Теории зарождения жизни на Земле

На сегодня очевидно, что рождение Жизни могло произойти только в

жидкой воде. Однако ни один исследователь не обратился к этому

универсальному растворителю как к возможному, и, быть может, основному

участнику кодирования белков в ДНК, а тем более как к главному дирижеру

буквально всех процессов в нашем организме. Скорее всего, гипнотизирующая

простота химического состава воды не давала даже повода к такой мысли. Но,

исключив воду из рассмотрения возможных претендентов на матрицу синтеза

предбиологической органики, исследователи за сорок лет безуспешных поисков

были вынуждены обратиться к очень популярным ныне среди космобиохимиков

идеям внеземного происхождения жизни и направленной панспермии.

Однако при таком простом составе структура аномальной по всем

свойствам воды настолько сложна, что не поддается всем самым современным

методам исследования.

В 1990 году Ю. А. Колясников предложил оригинальную политетрамерную

модель структуры воды, в которой роль молекул играют не Н2О, а сверхсжатые

водные тетрамеры Н8О4, соразмерные кремнекислородным тетраэдрам –

элементарным «кирпичикам» литосферы.

Важным элементом модели является обнаруженная графически рацемичность

воды, то есть наличие в ней зеркально-симметричных, по распределению

внутренних Н- связей, тетрамеров. А как полагали еще П. Кюри и В. И.

Вернадский, правизна - левизна живого вещества есть следствие диссиметрии

среды, в данном случае – воды. Кроме того, в живом веществе, вода находится

в связанном состоянии, когда тетрамеры «развязываются», образуя, правые и

левые спиральные цепочки, в которых в связи с дипольностью молекул может

быть записана некая информация.

Попробуем представить, что происходило на Земле 4 млрд. лет назад.

Во время формирования Земли оболочка подвергалась разнообразным

интенсивным эндогенным (внутренним), экзогенным (внешним), вещественным,

энергетическим и информационным воздействиям. Из-за чего на поверхности

развивались различные глобальные процессы, который впоследствии помогли

формированию жизни на нашей планете. Началась зарождаться биосфера, а так

как жизнь могла зародиться только в биосфере, то это явилось одним из

главных условий появления жизни.

До момента возникновения жизни в географической оболочке существовала

какая-то сферическая область в которой развивались предбиологические

процессы. Это доказывается на основе исследований в области осадочной

геологии докембрия А. В. Сидоренко. В своих исследованиях он доказал, что

развитие и эволюция жизни генетически связано с геологической формой

развития земного шара.

Сам факт существования жизни изменяет Землю. Так жизнь начала своё

развитие, по мнению Б. С. Соколова, ещё 4,25 млрд. лет назад, то есть ещё

начала геологической эволюции, так как геологическая эволюция происходила

из-за влияния живых организмов на земную кору. А к началу архея жизнь уже

прошла сложный путь от белковых молекул до самовоспроизводящихся

биологических систем, но до этого ей ещё нужно будет пройти сложный путь.

Анализируя палеонтологические и биохимические данные Г. В. Вайткевич и

Ю. И. Холодков пришли к выводу, что первейшие зачатки жизни на Земле

возникли практически с образованием самой Земли, как твёрдого тела. Но

опять же оговорю, что теорий множество и это лишь одна из них.

Так что, вероятно, что предбиологическая стадия развития Земли была

довольно кратковременна и лишь создала начальные условия для возникновения

жизни. В этот период Земля от холодного состояния переходило в разогретое.

Планета первоначально сформировалась относительно холодной, так как большая

часть тепла ушла на формирование Земли как твердого тела. Сама планета

никогда не находилась в расплавленном состоянии, так как иначе все летучие

вещества, находившиеся на ней испарились и улетучились в космос, но каждая

часть Земли когда-то да была расплавлена.

Разогрев не мог достичься только за счет энергии солнца. В недрах

планеты происходили ядерные реакции, разогревавшие её изнутри. По мере

разогрева на поверхность выходили различные газы, которые сформировали

оболочки Земли: протокору, гидросферу и атмосферу.

