ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 24.08.2024
Просмотров: 40
Скачиваний: 0
Конспект лекции № 8.
Тема. Теории возникновения жизни (биогенез).основные этапы развития биологии.
Биогенез – это рождение (возникновение) жизни.
Единственная известная на Земле форма жизни называется белково-полинуклеотидной, так как в её основе находятся два класса органических соединений: белки и нуклеиновые кислоты. Гипотезы биогенеза. В настоящее время существует 5 основных гипотез возникновения жизни на нашей планете: 1 – самопроизвольного (спонтанного) зарождения; 2 – стационарного состояния; 3 – панспермии; 4 – креационизма; 5 – биохимической эволюции. Каждая из них, в определенное историческое время, считалась доказанной гипотезой и получала статус "теории".
1. Самопроизвольное (спонтанное) зарождение. Сущность этой теории в том, что определенные частицы вещества содержат "активное начало", которое при подходящих условиях может создать живой организм. В качестве "активного начала" предлагались разные "субстанции": солнечный свет, оплодотворенное яйцо, тина, гниющее мясо. Ван Гельмонт (1577-1644) описал эксперимент, доказывающий возможность создания живых существ. Для этого нужны: горсть пшеницы, темный шкаф и грязная рубашка, поскольку "активным началом" был человеческий пот. Через 3 недели в шкафу были обнаружены мыши.
В 1668 году Франческо Реди подверг теорию самозарождения серьёзному испытанию. Он доказал, что черви не появляются в бутылях с мясом, если их плотно закрыть и запечатать. В незапечатанных сосудах, куда свободно залезали мухи, мясо зачервивело. Реди установил, что маленькие белые червячки, появляющиеся в мясе – это личинки мух. После ряда аналогичных наблюдений он получил подтверждение гипотезы о том, что жизнь может возникнуть только из предсуществующей жизни. «Добил» теорию спонтанного биогенеза Луи Пастер. Он доказал отсутствие самозарождения бактерий. Казалось, данная теория была окончательно погребена.
2. Теория стационарного состояния отрицает факт возникновения жизни. Жизнь никогда не возникала, она существует вечно, как и наша планета и вселенная. В настоящее время, сторонников этой теории мало. Главный аргумент против этой теории состоит в том, что астрономические явления в наблюдаемой вселенной показывают динамическую картину с тенденцией к расширению. Тогда, в определенный момент прошлого вселенная была сосредоточена в крайне малом объеме – точка сингулярности. В таких условиях невозможно существование не только белков полинуклеотидов, но и атомов.
3. Теория панспермии - жизнь на планету Земля была занесена из космоса после попадания спор живых организмов с космической пылью или метеоритами. Ряд направлений этой гипотезы считают биосферу земли результатом экспериментов внеземного разума и доказывают это наблюдениями НЛО, археологическими находками и контактами с инопланетянами.
Данная гипотеза уходит от вопроса о происхождении жизни. Она говорит лишь о появлении живых существ на нашей планете. Тем не менее, эта гипотеза стала наиболее популярной в последние годы в связи с кризисом теории биохимической эволюции.
4. Креационизм – теория сотворения. Жизнь была создана в результате разумной целенаправленной деятельности существа или существ, которые не принадлежат к известной нам белково-полинуклеотидной форме жизни, а, возможно, и материи. Данная теория объясняет все невероятные совпадения, которые обеспечивают жизнь на Земле. Некоторые ученые не считают эту теорию научной, называя её главным недостатком недоказуемость и невозможность экспериментального подтверждения.
Однако, никаких законов формальной логики используемых в научном подходе к проблеме данная теория не нарушает. Она является предметом веры не более, чем любая другая гипотеза биогенеза.
5. Теория биохимической эволюции объясняет происхождение жизни, как результат случайного взаимодействия молекул неорганических соединений в далеком прошлом (несколько миллиардов лет назад).
Процесс формирования белково-полинуклеотидной жизни можно разделить на 5 этапов: (1) возникновение подходящей планеты с первичной атмосферой из СО2, Н2О, СН4, NН3; (2) концентрирование в океанах органического бульона, состоящего из относительно простых органических молекул аминокислот, нуклеотидов, фосфолипидов и др.; (3) образование сложных биополимеров – белков, полинуклеотидов; (4) соединение компонентов жизни воедино под общей мембраной; (5) развитие самовоспроизводящегося генетического кода.
