Д Х С Ш імені Шевченка Доповідь з загальної біології на тему Виникнення життя на Землі  Вступ Поняття часу Гіпотези виникнення життя на Землі: природний результат еволюції матерії абіогенез і біогенез данні( отримані при досліджені метиоритів енергетичний баланс життя гіпотеза панспермії Перші теорії Опаріна і Холдейна Основні етапи виникнення життя: хім. еволюція живого початкові етапи біологічного обміну хіральна чистота живого 6. Прискорення еволюції 1. Людина часто схильна звертатися до минулого( так-як в ньому заховані його таємниці. Звернення до історії завжди пов(язане з уявленням про незловимий хід часу( однак небагато хто мають ясну уяву про багаторіччя світу( в якому ми живемо. Скільки не існувало людство – питання про те( як і коли утворилась Земля( цікавило всіх. Питання( як і з чого зародилось життя( було одним з перших питань( з яким первісна людина звернулась до себе( ледве змогла і озирнутись в жорсткій боротьбі за існування. 2. Є що-небудь більш загадкове( ніж час? З глибокої давнини людство намагається проникнути в його сутність( виразити словами( числами( міфами. Саме в стародавніх міфах вперше з(являються поняття “день” і “рік”( котрі являються більш конкретними( ніж поняття “час”. Вони мають початок і кінець. Згідно з біблією( Земля виникла декілька тисяч років назад. В інших культурах( наприклад( по китайській міфології( вік Землі оцінюється в 130 тисяч років. Давньоіндійські філософи вважають Землю такою старою( що навіть більш старою( ніж визначають сучасні вчені. Перший імпульс до поняття категорії часу дали( очевидно( давньогрецькі вчені-атомісти. Але лише в епоху Відродження (15-16ст.) наука починає звільнюватися від всезагального впливу міфології і всесильної влади церкви. Починається епоха Великих географічних відкриттів ( доведена кулеподібна форма Землі. Корали – яскравий приклад геологічного годинника( але вони можуть служити тільки в періоді( не старше 440 млн. років. 3.Природний результат еволюції матерії. З незапам(ятного часу походження життя було загадкою для всього людства. Але здатність задати собі питання: “Звідки ми?” – людина отримує порівняно недавно( 7-8 тисяч років тому( на початку нового кам(яного віку (неоліта). Разом з тим з’являється віра в те( що навколишня природа – тварини і рослини( річки і моря( гори і рівнини – також одушевлені. Ідея самозародження життя з води( мулу чи гниющої матерії також йде від давніх міфів. В різноманітних варіантах ця ідея дожила до початку 20 століття. Більшість сучасних спеціалістів переконані в тому( що виникнення життя в умовах первичної Землі( є природний результат еволюції матерії. Це переконання основано на доведеній єдності хімічної основи життя( побудованій з декількох простих і самих розповсюджених у Всесвіті атомів. Ні один серйозний вчений сьогодні не вважає( що життя на Землі - виключно( явище у Всесвіті. Не дивлячись на те( що проведено і проводяться безліч ціленаправлених дослідів( але до сих пір не з’ясовано ніяких фактів( котрі показали б( що істоти принесені на Землю метеоритами або з космічною пиллю. Біогенез і абіогенез В розвитку вчення про походження життя важливе місце займає гіпотеза( яка затверджує( що все живе походить тільки від живого – теорія біогенезу. Цю теорію в середині 19 в. протиставляли ненаучним уявам про самонародження організмів. Однак як теорія походження життя( біогенез неупорядкований( оскільки принципіально протиставляється живе неживому( підтверджує відкинуту наукою ідею вічності життя. Абіогенез – ідея про походження живого з неживого – вихідна гіпотеза сучасної теорії походження життя. Важливо підкреслити( що зараз життя на Землі не може виникнути абіогенним шляхом. Життя виникло на Землі абіогенним шляхом. В теперішній час живе походить тільки від живого(біогенне