Химические вещества, необходимые для возникновения жизни могли

оказаться на нашей планете различными путями. По одному из самых вероятных

мнений они могли первоначально присутствовать на планете с момента её

образования. То есть планета произошла путем притягивания друг к другу

частиц так называемой комической пыли, которая как раз и состояла из

различных химических веществ. Объяснить появление этих различных химических

веществ еще в космосе можно следующим образом: в процессе гравитационного

коллапса звезд гравитационная энергия превращается в тепло и энергию

световых квантов, инициируя реакцию слияния протонов в (-частицы.

Дальнейшее сжатие и сопровождающий его разогрев звезды создают условия для

синтеза из (-частиц ядер углерода. В этих процессах высвобождается

громадное количество энергии – намного больше чем при изменении

гравитационной энергии. Это происходит за счет превращения вещества в

энергию в реакциях нуклеосинтеза.

В CN-цикле протоны сливаются в (-частицы, при этом углерод выступает в

роли катализатора. Кроме того, (-частицы могут и непосредственно

взаимодействовать с ядрами кислорода, порождая ядра неона, магния, кремния

и серы. В процессе фоторасщепления ядер энергия электромагнитного излучения

инициирует образование и более тяжелых ядер вплоть до ядер железа.

Таким образом, в образовании химических элементов участвуют источники

энергии четырех типов: гравитационной, тепловой, ядерной и энергии световых

квантов.

При мощных электрических разрядах в земной атмосфере, которая в то

время состояла из аммиака, метана, углекислого газа и паров воды могли

возникнуть простейшие органические соединения, необходимые для

возникновения жизни, все происходило примерно по описанному ниже образом.

По мере остывания планеты ее плотный облачный покров, подобный

венерианскому, опускался все ниже и ниже. Из облаков проливались горячие

ливни, но поначалу они выкипали на лету. Наконец дождевые капли стали

достигать поверхности, но они падали и тут же вскипали. Это продолжалось

достаточно долго, вплоть до того момента, когда одна из них не выкипела

целиком, упав, следовательно, на максимально охлажденную точку горячей

протокоры, с которой и начался стремительный рост гидросферы. В составе

тонкой пленки первородного бульона имелись все нужные для синтеза

предбиологической органики компоненты, хотя сама вода была тогда в

дефиците.

В той первой капле в подкипящем состоянии (250 – 200 оС и 50 атм.)

первая тетрамерная спиральная цепочка связанной с жестким силикатным

субстратом воды, совершенно случайно оказалось левовращающей (с той же

вероятностью она могла быть и правовращающей). На ней была синтезирована

первая аминокислота, которая уже не случайно получилась левовращающей. К

первой тетрамерной цепочке присоединилась вторая, тоже левая, как и

синтезированная на ней аминокислота, то есть все последующие аминокислоты

становились левовращающими. И так последовательно заработал водно-матричный

механизм синтеза сразу хирально-чистой аминокислотной органики.

Однако одновременно с левовращающими «разворачивались» и

правовращающие тетрамерные цепочки связанной воды, на которых позднее

начался синтез менее термостойких сахаров – основы нуклеиновых кислот.

Такой синхронный синтез полипептидов и полинуклеотидов неумолимо вел к

образованию сложных нуклеопротеидных комплексов с записью в их примитивной

РНК однозначного генетического кода.

Итак, главным фактором хирального очищения органики и возникновения

генетического кода живого вещества Земли могло быть лишь одно из

необычайных свойств воды, а именно ее собственная рацемичность. Следует

отметить также, что в принятых сейчас сценариях биопоэза синтез рацемичной

предбиологической органики происходил в уже существовавшем океане, в

котором позднее произошла хиральная катастрофа.

В интерпретации же Ю. А. Колясникова все началось с самой первой

капли, и далее шла стремительная экспансия бульонной пленки с синтезом в

ней сразу хирально-чистой органики, что исключает маловероятную хиральную

катастрофу. В результате на поверхности планеты образовался первобытный

Солярис, огромная сеть бульонной пленки состоящей из предбиологического

органического вещества.

