зарождения живых организмов), - писал ученый в 1938г, - остается бесплодной и парализует действительно назревшую научную работу». [13] Сейчас форма жизни чрезвычайно тесно связана с гидросферой. Об этом свидетельствует хотя бы тот факт, что вода является основной частью массы любого земного организма (человек, например, больше чем на 70% состоит из воды, а такие организмы, как медуза - на 97-98%). Очевидно, что жизнь на Земле сформировалась лишь тогда, когда на ней появилась гидросфера, а это, по геологическим сведениям, произошло почти с начала существования нашей планеты. Многие из свойств живых организмов обусловленные именно свойствами воды, сама же вода есть феноменальное соединение. Так, по данным П. Привалова, вода - это кооперативная система, в которой всякое действие распространяется «эстафетным» путем, то есть имеет место «далекодействие». [10] Некоторые ученые считают, что вся гидросфера Земли, в сущности, есть одна гигантская «молекула» воды. Установлено, что вода может активироваться естественными электромагнитными полями земного и космического происхождения (в частности искусственного). Чрезвычайно интересным было недавнее открытие французскими учеными «памяти воды». Возможно, то, что биосфера Земли есть единый суперорганизм, и обусловлено этими свойствами воды? Ведь организмы - это составные части, «капли» этой супермолекулы земной воды. [1] Хотя нам до сих пор известна лишь земная белково-нуклеиново-водная жизнь, это не означает, что в безграничном Космосе не могут существовать другие его формы. Некоторые ученый, в частности американские, Г. Файнберг и Р. Шапиро, моделируют такие гипотетично возможные его варианты: Плазмоиды - жизнь в звездных атмосферах за счет магнитных сил, связанных с группами подвижных электрических разрядов; Радиобы - жизнь в межзвездных облаках на основе агрегатов атомов, которые находятся в разных состояниях возбуждения; Лавобы - жизнь на основе соединений кремния, который может существовать в озерах расплавленной лавы на очень горячих планетах; Водоробы - жизнь, которая может существовать при низких температурах на планетах, покрытых «водоемами» из жидкого метана, и черпать энергию из преобразований ортоводорода на параводород; Термофаги - разновидность космической жизни, которая получает энергию из градиента температур в атмосфере или океанах планет. Конечно, такие экзотические формы жизни пока что существуют лишь в воображении ученых и писателей-фантастов. Тем не менее, не исключена возможность реального существования некоторых из них, в частности плазмоидов. Есть некоторые основания считать, что на Земле параллельно с «нашей» формой жизни существует другая её разновидность, похожая на упомянутых плазмоидов. К ним относят некоторые виды НЛО (неопознанных летающих объектов), образования, похожие на шаровые молнии, а также невидимые для глаза, но фиксируемые цветной фотопленкой летающие в атмосфере энергетические «сгустки», которые в ряде случаев проявляли разумное поведение. [18] Таким образом, сейчас есть основания утверждать, что жизнь на Земле появилась с самого начала её существования и возникла, по словам Ч. Викрамасингхе, «от всепроникающей общегалактической живой системы». Заключение Имеем ли мы логическое право на признание коренного различия между живым и неживым? Есть ли в окружающей нас природе такие факты, которые убеждают нас в том, что жизнь существует вечно и имеет так мало общего с неживой природой, что ни при каких условиях, никогда не могла из нее образоваться, выделиться? Можем ли мы признать организмы образованиями совершенно, принципиально отличными от всего остального мира? Биология XXв углубила понимание существенных черт живого, раскрыв молекулярные основы жизни. В основе современной биологической картины мира лежит представление о том, что мир живого - это грандиозная система высокоорганизованных систем. Несомненно, в модели происхождения жизни будут включаться новые знания, и они будут всё более обоснованными. Но чем более качественно новое отличается от старого, тем труднее объяснить его возникновение. Необходимо изучить возникновение жизни для того, чтобы разобраться в её сущности, её возможностях и ограничениях, а затем уже для того, чтобы развить первые и преодолеть вторые. Жизнь - одно из сложнейших явлений природы. С глубокой древности она воспринималась как таинственная и непознаваемая - вот почему по вопросам её происхождения всегда шла острая борьба между материалистами и идеалистами. Некоторые приверженцы идеалистических взглядов считают жизнь духовным, нематериальным началом, возникшим в результате божественного творения. Материалисты же, напротив, полагают, что жизнь на Земле возникла из неживой материи путем самозарождения (абиогенез) или была занесена из других миров, т.е. является порождением других живых организмов (биогенез). По современным научным представлениям, жизнь - это процесс существования сложных систем, состоящих из больших органических молекул и неорганических веществ и способных самовоспроизводиться, саморазвиваться и поддерживать свое существование в результате обмена энергией и веществом с окружающей средой. Таким образом, биологическая наука стоит на материалистических позициях. Однако, вопрос о происхождении жизни еще окончательно не решен.[17] Литература 1. Опарин А. И. Возникновение жизни на Земле. - Тбилиси: Минцебра, 1985г. - 270с. 2. Бернал Д. Возникновение жизни Приложение №1: Опарин А. И. Происхождение жизни. - Москва: Мир, 1969г. - 365с. 3. Вернадский в. И. Живое вещество. - Москва: Наука, 1978г. - 4. Найдыш В. М. Концепции современного естествознания - 407с. Москва: Наука, 1999г. - 215с. 5. общая биология. Под ред. Н. Д. Лисова. - Минск, 1999г. - 190с. 6. Поннамперума С. Происхождение жизни. - Москва: Мир, 1977г. - 234с. 7. Вологодин А. Г. Происхождение жизни на Земле. - Москва: Знание, 1970г. - 345с. 8. Игнатов А. И. Проблема происхождения жизни. - Москва: Советская Россия, 1962г. - 538с. 650с. 9. Бернал Дж. Возникновение жизни. - Москва: Мир, 1969г. - 10. Войткевич Г. В. Возникновение и развитие жизни на Земле. - Москва: Наука, 1988г. - 253с. 11. Погодин М. С. О происхождении и развитии жизни. - Владивосток: Приморское книжное издательство, 11954г. - 351с. 12. elementy.ru - В. Н. Пармон. Новое в теории появления жизни, Химия и жизнь №5, 2005г. 13. evolbiol.ru - В. Н. Сытников. Астрокатализ как стартовый этап геобиологических процессов. Жизнь создает планеты? //в кН.: Эволюция биосферы и биоразнообразия. К 70-летию А. Ю. Розанова. М.: КМК, 2006г. С. 49-59 14. elementy.ru - Александр Марков. Тайна происхождения жизни скоро будет разгадана? - 12.01.2009г. 15. slovo.ws - Развитие представлений о возникновении жизни. Гипотезы происхождения жизни на Земле. 17. ru.wikipedia.org - Википедия: Возникновение жизни. 18. ateismy.net - Основные теории возникновения жизни на Земле. 19. evolution.powernet.ru - Возникновение жизни на Земле, как выглядела первобытная Земля, эволюция жизни на Земле: от простого к сложному. 20. intrae.narod.ru - происхождение жизни.