походження). Можливість повторного виникнення життя на Землі вилучене. Данні( отримані при дослідженні метеоритів. Однак( аж до самого останнього часу ми могли оперувати тільки методом логічної реконструкції. Але ось зовсім недавно ми отримали в руки зовсім неоцінимий матеріал: вдалось виявити надзвичайно давні з’єднання( які містять Вуглець( при чому ці з’єднання були виявлені не на Землі( де б вони зазнали за її багатовікову історію надто великі зміни( а в занесених до нас із космосу метеоритах. В метеоритах були виявлені складні з’єднання Вуглецю. Деякі з них можна розглядати як попередники складних біологічних молекул( але утворились вони щонайменше 4(5 млрд. років назад і не на Землі( а на якійсь іншій планеті. Виявлення цих з’єднань свідчить про те( що Земля зовсім не є єдиним місцем( з котрим пов’язані процеси виникнення життя: ці процеси можуть проходити і в інших ділянках Всесвіту( хоча подальша еволюція могла проходити зовсім різними шляхами. Ці знаходки слугують матеріальним підтвердженням повсюдності процесів зародження життя: ми зараз можемо говорити не тільки про виникнення життя на Землі( але про виникнення життя взагалі. Ми починаємо усвідомлювати( що процес еволюції життя є процес всезагальний і необхідний. Енергетичний баланс життя. Процес виникнення життя розпадається логічно на декілька стадій. Перша – це формування простих біогенних молекул – процес( якому( очевидно( передували поглинання і фіксація вільної енергії. Джерелом вільної енергії при цьому могли бути деякі форми випромінювання – або безпосередньо сонячна радіація( або сонячний вітер( потік плазми( складена в основному з ядер Водню і електронів( розповсюджуваних з великою швидкостю від Сонця в результаті безперервного розширення сонячної корони)( або енергія радіоактивного розпаду. Таким чином( в “первинному бульйоні” в процесі його формування накопичувалась вільна енергія. Перша стадія еволюції життя в цьому бульйоні представляє собою поперед усього перетворення більш простих з’єднань за рахунок накопиченої вільної енергії в більш складні молекулярні струкрури. За цим в якийсь момент ( який саме( невідомо) під дією ультрафіолетового випромінювання Сонця з’являється нове джерело енергії( достатнє – але і не тільки – для підтримання життя. Однак життя не могло існувати на цьому принципі нескінченно. Виникали різні поглинаючі ультрафіолет форми( які( однак( безслідно зникли. Саме тут і діяв процес природного відбору на молекулярному рівні. На сьогодні ми бачимо тільки ті( що виграли в цьому змаганні. Гіпотеза панспермії Панспермія – гіпотеза про повсюдність поширення в Всесвіті зародків живих істот. Згідно панспермії( в світовому просторі розсіяні зародки життя (наприклад( спори мікроорганізмів)( які рухаються під тиском світових променів( а потрапивши в сферу притягання планети( осідають на її поверхні і закладають на цій планеті початок живого. Ця гіпотеза була видвинута шведським вченим Ареніусом в 1907 р. 4. Перші теорії Опаріна і Холдейна Накопичення фактів( говорячих о хімічній і генетичній єдності життя(неминуче повинно було рано чи піздно навести на певні роздуми про виникнення життя. Першою спробою в цьому роді стала книга Опаріна “Виникнення життя”( видана ним в 1924 р. Ідеї( висказані в цій невиликій за об’ємом книзі( лягли в основу майже всіх сучасних теорій виникнення життя. Опарін висказав припущення( що при міцних електричних розрядах в земній атмосфері( яка 4-4(5 млрд.