С появлением в первом вулканическом катаклизме 4 млрд. лет назад на

поверхности планеты свободной воды, уцелевшие фрагменты первобытного

Соляриса дезинтегрировались в плазмиды, прионы и наноразмерные

нуклеопротеидные комплексы. Избегая прямого контакта с чуждой им объемной

политетрамерной водой, последние сворачивались, формируя белковые капсулы с

РНК внутри них. Следовательно, вторым этапом биопоэза можно считать

образование в первичной гидросфере бесчисленного множества разнообразных

протовирусов, вироидов и прочих.

Позднее появились мембраны разного состава, а на их основе возникли

первые клетки как вполне автономные истинно живые системы. Но и те, и

другие продолжали использовать в своей жизнедеятельности первичную водную

матрицу, обеспечивающую ускоренный синтез их биополимеров.

В настоящее время большинство ученых придерживается традиционных

представлений о зарождении жизни в древнем теплом океане. Однако ряд

открытий сделанных в последние одно-два десятилетия, главным образом

крупнейшими микробиологами мира указывает на несколько иной порядок вещей.

К. Везе, обобщая данные по эволюции микроорганизмов, расположил данную

группу в основании бактериального филогенетического дерева. Таким образом,

все прокариоты разделились на две группы - архебактерий и эубактерий. В

ходе дальнейших исследований выяснилось, что архебактерии и эубактерии

являются параллельными ветвями, развившимися из общей гипотетичной

предковой формы - Прогенота. Реконструирование главных характеристик

Прогенота, проведенное К. Везе, привело к вполне определенному выводу: наш

общий предок существовал при температуре кипения воды, т. е. был

гипертермофилом. Однако кроме проблемы температуры среды, в которой

зародилась жизнь, существует и другая, более важная проблема: проблема

понимания существа и причинности процессов, приводящих к возникновению

простейших форм жизни.

Путь к решению данной проблемы пролегает через комплекс идей и

концепций, рассматривающих явления самоорганизации природных систем. В

основании этого направления лежит сформулированная в рамках неравновесной

термодинамики теория диссипативных структур. К классу диссипативных

структур относятся все без исключения биологические и социальные системы, а

также некоторые химические и физические системы, в которых существуют

незатухающие динамические явления. Фактически в рамках теории диссипативных

структур сформулирован целый ряд универсальных законов появления, развития

и отмирания природных систем, которые справедливы в частности и для

широкого класса биологических систем.

Кратким итогом сказанного выше являются три основных требования к

среде, в которой зародилась жизнь:

1. Среда должна быть высокотемпературной;

2. В ней должны были происходить сильные колебания термодинамических и

физико-химических параметров.

3. Среда должна быть жидкой.

Рассмотрим на основе этих критериев возможные среды, в которых могла

возникнуть жизнь.

На планете Земля известны две жидкие глобальные геологические системы

- гидросфера, объединяющая приповерхностные воды, главная масса которых

сконцентрирована в океане и гидротермальные системы, представляющие обычно

высокотемпературные глубинные потоки растворов, составленные из ювенильных

и вадозных вод. Общее сопоставление химического состава планетарного океана

и усредненного состава гидротермальных источников показывает наличие

большого сходства. Эта особенность является естественной, поскольку океан

формировался за счет мощных гидротермальных излияний в ходе геологического

развития Земли.

Переходя ко второму критерию среды возникновения жизни - ее

высокотемпературности - следует сделать выбор из этих двух сред в пользу

гидротермальных систем. Хотя следует отметить, что критерий

высокотемпературности не позволяет сделать окончательный выбор между

океаном и гидротермальными системами, так как в случае исходно горячей

Земли первичный океан тоже должен быть достаточно горячим.

