Реферат
Походження та початковий розвиток життя на Землі
1.Визначення поняття життя
Спостерігаючи навколишню природу, людина з незапам'ятних часів розділив її на світ живих і неживих тіл. До живим відносяться люди, тварини, рослини; до неживих - каміння, пісок, вода, а також трупи тварин і рослин. Чим же відрізняються живі тіла від неживих? Звичайно, навіть недосвідчений у науці людина легко помічає те загальне, що дозволяє йому віднести до живих істот людини і дерево, кита і павучка, птицю і слимака. І коли простий шліфувальник скла Левенгук вперше побачив під мікроскопом мікробів, він без коливання визнав їх живими істотами. Однак при спробі визначити поняття «живе» і «неживе», як правило, відчувають чималі труднощі навіть досвідчені в науці люди.
Багато хто вважає характерною властивістю живого тіла його здатність до руху. Після смерті воно втрачає рухливість. Однак, якщо б ми зважилися дати визначення живому тілу як тілу, здатному до руху, ми б, звичайно, помилилися, оскільки, з одного боку, відомо безліч безсумнівно живих тіл, але нерухомих, наприклад: губки, майже всі рослини. З іншого боку, відомий ряд тіл, здатних до активного руху, але, безсумнівно, неживих, наприклад всі рухомі машини і механізми, створені людиною. Таким чином, визначити живе тіло по одній здатності його до руху не можна.
Іншою ознакою, що вважається характерним для живих організмів, є їх здатність до дихання. Дихають люди, тварини та рослини. Після смерті дихання зникає. Однак цей критерій також недостатній, тому що, з одного боку, відомі організми, зовсім не споживають кисню (деякі паразитичні черв'яки кишечника, багато найпростіші і мікроби), а з іншого боку, існують неживі системи, активно поглинають кисень і виділяють вуглекислоту (запалена свічка , що працює бензиновий двигун). Будь-яка реакція окислення органічних речовин супроводжується поглинанням кисню і виділенням вуглекислого газу.
Ще одна ознака живих тіл - це здатність їх до розмноження. Дійсно, здатність до породження собі подібних - дуже характерна властивість живого. Однак і ця ознака не може вважатися постійним і вірним ознакою життя, так як, з одного боку, існує ряд безсумнівно живих істот, не здатних до відтворення потомства, наприклад робочі бджоли, мули або кастровані тварини, з іншого боку, сучасна техніка (технічна кібернетика ) може конструювати і створювати машини, здатні відтворювати подібні собі машини.
Ми вибрали три ознаки і бачимо, що жоден з них не є цілком характерним для живих тіл і не може бути використаний як визначення життя.
Як бачимо, охарактеризувати явище життя представляє непросте завдання. Спроби знайти найістотніше в житті і дати її визначення робилися в минулому неодноразово. Серед авторів визначень життя були знамениті вчені, філософи і природознавці: Аристотель, Кант, Ламарк, Кюв'є і багато інших. Серед старих визначень життя немає, однак, жодного скільки-небудь задовільного. Деякі визначення настільки туманні, що немає можливості осягнути їх зміст. Ось, наприклад, одне з таких визначень: «Життя є душа світу, рівняння всесвіту». Інші визначення хоча і більш зрозумілі, але нічого не пояснюють. Так, наприклад, у французькій енциклопедії давалося таке визначення: «Життя є протилежність смерті».
Основоположник наукового комунізму - Фрідріх Енгельс у книзі «Анти-Дюрінг» вказує на успіхи, досягнуті природознавством і дає наступне стало класичним визначення життя: «Життя є спосіб існування білкових тіл, і цей спосіб існування полягає по своїй суті в постійному самооновлення хімічних складових частин цих тіл ». Як бачимо, Енгельс не обмежується одним лише вказівкою на ознаки життя, але він підкреслює найсуттєвіші її риси. Визначення Енгельса складається з двох частин. У першій вказується на характерне для живих тіл, що відрізняє їх від неживих тіл, вміст у них білка. Білки є головною і постійною складовою частиною всіх живих систем - від самих примітивних до найскладніших. «Всюди, де ми зустрічаємо життя, - пише Енгельс, - ми знаходимо, що вона пов'язана з яким-небудь білковим тілом, і всюди, де ми зустрічаємо яке-небудь білкове тіло, що не знаходиться в процесі розкладання, ми без винятку зустрічаємо і явища життя ».