р. назад складалась із аміаку( метану( вуглекислого газу і пари води( могли виникнути найпростіші органічні з’єднання( необхідні для виникнення життя. П’ять років пізніше ті ж самі в сутності положення ( але незалежно від Опаріна( були в значно коротшій формі висказані Холдейном. Обидві ці роботи представляють собою спробу використати нові знання відносно циклів біохімічної реакції окислення і бродіння( для того щоб пояснити виникнення життя через виникнення її важливіших біохімічних властивостей в умовах( які( як припускається( існували на первісній Землі; особливу увагу при цьому приділяють процесам( відбуваючимся в океані( або гідросфері( а також на зміні в примитивній атмосфері Землі. В 1897 році Бухнеру вдалось ізолювати “неживий” фермент із дріждживих клітин( досліджувані Пастером в 1855 р. Ця робота поклала початок хімічному вивченню процесу бродіння. Цим самим були закладені основи для поняття природи і функціонування ферментів – органічних молекул( здатних в багато разів прискорювати звичайні хімічні реакції надзвичайно специфічні в своїй діяльності. Іншими словами( ферменти є ніщо інше( як органічні каталізатори. Опаріну було зрозуміло( що їх виникнення виявилось необхідною ланкою процесу виникнення життя. Він намагався відповісти на заперечення – заперечення доволі вагомі( - висовувані проти старих теорій виникнення життя на Землі( і усунути протиріччя( народженні успіхом досвіду Пастера( експерементально довівшого неможливість спонтанного самонародження. Пастер довів( що живе виникає тільки із зародків( вже присутніх в середовищі. Якщо погодитись з таким висновком( то життя слідує вважати таким же вічним( як і сама матерія( - а численні вчені саме так і вважали. Але це положення в сутності лежало на гіпотезі Аристотеля про незмінювання світотворення і заперечувало новій( доведеній теорії еволюції організмів. Відмова ж від цієї ідеї відкривала шлях для нової гіпотези( складеній в тому( що умови( в яких виникло життя( відрізняється від умов( в яких життя існує зараз. Ця відмінність стосувалась головним чином складу атмосфери. 5.Основні етапи виникнення життя Ознаки діяльності живих організмів виявлені багатократно в докембрійських породах( розсіяних по всій земній кулі. В Пд. Африці (м. Фіг-три) знайдені породи зі слідами діяльності мікроорганізмів( вік яких більше 3(5 млрд. років. Процеси( які передували виникненню життя на Землі( безперечно( здійснювались на основі тих же фізичних і хімічних законів( які діють на Землі і досі. Фізичні і хімічні властивості різних атомів і молекул робили обов’язковим взаємодію між ними. Говорячи про виникнення життя шляхом складних хімічних перетворень молекул( важливо мати на увазі( що ці процеси не мали єдиного і неповторюваного характеру( а могли протікати і( очевидно( протікали в неоднакових умовах і на різних ділянках поверхні Землі. Передбачаєма історія виникнення життя викладена в трьох основних частинах: від атома до молекули; від молекули до полімера; від полімера до організму. Хімічна еволюція живого Із Водню( Азоту і Вуглецю при наявності вільної енергії на Землі повині були виникати спочатку прості молекули: аміак( метан і подібні з’єднання. Далі ці нескладні молекули в первинному океані могли вступати в нові зв’язки між собою і з іншими речовинами. З особливим успіхом( очевидно( протікали процеси росту молекул при наявності групи –N=C=N – . Ця група приховує в собі великі хімічні можливості до росту як за рахунок приєднання до атому Вуглецю атома Водню( так і шляхом реагування з азотистою основою. З визначеного етапу хімічної еволюції( участь кисню в цьому процесі стала необхідною. В атмосфері Землі кисень міг накопичуватись в результаті розкладу води і водяної пари під впливом ультрафіолетових променів Сонця( існують припущення про наявність кисню до зародження життя). Для перетворення відновленої атмосфери первинної Землі в окислену витратилось не менше 1-1(2 млрд. р. З накопиченням в атмосфері кисню відновлені з’єднання почали окислюватись( а саме: NH₃ – до NO₃( CH₄ – до CO₂( H₂S – до SO₃. В ряді випадків при окислені CH₄ утворились метиловий спирт( формальдегід( мурашинна кислота і т.