Третье требование к среде - сильная неравновесность - является

ключевым. Требования сильной неравновесности среды, необходимой для

спонтанного возникновения явлений самоорганизации, означает наличие в среде

сильных флуктуаций. Амплитуда флуктуаций должна быть велика для преодоления

критического рубежа, за которым начинаются процессы самоорганизации. При

небольших колебаниях параметров относительно средних равновесных значений

никакой самоорганизации не происходит, последняя возникает только вдали от

состояния равновесия. Оценивая с этих позиций степень возможных флуктуаций

в океане можно сказать, пользуясь терминологией неравновесной

термодинамики, что океан находится в состоянии аттракции, или относительно

(подвижного) равновесия, которое характеризуется небольшими колебаниями

параметров вокруг равновесных значений.

Принципиально иными в рассматриваемом аспекте являются гидротермальные

системы. Кардинальное отличие гидротермальных систем от океана заключается

в том, что они обладают собственной мощной энергетикой. Вследствие избытка

свободной энергии в системе периодически происходит накопление напряжений,

выражающееся в возрастании интенсивных параметров (температуры и давления).

Так же периодически накопленные разряжаются, приводя к увеличению

экстенсивных параметров – объема преобразованного растворами минерального

вещества. Такая внутренняя активность гидротермальных систем и вызывает

постоянные и различные по амплитуде флуктуации, поддерживающие состояние

неравновесности.

Таким образом, наиболее вероятной средой для возникновения жизни

являются глубокие области гидротермальных систем (от глубин в несколько

километров до поверхности). Эта область характеризуется:

1. наличием высокотемпературной жидкой, существенно водной среды;

2. существованием в ней мощных динамических возмущений, и

флуктуаций термодинамических и физико-химических параметров;

3. присутствием разнообразного растворенного и дисперсного

органического вещества.

Эту зону можно рассматривает как своеобразный природный инкубатор, в

котором зародились первичные эмбриональные формы протожизни.

Однако по другому мнению наиболее благоприятной средой для

возникновения жизни были небольшие лужицы у берегов огромного океана, с

большим содержанием минеральных солей, за счет испарения большого

количества воды, ранее находившегося в этой лужице, и с достаточно большой

температурой за счет энергии солнца.

Химические элементы объединяются друг с другом при относительно низких

температурах на поверхности твердой коры планеты и, при перечисленных выше

условиях, образуют широкий спектр малых молекул. Под действием потоков

энергии (молнии, УФ-излучение, вулканическое тепло) наиболее стабильные

молекулы (СО2, N2, Н2О) превращаются в более сложные соединения (сахара, и

аминокислоты) которые становятся «строительными блоками» жизни. В

последствии эти пока еще простые молекулы объединяются между собой в

аминокислоты, сахара и азотистые основания – исходные вещества для ДНК и

РНК.

Для создания любого полимера организм должен затратить энергию.

Связано это с тем что биологические полимеры находятся в водной среде, где

весьма вероятен их гидролиз. Живые организмы получают необходимую им

энергию за счет каталитически активных ферментов.

Это и есть суть проблемы Уробороса[1]: создание полимеров требует

наличия полимеров. Иными словами: для того чтобы получить энергию,

необходимую для синтеза полимеров, необходимо затратить энергию.

Рассматривая энергетически метаболизм и процессы полимеризации

активированных мономеров, мы сталкиваемся с одним интересным моментом:

продукты этих процессов, полимеры, являются очень важными компонентами

молекулярного аппарата, при помощи которого сами эти полимеры образуются.

В этом смысле полимеры представляют собой самозарождающиеся объекты.

Их синтез служит иллюстрацией головоломки Уробороса на молекулярном уровне,

и разгадка этой головоломки аналогична решению проблемы самозарождения

механизма синтеза полимеров.

На примитивной Земле протекали различные химические процессы, но

особую роль играли те из них, в основе которых лежит фосфор. В конечном

счете именно с помощью энергии фосфатной связи появилась возможность

направлять энергию геофизических окислительно-восстановительных реакций на

инициацию процессов в органическом веществе, существовавшем на ранней

Земле. Благодаря превращению энергии окислительно-восстановительных реакций

в энергию фосфатных связей произошла энергетическая инициация полимеризации

мономеров.