Теория биохимической эволюции не что иное, как реанимированная теория самопроизвольного зарождения жизни, отнесенная в далекое прошлое, когда условия на нашей планете отличались от современных.
Научные основы этой теории заложил Александр Опарин (1923). На основе эволюционного учения Дарвина, Опарин предположил возможность постепенного усложнения неживой материи до уровня простых одноклеточных живых организмов. Ярким доводом в пользу теории биохимической эволюции стали исследования Стенли Миллера (1953). В течение недели газовую смесь, находящуюся под высоким давлением и состоящую из водорода, метана, аммиака и водяного пара, подвергали интенсивному воздействию электрических разрядов высокого напряжения. В результате были обнаружены аминокислоты, аденин и простые сахара. После этого, теория Опарина завоевала широкое признание, как приемлемая общая схема биогенеза, а научные споры вокруг неё связаны только с деталями процесса.
Проблемы возникновения белково-полинуклеотидной формы жизни из неживой материи.
Вторая половина ХХ века началась с бурного прогресса в молекулярной биологии, который катализировало открытие структуры ДНК Уотсоном и Криком (1953). Одновременно открылась гигантская пропасть между живыми существами и неживой материей, о которой и не подозревал Опарин. По этой причине, к концу ХХ века теория биохимической эволюции стремительно утратила свой авторитет. Основные положения случайного возникновения жизни по теории биохимической эволюции вступили в противоречие не только с новыми данными молекулярной биологи, но и со здравым смыслом. Все 5 этапов встречают серьезные возражения.
1. Возникновение подходящей планеты с первичной атмосферой из СО2, Н2О, СН4, NН3. Случайное возникновение такой планеты весьма проблематично. Используя формулу Дрейка для подсчета числа цивилизаций в галактике, академик Шкловский И. С. (1977) заключает, что вероятность второй (подобной нашей по молекулярной основе) цивилизации практически равна 0. Главной уменьшающей вероятность составляющей этого подсчета является отсутствие достаточного количества планет для жизни, без которой нет и цивилизации.
2. Концентрирование в океанах органического бульона, состоящего из относительно простых органических молекул аминокислот и нуклеотидов, фосфолипидов, АТФ и др.
Это положение оспаривается тем, что энергия солнечных космических излучений, послужившая для синтеза органических мономеров, должна сразу же разрушать эти сложные молекулы. Их концентрация определяется динамическим равновесием и не имеет тенденции к увеличению, если их не удалять из зоны реакции.
3. Образование сложных биополимеров – белков, полинуклеотидов. Допустим, что аминокислоты каким-то образом добрались из атмосферы в океаны и скрылись от губительного излучения в толщу воды. Но, тогда они потеряют источник энергии для дальнейшей полимеризации и синтеза белков и полинуклеотидов не будет. Более того, условия водной среды способствуют не полимеризации (усложнению), а деполимеризации (растворению). Распад идет гораздо быстрее, чем синтез. Даже на этом этапе вероятность случайного возникновения биополимеров равна 0.
Вероятность того, что, бросая игральный кубик (кость), один раз выпадет шестерка, равна 1/6. Вероятность того, что, бросая два кубика один раз, выпадут две шестерки, равна 1/6.1/6=1/36. Вероятность того, что, бросая три кубика один раз, выпадут три шестерки, равна 1/6.1/6.1/6=1/216. Вероятность того, что в первичном бульоне случайно образуется простая молекула белка, равна 1/10113. Однако, любое событие, вероятность которого снижается до 1/1050, уже отклоняется математиками, как неосуществимое в реальном мире.
4. Соединение компонентов жизни под общей мембраной. Вспомнив сложное строение клеточных органоидов, трудно представить себе, что все эти сложные молекулярные комплексы случайно соберутся вместе. Для осуществления жизненных процессов требуется не 1, а около 2000 белков. Но этого мало, для химических реакций первая клетка должна доставлять энергию в точки взаимодействия молекул. Случайное возникновение этих сложных ферментативных механизмов делает вероятность биохимической эволюции исчезающе призрачной.