д.( які разом з дощевою попадали в первинний океан. Ці речовини( вступаючи в реакції з аміаком і ціанистим воднем ( дали початок амінокислотам і з’єднанням типу аденіну. В ході таких і аналогічних їм реакцій води первинного океана насичувались різноманітними речовинами( утворюючи первинний бульйон. Шляхом реакції полімерилізації з простих молекул могли бути утворені і більш складні молекули – білки( ліпіди( нуклеїнові кислоти і їх спричинені. Однією з найбільш важливих ланок початкової стадії хімічної еволюції слідує визнати з’єднані здібності до самовідтворення полінуклеотидів з каталітичною активністю поліпептидів. При виникненні життя необхідна була участь як полінуклеотидів( так і поліпептидів. Надалі ускладнення обміну речовин в таких системах значну роль повинні були відіграти каталізатори (різні органічні і неорганічні речовини) і просторово-часові роззносини (тобто( закінчити зв’язок) початкових і кінцевих продуктів реакції. Все це не могло з’явитись до появи мембран. Утворення мембранної структури вважається самим важким етапом хімічної еволюції життя. Біологічні мембрани( як відомо( складають агрегати білків і ліпідів( здатні розмежувати речовини від середовища і надати упаковці молекул міцності. Початкові етапи біологічного обміну Вважають( що в початкових етапах передбіологічної еволюції коацервати( в яких виникла концентрація певного набору металів і простих органічних речовин( стали основою для переходу до біогенних синтезів. Навіть перші живі організми могли получити АТФ із оточуваного середовища. З іншого боку( каталітична активність коацерватов могла бути підсилина і при виникненні комплексів між металами і органічними з’єднаннями. До виникнення дійсної живої істоти здібність до самовідтворення не обов’язково могла бути зв’язана з точною редуплікацією нуклеїнових кислот( так як вона здійснювалась дуже повільно. Самоподвоєння їх могло б бути результатом постійності співвідношення швидкостей різних реакцій обміну речовин( йдучих із участю коферментов – каталізаторов небілкової природи. Надалі( очевидно( шов передбіологічний відбір коацерватов і по здібності накопичення спеціальних білковоподібних полімерів( відповідальних за прискорення хімічних реакцій. Всі ці зміни привели до виникнення циклічного обміну речовин( характерного для живих створінь. В системі коацерватов не виключен і відбір самих нуклеїнових кислот( тобто відбір по генам. Система з успішною працюючою послідовністю нуклеотидів в нуклеїновій кислоті має право називатись живою. Хіральна чистота живого В питанні про походження життя одним із загадкових залишається факт наявності абсолютної хіральної чистоти (від греч. cheir – рука ): у живих істот – зміст в молекулах білків тільки “лівих” амінокислот( а в нуклеїнових кислотах – “правих” цукрів. Подібне явище могло виникнути тільки внаслідок утрати передбіологічного середовища первинної зеркальної симетрії (однаковий зміст правих і лівих ізомерів амінокислот і цукрів). Неживій природі присутня тенденція установлення зеркальної симетрії(рацемації). Досвіди останніх років показали( що тільки в хірально чистих розчинах практично могло виникнути біологічно вагоме видовження ланцюга полінуклеотидів і процес самореплікації. Живі системи організовані так( що тРНК із правих цукрів приєднує до себе тільки ліві амінокислоти. Ось чому виникнення життя( очевидно( виключалось до руйнування зеркальної симетрії передбіологічного середовища і появи саморепліцируючих систем. Усі живі організми піддтримують свою хіральну чистоту( і еволюція не надала їм засобів для мешкання в рацимічному середовищі. Всі викладені – не більш як правдоподібні гіпотези можливих шляхів виникнення життя( і тут можна очікувати нових цікавих відкриттів. Так( за останні