Подойти к решению проблемы перехода от неживой материи к живой

позволяет изучение механизмов, используемых современными организмами для

генерации энергии фосфатных связей и синтеза полимеров. Это помогает также

выявить те компоненты и механизмы, которыми должен был обладать примитивный

организм, чтобы считаться «живым».

Живая клетка использует белки в различных целях. Большинство видов

белков является ферментами, катализирующими множество реакций, включая те

из них, которые обеспечивают энергетический метаболизм, синтез мономеров и

полинуклеотидов.

Полинуклеотиды используются клетками, прежде всего в процессе синтеза

белков. Комплиментарность нуклеотидов четко контролирует аминокислотную

последовательность синтезируемых белков и гарантирует правильность

нуклеотидной последовательности в полинуклеотидах, образующихся в процессе

репликации при размножении организма.

Пытаясь построить модель примитивного организма, мы все время должны

помнить, что все события происходили в геологическом масштабе времени.

Относительно простой, примитивный организм не мог возникнуть мгновенно даже

после того, как на первобытной Земле были созданы условия, благоприятные

для зарождения жизни.

Протеиноиды – термические белки. Образуются при самопроизвольном

синтезе аминокислотных цепей. Длина и состав протеиноидов зависит от

состава исходной аминокислоты, температуры и других условий.

Биохимики обнаружили, что при растворении протеиноидов в воде они

спонтанно образуют сферы диаметром примерно 1 мкм. Такие объекты получили

название микросфер.

Поскольку существовали микросферы, способные к синтезу РНК и,

следовательно, небольших белков, то определенные последовательности РНК

могли случайным образом кодировать короткие белки, способные катализировать

копирование РНК (т. е. белки, обеспечивающие полимеризацию нуклеотидов на

существующей молекуле РНК). Вторая копия этой РНК была бы идентична

исходной РНК. Таким образом, эта модельная РНК могла функционировать как

способный к воспроизведению ген, т. е. могла возникать

самовоспроизводящаяся система – Уроборос.

Очень важной особенностью предложенной примитивной модели является ее

эволюционные возможности: неточная репликация трансляция гена создает

основу той самой мутабильности, которая может привести к отбору систем,

обладающих наиболее совершенными механизмами энергетического сопряжения и

использования энергии.

Эта теория является наиболее вероятной еще и потому, что ее

правдивость, в некотором смысле, была подтверждена опытным путем. Опыт с

получением простейшего организма провёл в 1953г. американский биолог Стэнли

Миллер. Он воспроизвел в специальной установке природные условия древней

Земли. В стеклянном сосуде находились нагретая вода («океан») и смесь газов

аммиака, метана и водорода («первичная – атмосфера»). Через «атмосферу «

проскакивали искры-«молнии». Опыт продолжался в течение недели.

Через неделю «первичный бульон» проанализировали и нашли в нем

органические вещества, в том числе 5 аминокислот. В другой раз в результате

такого же опыта были обнаружены даже нуклеиновые кислоты – цепочки, длиной

до шести звеньев.

Теория «вечности жизни».

Так же существует большая теория «вечности жизни». Одним из

основоположников которой был академик В. И. Вернадский. Хотя в самой теории

так же есть множество расхождений, но суть ее примерно следующая: Жизнь

распространяется по вселенным при помощи спор, различных микроорганизмов, с

квантами света. Так жизнь на Земле могла зародиться при попадании на нее

метеорита – частицы другой планеты, распавшейся в результате какого-то

катаклизма или метеорит ударился в планету и некоторые осколки самой

планеты с бактериями или другими микроорганизмами вылетели за приделы

атмосферы планеты и отправились в свой долгий путь к новому месту жизни.

Она так же имеет веские доказательства: было обнаружено, что бактерии и

вирусы способны практически бесконечно долго существовать в условиях

безвоздушного пространства – космоса. Эта теория является конкурентом

представленной выше.