Але білки - речовини з легко змінюваною структурою. Для живого стану характерна присутність не будь-якого білка (труп складається також з білка), але лише білка, який зберігає свою унікальну конфігурацію, свою первинну, вторинну і третинну структури, з притаманними йому природними властивостями. При вмиранні організму білки його втрачають нативну структуру, макромолекули розгортаються і білки переходять у денатуровані стан. Для підтримки білка в нативної, властивою живому станом формі необхідно наявність умов, за яких може бути стійкою нативна форма білка. У другій частині визначення Енгельс і говорить про спосіб існування білка. Цей спосіб - обмін речовин, за допомогою якого створюються і підтримуються умови для збереження білка в нативному стані в живій системі і виконання властивих йому функцій. Визначення життя, сформульоване Енгельсом, прекрасне за формою і глибоке за змістом, суттєво вплинула на розвиток досліджень білка як основного субстрату життя і до цих пір користується широким визнанням.
Після опублікування «Анти-Дюрінга» пройшло вже більше 80 років. За цей період в різних областях природознавства були зроблені великі відкриття. Значні і успіхи науки про життя. Були відкриті нуклеїнові кислоти, відкритий механізм їх редуплікації, з'ясовано їх значення у передачі спадкових властивостей. Виникли нові біологічні науки: біофізика та біохімія, біоніка і молекулярна біологія. У зв'язку з розвитком кібернетики набуло значного поширення моделювання життєвих явищ - конструювання та побудова апаратів, що імітують різні боки життєвого процесу. Були здійснені, нарешті, польоти в космос, і стала реальністю можливість виявлення нових форм життя на інших планетах. Всі ці обставини, природно, стимулювали дослідників на пошуки нових визначень життя, в яких відбилися б новітні досягнення біології.
У нових визначеннях життя, перш за все, знайшли відображення результати проникнення в біологію точних наук: фізики, математики, хімії, кібернетики. Так, наприклад, майже в усіх нових визначеннях життя одним з перших пунктів є вказівка на те, що живе тіло - це відкрита система. Поняття "відкрита система" запозичено з фізики. Під відкритими системами розуміють динамічні (тобто не перебувають у спокої) системи, стійкі за умови безперервного доступу до них енергії і матерії ззовні. Наочним прикладом відкритої системи може служити резервуар, сталість рівня води в якому досягається безперервним надходженням води з крана і безперервним виведенням води у стік. Відкриті системи - це більшість двигунів: автомашини, парові машини, електровози. Всі вони діють за умови безперервного надходження пального або електроенергії ззовні. Живе тіло являє собою, поза сумнівом, також відкриту систему, тому що воно існує, поки в нього надходить енергія і матерія у вигляді їжі із зовнішнього середовища, а покидьки виділяються в навколишнє середовище. Оскільки будь-яке живе тіло - від найпростішого до найскладнішого - відкрита система, то, очевидно, розумно ввести цю характеристику у визначення життя.
Друге універсальну властивість живих тіл - це їх здатність до авторегуляції, здатність автоматично зберігати і підтримувати сталість свого складу та властивості.
Третя особливість живих тіл - це специфіка їх хімічного складу. Крім білка, значення якого для життя вже висунув Енгельс, суттєвою і постійною складовою частиною живих тіл служать нуклеїнові кислоти. У визначенні життя тому, крім вказівки на роль білка в побудові живих систем, підкреслюється також значення і нуклеїнових кислот. Наведемо одне з сучасних визначень життя, постарайтеся його пояснити.
«Живі тіла, що існують на Землі, представляють собою відкриті, саморегульовані і самовідтворюються системи, побудовані з біополімерів - білків і нуклеїнових кислот».
Зверніть увагу на застереження, зроблене автором цього визначення: «Живі тіла, що існують на Землі ...» Очевидно, не виключається можливість, що на інших планетах можуть бути виявлені живі тіла, істотно відрізняються від земних.
2. Відсутність життя на Землі у віддалений період розвитку планети
У перший період існування Землі на ній не було і не могло бути життя. Як відомо, життя можлива за наявності певних умов. Одним з таких умов є температура середовища. Переважна більшість організмів здатне активно існувати в порівняно вузькій зоні температур, приблизно від -20 до +50 ° С. Відхилення в обидві сторони від цієї зони небезпечні для життя.