роки показано( що давно відомі бактерії( проживаючі в гарячих джерелах( на дні океанів( в шлунку деяких жуйних тваринах( поглинаючи вуглекислий газ( водень і виділяючі метан (метаноутворюючі бактерії)( мало відрізняються від організмів( які жили на Землі першими. В проблемі виникнення біологічного обміну на Землі ще є багато нез’ясованого. Занесене життя на землю чи воно тут виникло? Прошов біологічний обмін через коацерватний стан чи первісно виникає генетичний код? Але научно вірогідною залишається можливість виникнення життя з неорганічних речовин за допомогою діяння фізичних факторів середовища і діяння передбіологічного відбору. 6.Прискорення еволюції Прискорення (акселірація) – відміна риса еволюції: вперше це підкреслив академік Опарін. Після виникнення життя на Землі її еволюція характеризується тенденцією до поступового прискорення. Від виникнення перших живих істот (біля 3(5 млрд.р.назад) до першого масового розвитку багатоклітинних в вендську епоху пройшло більш 2(5 млрд.р. Для досягнення величезного різноманіття тварин і рослин було необхідно біля 400 млн.р.( для розвитку ссавців і птах – біля 100 млн.р.( приматів – біля 60 млн.р.( гомінід – біля 16 млн. р.( для роду чоловіка – 6 млн. р.( для Homo sapiens – 60 тис.р. Древній кам’яний вік (палеоліт) продовжувався стільки ж( скільки слідуючі неоліт( бронзовий і залізний віки. Сучасна наука зародилась біля 300 р. назад. Увесь хід розвитку свідчить про прискорення. Швейцарський інженер і філософ Ейхельберг досить образно описує темпи прогресу людства: “ Припускається( що вік людства 600 тис. р. Уявляємо собі рух людства як марафонський біг на 60 км. Більша частина 60-кілометрової відстані проходить по дуже складному шляху – через незаймані ліси. Ми мало знаємо цю частину( так як лише в кінці( на 58-59-м кілометрі бігу( зустрічаємо разом з первісною зброєю малюнки печерних людей як перші ознаки культури і ледве лише на останньому кілометрі шляху з’являється все більше ознак землеробства. За 200 м до фінішу дорога вже покрита кам’яними плитами( ми проминаємо римські фортеці. За 100 м до фінішу наш бігун пробігає через середньовікові міста. До фінішу залишається ще 50 метрів; там стоїть людина( яка розумними очами слідкує за бігуном( - це Леонардо да Вінчі. Залишається тільки 10 метрів! Вони починаються при світлі факелів і при світлі масляних світильників. Але при стримкому пориві на останніх 5 метрах трапляється диво: світло заливає нічну дорогу( машини шумлять на землі і в повітрі і здивований бігун осліплен прожекторами фото- і телекореспондентів”. Ейхельберга турбує цей стрімкий біг. Він питає – невже стрімкий рух людства до научно-технічного прогресу може виявитись рухом до його загибелі? Безперечно( що розвиток людства визначається іншими законами( відмінними від законів біологічної еволюції. Але еволюція життя і неживої природи в геологічному минулому – процес діалектичний( котрому теперішнє зобов’язане своїм існуванням. На довгому шляху життя крізь глибини часу можно виявити вражаючий зв’язок між мешканцями Землі і спадкоємністю розвитку клімату і ландшафту( періодами небувалого розквіту і епохами згубних випробувань. Сучасне середовище( в якому ми живемо( змінюється з дивовижною швидкістю; зараз за десятиріччя проходять зміни( які в минулому проходили за мільйони років. Прискорення є спільною закономірністю в розвитку. Але з ним зв’язана і цефалізація( сучасним досягненням якої є людський мозок. Прискорення веде не до загибелі( а до прогресу. В цьому закономірність еволюції. Список використаної літератури: Яблоков ( Юсуфов “Еволюційне вчення” Т.Ніколов “Довгий шлях життя” М.Р. Івахненко( В.А. Корабельников “ Живе минуле Землі” Джон Бернал “Виникнення життя” Р.Д. Ален “Наука про життя” О.Томілін “Як люди відкривали свою Землю”