Другие теории.

Кроме перечисленных, достаточно уже зрелых и состоявшихся, теорий,

хотя в них существует множество внутренних противоречий и просто не

доказанных домыслов, существует еще множество всякого рода гипотез,

наиболее интересную и распространенную я опишу ниже.

Почти сразу же после первых слухах о НЛО, домыслов о существовании

жизни на других планетах и сведениях о похищении людей для опытов, возникла

теория того, что жизнь на Земле вообще и человечество в частности есть

нечто иное, как эксперимент инопланетян. Теория эта многократно

оспаривалась, она не имеет под собой никаких веских доводов, кроме

многочисленных свидетельств очевидцев (но если раньше человек, то что не

мог объяснить, относил к божественному проявлению, то теперь свидетели

неординарных событий, которые иногда можно легко объяснить с точки науки,

причисляют их пришельцам). Эта, даже гипотеза, а не теория, находит

множество последователей среди неособо пресвященных масс населения и

некоторых ученых – уфологов (от английского слова UFO, что в переводе на

русский значит НЛО), занимающихся изучением фактов связанных с явлениями,

которые причисляют к действиям иных рас. Здесь можно отметить ряд

экспериментов, проводимых учеными, изучающими влияние на мозг того или

иного фактора (Звуки, свет, электромагнитное излучение). При воздействии

какого-либо из этих факторов у человеке возникают различные образы, которые

создает мозг, когда не имеет точного представления, какие действия

предпринять. А при действии сразу нескольких, возникают вполне отчетливые

образы и ощущения чего-то необъяснимого. Интересно, что подобной реакцией

является смех. Мозг не знает какие эмоции проявлять при чтении, например,

несогласованного между собой текста: «Он и ухом не моргнул». Так, что по

мнению большинства ученых эта гипотеза бездоказательна и попросту смешна,

однако однозначно утверждать я не берусь.

Заключение.

В заключении хочу сказать, что некто не может со сто процентной

уверенностью утверждать, какая из теорий действительна верна, или, что они

все неверны. К этой проблеме применима пословица: «Сколько людей, столько и

мнений». Но зато у вас есть возможность предложить свою теорию, обосновать,

попытаться доказать ее правильность и в конечном итоге прославится.

Список использованной литературы:

1. Бернал Дж. «Возникновение жизни». Москва, «Мир» 1969г.

2. Савенко Вл. Я. «Новые представления о возникновении жизни на

Земле». Москва.

3. Руттен М. «Происхождение жизни». Пер. с ангийиского Фролова Ю.

М., «Мир», 1973г.

4. Крылеев И. А. «История религий». Москва, «Мысль», 1988г.

5. «Легенды и сказания Древней Греции и Древнего Рима», составлено:

Нейхардт А. А., Москва, «Правда», 1988г.

6. Журнал «В мире науки». Москва 1991г.

7. Журнал «Наука в России». Москва 1992г.

8. Калвин В. «Химическая эволюция», Москва, «Наука», 1971г.

Содержание:

1. Введение ……………………………….. 1.

2. Божественная теория.

. Введение ………………………………. 2.

. Древняя Греция ……………………….. 4.

. Древний Египет ………………………. 6.

. Монотеизм ……………………………. 7.

. Христианство ………………………… 7.

3. Научные теории.

. Введение ………………………………. 8.

. Наиболее вероятная теория ………….. 9.

. Теория «вечности жизни» ……………. 21.

. Другие теории ………………………… 21.

4. Заключение ……………………………….. 22.

5. Список использованной литературы …. 23.

Северный Экономический Лицей

Реферат по биологии.

Тема: «Теории возникновения жизни на Земле».

Преподаватель: Наталья Юрьевна.

Выполнил: Малахов Александр Андреевич.

Архангельск, 2003 г.

-----------------------

[1] Уроборос – мифологический змей, символизирующий идею самозарождения.

Страницы: 1, 2