Між тим, за даними сучасної космології, температура планет, у тому числі і Землі, в початковий період їх існування досягала мільйона і більше градусів. Звичайно, уявити собі можливість існування життя в таких умовах неможливо.
Можна, таким чином, стверджувати, що Земля в початковий період свого існування була мертва і безплідна. Вона була абсолютно стерильна. Тим не менш, на стерильній Землі виникло життя, з'явилися перші організми з усіма атрибутами життя: з обміном речовин, подразливістю, здатністю до розмноження, до еволюції і т. д. Можна припускати, що це найбільша подія в історії Землі - виникнення на ній життя - відбулося приблизно 2-2,5 млрд. років тому.
Як виглядав первісток життя, невідомо. З'явився він у одному екземплярі і потім розмножився, або в різних місцях Землі перші істоти у цей час мали масами, невідомо. Виник чи живий організм на Землі один раз або протягом довгої історії Землі на неї не раз ще з'являлися організми, що дали початок різним фауна і флора, - нова загадка. Всі ці питання залишаються поки без відповіді і чекають своїх дослідників. Основна складність проблеми походження життя на Землі полягає, однак, не в рішенні подібних питань. Складність і винятковий інтерес проблеми полягають у тому, що, за даними сучасної біології, будь-яка жива істота - від самого примітивного до найскладнішого і високоорганізованого - народжується тільки від своїх батьків, тобто від живих же істот. Поява ж первісного організму сталося явно якимось іншим способом: він виник, як вище сказано, на стерильній Землі, до нього нічого живого на Землі ще не було. Як же це могло статися?
Слід враховувати, що на це питання вичерпної відповіді ще немає. Незважаючи на чудові успіхи біологічних, хімічних та фізичних наук, незважаючи на докладне і всебічне знання структурних біохімічних і функціональних основ життєвого процесу, наука ще не має даних, щоб вирішити це питання точно і переконливо.
3. Донаукові уявлення про походження життя
В античний час і в середні століття рівень знань з біології був дуже низьким. Серйозні висновки робилися на підставі поверхневих і недостовірних спостережень. Широким визнанням і поширенням користувалося вчення про зародження живих істот з неживого матеріалу. У той час були широко поширені погляди, що жаби у ставку виникають з мулу або твані, черви - з гною або гниючого м'яса, а мухи, таргани, клопи - з бруду і сміття. Слід при цьому підкреслити, що подібні уявлення панували в головах не тільки простих, неосвічених людей, але вони висувалися і захищалися вченими, що сприяло поширенню та зміцненню цих поглядів. Так, наприклад, видатний фламандський вчений ван Гельмонт (1575-1640) у своїй книзі вказує на можливість зародження мишей з брудної білизни. Інший великий учений тієї ж епохи - лікар-алхімік Парацельс (1485 - 1540) опублікував спосіб штучного приготування людини (гомункулюса).
Нам зараз здаються досить дивними і навіть кумедними подібні ідеї, але в той час до них ставилися з повною довірою. Для того щоб зрозуміти це, потрібно уявити собі ту епоху, її обстановку, її філософію. Це був час розквіту релігії. Для віруючої людини питання про походження життя вирішується просто: вона є божественним творінням, тобто дивом. Поряд з релігією в епоху середньовіччя набули значного розвитку помилкові «науки»: алхімія, астрологія, чорна магія. Люди вірили в існування «каменя мудреців» (філософського каменю), володіння яким нібито наділяє людину безмежним могутністю, здатність перетворювати дешеві метали в золото, воду - на вино, старість - в молодість. Закони природи не були відомі. Вважалося принципово можливим здійснення будь-якого самого фантастичного задуму, для чого, як вважали, було потрібно лише знання рецепту і педантичне виконання всіх приписів.
