| |||
Реферат: Современные теории происхождения жизнисмотреть на рефераты похожие на "Современные теории происхождения жизни " Дальневосточное отделение Кафедра философии СОВРЕМЕННЫЕ ТЕОРИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ реферат выполнил: Сергеев Вадим Владимирович аспирант Тихоокеанского института географии ДВО РАН. Специальность: 11.00.11 – охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов. Научный руководитель д. г. - м. н., проф. Б.В. Преображенский Владивосток, 2001 СОДЕРЖАНИЕ
Сценарий происхождения жизни Ю. А. Колясникова. 7 Заключение. 19
Камень преткновения в наших попытках понять происхождение жизни – невозможность представить себе те процессы, которые являются промежуточными между химической эволюцией и возникновением первой самовоспроизводящей и метаболизирующей единицы, которая называется клеткой. Р. Янг (R. Young)
Проблема происхождения жизни приобрела сейчас неодолимое очарование для всего человечества. Она не только привлекает к себе пристальное внимание ученых разных стран и специальностей, но интересует вообще людей всего мира. Многие считают, что эта проблема недостойна изучения. Так думают, те,
кто верит в божественные или сверхъестественные силы и соответственно в
сотворение жизни. Но в течение последних десятилетий многие ученые
интенсивно исследовали возможность самопроизвольного возникновения жизни. Для того чтобы достичь современной степени развития, биологическим
системам понадобилось очень много времени (сотни и тысячи млн. лет). По существу, проблема возникновения жизни есть проблема воссоздания древнейшей из всех древних историй. Чем лучше мы уясним ситуацию, существовавшую в первобытные времена, тем более достоверными и надежными будут эксперименты, в которых имитируются ранние события. Понятие «жизнь» очень трудно целиком и полностью определить, с какой
бы стороны мы ни пытались к нему подойти, всегда остается ощущение, что оно
ускользает от нас. Можно последовать феноменологическому подходу и
составить список свойств живого: живое существо движется, ему присущи
функции выделения, питания и метаболизма, оно растет, воспроизводит себе
подобных и так далее. Трудность, с которой сталкиваются при использовании
этого подхода, состоит в том, что из подобного списка всегда найдутся
исключения, ставящие под угрозу само определение. Такое определение – в
виде произвольного списка свойств – вряд ли является фундаментальным. Для того чтобы объяснить возникновение клеточных форм жизни, был разработан целый ряд гипотетических моделей, как лабораторных, так и теоретических. Все они представляются до некоторой степени вероятными и, несомненно, были в числе других испробованы в течение 1500 млн. лет земной истории между 4500 и 3000 млн. лет назад. Ранние представления о происхождении жизни. В течение многих веков для большинства людей проблемы возникновения
живого вообще не существовало. Даже известные ученые допускали возможность
постоянного зарождения живых существ из неживого. Греческий философ В (((( веке голландский ученый Ян Баптист Ван-Гельмонт, известный своими количественными исследованиями питания растений, был и автором рецепта получения мышей из пшеницы и загрязненного потом белья. Английский философ Френсис Бэкон, основоположник экспериментальной науки, выступил в своем знаменитом труде «Новый органон» с резкой критикой Аристотеля и его последователей за отвлеченный характер мышления. В то же самое время он пишет о самозарождении мелких животных в гниющем субстрате. Идея самопроизвольного зарождения живого из неживого не вызывала
возражений и у таких выдающихся мыслителей как В. Гарней, Р. Декарт, Г. Перелом в представлениях начался лишь во второй половине (((( века, когда тосканский врач Франческо Реди в 1668 году доказал, что белые черви, развивающиеся в гниющем мясе, представляют собой личинки мух. Сто лет спустя Лазаро Спалланцани и русский ученый Мартын Тереховский нанесли первый удар по представлениям о самозарождении микроскопических организмов. Еще через сто лет, в 1862 году, французский ученый Луи Пастер окончательно опроверг догму самопроизвольного зарождения, утвердив положение, «все живое из живого». Ученые, в какой-то мере, пытавшиеся ответить на вопрос о возникновении жизни, разделились на два лагеря. Представители одного лагеря развивали идею вечности жизни. Согласно этой идее жизнь на нашей планете никогда не зарождалась, а была занесена на Землю из глубин космоса, где она существует вечно. Таким образом, проблема возникновения жизни на Земле вообще снималась с повестки дня научного исследования. Представители другого лагеря, основываясь на некоторых фактических экспериментальных данных, пытались создать более или менее правдоподобные представления о возникновении живого из неживого. Наибольшей популярностью пользовались гипотезы Ф. Аллена, Г. Осборна, Э. Пфлюгера. Несмотря на несомненную ценность этих гипотез, все они имели один весьма существенный недостаток – возникновение живого из минеральных элементов трактовалось как внезапный случайный процесс. Современные взгляды на возникновение жизни.