5. Развитие самовоспроизводящегося генетического кода. Проводя анализ возникновения генетического кода, видно, что если бы все указанные выше этапы произошли, то и это не привело бы к возникновению жизни. Её фундаментальным свойством является способность к воспроизведению. Это означает, что одновременно и случайно, должны возникнуть строго соответствующие друг другу белки и нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК), кодирующих все белки и последовательности их сборки. Микрококк простейшая самодостаточная форма жизни состоит из 10 000 сложных молекул, но он погибнет от голода без других форм жизни, способных усваивать солнечную энергию.
Серьезным возражением в пользу возможности случайного возникновения жизни кажется утверждение о длительном времени (миллиарды лет), отведенном на этот процесс. Но известно, что даже за 30 миллиардов лет (1018 секунд), в которые с большим запасом оценивается возраст вселенной (Земле, по подсчетам сторонников случайного биогенеза 5 миллиардов лет) произойдет всего 1080 .109.1018=10107 реакций. Здесь 1080 – число электронов, позитронов и аналогичных им частиц, а 109 (миллиард) – число реакций одной частицы в секунду. Для случайного возникновения коротенькой (100 аминокислот) белковой молекулы (из 20 видов аминокислот генетического кода) вероятность много ниже 1/1050. Тогда в даже в 1 000 000 000 000 000 000 000 (миллиард триллионов) вселенных заполненных первичным бульоном вероятность образования одной такой молекулы равна 1%. Что тогда говорить о скромной планете с тонкой пленкой воды? Возникновение живого в результате описанных случайных взаимодействий молекул "столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над мусорной свалкой может привести к сборке Боинга-747" (Фред Хойл). Самое простое живое существо - микрококк имеет вероятность случайного возникновения (по очень щедрым расчетам) 10-40000.
По мере накопления конкретных знаний наряду с представлением о разнообразии организмов возникла идея о единстве всего живого. Особенно велико значение этой идеи для медицины, так как это указывает на универсальность биологических закономерностей для всего органического мира, включая человека. В известном смысле история современной биологии как науки о жизни представляет собой цепь крупных открытий и обобщений, подтверждающих справедливость этой идеи и раскрывающих ее содержание.
Важнейшим научным доказательством единства всего живого послужила клеточная теория Т. Шванна и М. Шлейдена (1839). Открытие клеточного строения растительных и животных организмов, уяснение того, что все клетки (несмотря на имеющиеся различия в форме, размерах, некоторых деталях химической организации) построены и функционируют в целом одинаковым образом, дали толчок исключительно плодотворному изучению закономерностей, лежащих в основе морфологии, физиологии, индивидуального развития живых существ.
Открытием фундаментальных законов наследственности биология обязана Г. Менделю (1865), Г. де Фризу, К. Корренсу и К. Чермаку (1900), Т. Моргану (1910-1916), Дж. Уотсону и Ф. Крику (1953). Эти законы раскрывают всеобщий механизм передачи наследственной информации от клетки к клетке, а через клетки - от особи к особи и перераспределения ее в пределах биологического вида. Законы наследственности важны в обосновании идеи единства органического мира; благодаря им становится понятной роль таких важнейших биологических явлений, как половое размножение, индивидуальное развитие - онтогенез, смена поколений.
Представления о единстве всего живого получили основательное подтверждение в результатах исследований биохимических (обменных, метаболических) и биофизических механизмов жизнедеятельности клеток. Хотя начало таких исследований относится ко второй половине XIX в., наиболее убедительны достижения молекулярной биологии, ставшей самостоятельным направлением биологической науки в 50-е гг. XX столетия, что связано с описанием Дж. Уотсоном и Ф. Криком (1953) строения дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). На современном этапе развития молекулярной биологии и генетики возникло новое научно-практическое направление - геномика, имеющая в качестве главной задачи прочтение ДНК-текстов геномов человека и других организмов. На основе доступа к личной биологической информации, возможно ее целенаправленное изменение, в том числе путем введения генов от других видов. Такая возможность представляет собой важнейшее доказательство единства и универсальности базисных механизмов жизнедеятельности.
Молекулярная биология уделяет главное внимание изучению в процессах жизнедеятельности роли биологических макромолекул (нуклеиновые кислоты, белки), закономерностей хранения, передачи и использования клетками наследственной информации. Молекулярно-биологические исследования раскрыли универсальные физико-химические механизмы, от которых зависят такие всеобщие свойства живого, как наследственность, изменчивость, специфичность биологических структур и функций, воспроизведение в ряду поколений клеток и организмов определенного строения.