Не слід думати, що неправильні уявлення в біології - доля далекого середньовіччя. Всього 150 років тому в Петербурзі вийшло чотиритомне твір, в якому описувалося, що жаби виникають з гниючих качок, скорпіони - з порошку висушених скорпіонів, раки - з золи спалених раків. Не забудемо, що такі «знання» поширювалися в той час, коли давно вже було відкрито диференціальне та інтегральне числення в математиці, закони механіки у фізиці, основні закони в хімії. Як видно, розвиток біології ще дуже довго і сильно відставало від розвитку фізико-математичних, точних наук. Видно також, що неправильні уявлення, що виникли ряд століть тому, виявилися дуже живучими. У зв'язку з цим слід високо оцінити зусилля окремих вчених, які зуміли протиставити цьому морю забобони і невігластва факти справжньої науки.
4. Докази неможливості самовільного зародження життя в сучасну епоху
На першому місці слід поставити ім'я італійського лікаря Франческо Реді. У 1668 р . він опублікував результати наступних простих дослідів. У 8 скляних посудин було покладено по шматку свіжого м'яса. Чотири судини були залишені відкритими, а чотири інших були накриті марлею. Через кілька днів у загнили м'ясі з'явилися «черв'яки» (личинки мух). Однак вони з'явилися тільки на м'ясі, що лежав у відкритих посудинах. На м'ясі в судинах, прикритих марлею, черви не було. Це свідчить про те, що черв'яки зароджуються не з самого м'яса (як було прийнято вважати), а з яєць, відкладених у м'ясі мухами. Це був чарівний удар за поданням про мимовільне зародження. Погляди про мимовільне зародження трималися особливо довго в галузі мікробіології. Якщо м'ясний бульйон, або розчин цукру, або ще який-небудь подібний відвар або розчин поставити в тепле місце - все одно, у відкритих або закритих судинах, - у них через кілька днів кишать мікроби. Мікроби знаходяться всюди: у воді, повітрі, землі, в пилу, серед інших організмів, вони з'являються завжди при гнитті і бродінні. Здавалося безперечним, що вся природа просякнута життям і життя проявляється завжди при відповідних умовах тепла і вологості.
Питання про можливість мимовільного зародження мікроорганізмів був дозволений молодим українським вченим М.М. Тереховський (1775). Він показав, що якщо м'ясний бульйон прокип'ятити і посудина запаяти, то в ньому ніяких мікробів не заводиться. Цей досвід, здавалося б, цілком ясно говорив проти самовільного зародження мікробів. Проте вчені в той час визнали дані Тереховського непереконливими, оскільки вважали, що для зародження життя необхідно нібито присутність свіжого повітря.
Питання було остаточно вирішено ще через 80 років. Винятковий інтерес питання про походження життя й про можливість самозародження мікробів спонукав Паризьку академію наук у 1860 р . призначити премію за роботу, яка містить вирішення цього питання. Премія була присуджена хіміку і бактеріологу, чудовому експериментатору Луї Пастеру. Пастер помістив бульйон в склянку з довгим вузьким горлечком S-подібної форми. Тепер повітря в посудину проходив вільно, але мікроби з повітря проникнути в нього не могли, так як вони повинні були осісти в S-образному коліні горлечка. Потім Пастер прокип'ятив бульйон, щоб вбити усіх, хто був у ньому мікробів. Після цього судини були залишені в спокійному місці. Тепер мікроби в них не заводилися. Минали місяці, і вміст судин залишалося стерильним. Варто було, однак, один з таких судин повернути так, щоб містилися в ній бульйоном обмити S-подібне коліно шийки і щоб рідина назад скла в колбу, в ній незабаром же починалося гниття. Це відбувалося тому, що в бульйон потрапляли суперечки і живі мікроби, що знаходилися в S-образної частини шийки. Таким чином, неможливість самовільного зародження мікроорганізмів була переконливо й остаточно доведена.
Походження та початковий розвиток життя на Землі
1.Визначення поняття життя
Спостерігаючи навколишню природу, людина з незапам'ятних часів розділив її на світ живих і неживих тіл. До живим відносяться люди, тварини, рослини; до неживих - каміння, пісок, вода, а також трупи тварин і рослин. Чим же відрізняються живі тіла від неживих? Звичайно, навіть недосвідчений у науці людина легко помічає те загальне, що дозволяє йому віднести до живих істот людини і дерево, кита і павучка, птицю і слимака. І коли простий шліфувальник скла Левенгук вперше побачив під мікроскопом мікробів, він без коливання визнав їх живими істотами. Однак при спробі визначити поняття «живе» і «неживе», як правило, відчувають чималі труднощі навіть досвідчені в науці люди.