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. Попробуем представить, что происходило на Земле 4 млрд. лет назад. Сейчас наука возвращается к взглядам Р. Декарта об изначально горячей В своей теории (или сценарии), автор пытается восполнить этот пробел. 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. 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 С появлением в первом вулканическом катаклизме 4 млрд. лет назад на
поверхности планеты свободной воды, уцелевшие фрагменты первобытного 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. Путь к решению данной проблемы на взгляд автора 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 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 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 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). 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 автор рассматривает как своеобразный природный инкубатор, в котором зародились первичные эмбриональные формы протожизни. Энергия и происхождение жизни на Земле. Энергия и вещество. Химическая эволюция. Звездный нуклкосинтез. 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. Образование малых молекул. Химические элементы образовавшиеся в ходе звездного нуклеосинтеза,
объединяются друг с другом при относительно низких температурах на
поверхности твердой коры планеты и образуют широкий спектр малых молекул. Возникновение мономеров. Простые молекулы-предшественники под действием потоков энергии различной природы соединяются с образованием мономеров. Моделируя в лаборатории условия, существовавшие на примитивной Земле, и используя в качестве простых молекул СН4, СН2О, Н2О и NH3 удалось получить аминокислоты, сахара и азотистые основания (составляющие ДНК и РНК). Смешанные олигомеры. Смешанные олигомеры – биологически важные молекулы – образующиеся из мономеров в ходе реакции конденсации. Этот механизм формирования более крупных молекул является универсальным в биологии. Энергетические условия полимеризации. Для создания любого полимера организм должен затратить энергию. 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. Химические реакции, протекающие на примитивной Земле. 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 Энергетический метаболизм и синтез полимеров в современных организмах. 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 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. Возникновение Уробороса. Пытаясь построить модель примитивного Уробороса, мы все время должны
помнить, что все события происходили в геологическом масштабе времени. Протеиноидные микросферы. 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. Переход от неживого к живому. 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. Заключение. Зарождение жизни - точка отсчета для развития всего живого мира на Кроме познавательного аспекта, ориджинология имеет важнейшее
практическое значение. В настоящее время на планете быстрыми темпами
развиваются глобальные изменения, связанные, прежде всего с ухудшением
состояния экосистем и здоровья населения планеты. Многие ученые сходятся во
мнении, что главным резервом, на который человечество может опираться в
своем дальнейшем существовании, является системный ресурс биосферы. Другим
резервом, является системный ресурс самого человека, его огромные
потенциальные возможности, которые могут развертываться в трудных
ситуациях. В решении обоих этих проблем могут быть использованы знания,
накопленные учеными в ходе исследований, посвященных возникновению жизни на Сравнивая первые теории, выдвинутые несколько десятилетий назад Даже сейчас, не ожидая новых открытий, которые, несомненно, появятся в
будущем, мы с высокой степенью вероятности можем утверждать, что жизнь
развилась естественным путем из некоей преджизни, состоявшей из Список использованных источников. 1. Бернал Дж. Возникновение жизни. Москва: «Мир» 1969. 391 с. 2. Калвин В. Химическая эволюция. М.: Наука, 1971 - 190 с.; 3. Камшилов М. М. Эволюция биосферы. Москва: «Наука» 1974. 254 с. 4. Колясников Ю. А. К тайнам мироздания. Магадан: СВНЦ ДВО РАН, 1997. 225 с. 5. Компаниченко В. Н. Возникновение жизни в глубинах гидротермальных систем. Хабаровск, 1996, 105 с. 6. Руттен М. происхождение жизни (естественным путем). Пер. с англ./ Перевод Фролова Ю. М.; Под ред. и с предисл. Опарина А. И. – М.: Мир, 1973 – 415 с. с ил. 7. Фокс Р. Энергия и эволюция жизни на Земле: Пер. с англ. – М.: Мир, 1992. – 216с., ил. 8. Фолсом К. Происхождение жизни: Маленький теплый водоем. Пер. с англ./ Перевод Кирпотина Д. Б.; Под ред. и с предисл. Деборина Г. А. – М.: Мир, 1982 – 160 с. с ил.
|
|