Багато хто вважає характерною властивістю живого тіла його здатність до руху. Після смерті воно втрачає рухливість. Однак, якщо б ми зважилися дати визначення живому тілу як тілу, здатному до руху, ми б, звичайно, помилилися, оскільки, з одного боку, відомо безліч безсумнівно живих тіл, але нерухомих, наприклад: губки, майже всі рослини. З іншого боку, відомий ряд тіл, здатних до активного руху, але, безсумнівно, неживих, наприклад всі рухомі машини і механізми, створені людиною. Таким чином, визначити живе тіло по одній здатності його до руху не можна.
Іншою ознакою, що вважається характерним для живих організмів, є їх здатність до дихання. Дихають люди, тварини та рослини. Після смерті дихання зникає. Однак цей критерій також недостатній, тому що, з одного боку, відомі організми, зовсім не споживають кисню (деякі паразитичні черв'яки кишечника, багато найпростіші і мікроби), а з іншого боку, існують неживі системи, активно поглинають кисень і виділяють вуглекислоту (запалена свічка , що працює бензиновий двигун). Будь-яка реакція окислення органічних речовин супроводжується поглинанням кисню і виділенням вуглекислого газу.
Ще одна ознака живих тіл - це здатність їх до розмноження. Дійсно, здатність до породження собі подібних - дуже характерна властивість живого. Однак і ця ознака не може вважатися постійним і вірним ознакою життя, так як, з одного боку, існує ряд безсумнівно живих істот, не здатних до відтворення потомства, наприклад робочі бджоли, мули або кастровані тварини, з іншого боку, сучасна техніка (технічна кібернетика ) може конструювати і створювати машини, здатні відтворювати подібні собі машини.
Ми вибрали три ознаки і бачимо, що жоден з них не є цілком характерним для живих тіл і не може бути використаний як визначення життя.
Як бачимо, охарактеризувати явище життя представляє непросте завдання. Спроби знайти найістотніше в житті і дати її визначення робилися в минулому неодноразово. Серед авторів визначень життя були знамениті вчені, філософи і природознавці: Аристотель, Кант, Ламарк, Кюв'є і багато інших. Серед старих визначень життя немає, однак, жодного скільки-небудь задовільного. Деякі визначення настільки туманні, що немає можливості осягнути їх зміст. Ось, наприклад, одне з таких визначень: «Життя є душа світу, рівняння всесвіту». Інші визначення хоча і більш зрозумілі, але нічого не пояснюють. Так, наприклад, у французькій енциклопедії давалося таке визначення: «Життя є протилежність смерті».
Основоположник наукового комунізму - Фрідріх Енгельс у книзі «Анти-Дюрінг» вказує на успіхи, досягнуті природознавством і дає наступне стало класичним визначення життя: «Життя є спосіб існування білкових тіл, і цей спосіб існування полягає по своїй суті в постійному самооновлення хімічних складових частин цих тіл ». Як бачимо, Енгельс не обмежується одним лише вказівкою на ознаки життя, але він підкреслює найсуттєвіші її риси. Визначення Енгельса складається з двох частин. У першій вказується на характерне для живих тіл, що відрізняє їх від неживих тіл, вміст у них білка. Білки є головною і постійною складовою частиною всіх живих систем - від самих примітивних до найскладніших. «Всюди, де ми зустрічаємо життя, - пише Енгельс, - ми знаходимо, що вона пов'язана з яким-небудь білковим тілом, і всюди, де ми зустрічаємо яке-небудь білкове тіло, що не знаходиться в процесі розкладання, ми без винятку зустрічаємо і явища життя ».
Але білки - речовини з легко змінюваною структурою. Для живого стану характерна присутність не будь-якого білка (труп складається також з білка), але лише білка, який зберігає свою унікальну конфігурацію, свою первинну, вторинну і третинну структури, з притаманними йому природними властивостями. При вмиранні організму білки його втрачають нативну структуру, макромолекули розгортаються і білки переходять у денатуровані стан. Для підтримки білка в нативної, властивою живому станом формі необхідно наявність умов, за яких може бути стійкою нативна форма білка. У другій частині визначення Енгельс і говорить про спосіб існування білка. Цей спосіб - обмін речовин, за допомогою якого створюються і підтримуються умови для збереження білка в нативному стані в живій системі і виконання властивих йому функцій. Визначення життя, сформульоване Енгельсом, прекрасне за формою і глибоке за змістом, суттєво вплинула на розвиток досліджень білка як основного субстрату життя і до цих пір користується широким визнанням.
Після опублікування «Анти-Дюрінга» пройшло вже більше 80 років. За цей період в різних областях природознавства були зроблені великі відкриття. Значні і успіхи науки про життя. Були відкриті нуклеїнові кислоти, відкритий механізм їх редуплікації, з'ясовано їх значення у передачі спадкових властивостей. Виникли нові біологічні науки: біофізика та біохімія, біоніка і молекулярна біологія. У зв'язку з розвитком кібернетики набуло значного поширення моделювання життєвих явищ - конструювання та побудова апаратів, що імітують різні боки життєвого процесу. Були здійснені, нарешті, польоти в космос, і стала реальністю можливість виявлення нових форм життя на інших планетах. Всі ці обставини, природно, стимулювали дослідників на пошуки нових визначень життя, в яких відбилися б новітні досягнення біології.
У нових визначеннях життя, перш за все, знайшли відображення результати проникнення в біологію точних наук: фізики, математики, хімії, кібернетики. Так, наприклад, майже в усіх нових визначеннях життя одним з перших пунктів є вказівка на те, що живе тіло - це відкрита система. Поняття "відкрита система" запозичено з фізики. Під відкритими системами розуміють динамічні (тобто не перебувають у спокої) системи, стійкі за умови безперервного доступу до них енергії і матерії ззовні. Наочним прикладом відкритої системи може служити резервуар, сталість рівня води в якому досягається безперервним надходженням води з крана і безперервним виведенням води у стік. Відкриті системи - це більшість двигунів: автомашини, парові машини, електровози. Всі вони діють за умови безперервного надходження пального або електроенергії ззовні. Живе тіло являє собою, поза сумнівом, також відкриту систему, тому що воно існує, поки в нього надходить енергія і матерія у вигляді їжі із зовнішнього середовища, а покидьки виділяються в навколишнє середовище. Оскільки будь-яке живе тіло - від найпростішого до найскладнішого - відкрита система, то, очевидно, розумно ввести цю характеристику у визначення життя.
Друге універсальну властивість живих тіл - це їх здатність до авторегуляції, здатність автоматично зберігати і підтримувати сталість свого складу та властивості.
Третя особливість живих тіл - це специфіка їх хімічного складу. Крім білка, значення якого для життя вже висунув Енгельс, суттєвою і постійною складовою частиною живих тіл служать нуклеїнові кислоти. У визначенні життя тому, крім вказівки на роль білка в побудові живих систем, підкреслюється також значення і нуклеїнових кислот. Наведемо одне з сучасних визначень життя, постарайтеся його пояснити.
«Живі тіла, що існують на Землі, представляють собою відкриті, саморегульовані і самовідтворюються системи, побудовані з біополімерів - білків і нуклеїнових кислот».
Зверніть увагу на застереження, зроблене автором цього визначення: «Живі тіла, що існують на Землі ...» Очевидно, не виключається можливість, що на інших планетах можуть бути виявлені живі тіла, істотно відрізняються від земних.
2. Відсутність життя на Землі у віддалений період розвитку планети
У перший період існування Землі на ній не було і не могло бути життя. Як відомо, життя можлива за наявності певних умов. Одним з таких умов є температура середовища. Переважна більшість організмів здатне активно існувати в порівняно вузькій зоні температур, приблизно від -20 до +50 ° С. Відхилення в обидві сторони від цієї зони небезпечні для життя.
Між тим, за даними сучасної космології, температура планет, у тому числі і Землі, в початковий період їх існування досягала мільйона і більше градусів. Звичайно, уявити собі можливість існування життя в таких умовах неможливо.
Можна, таким чином, стверджувати, що Земля в початковий період свого існування була мертва і безплідна. Вона була абсолютно стерильна. Тим не менш, на стерильній Землі виникло життя, з'явилися перші організми з усіма атрибутами життя: з обміном речовин, подразливістю, здатністю до розмноження, до еволюції і т. д. Можна припускати, що це найбільша подія в історії Землі - виникнення на ній життя - відбулося приблизно 2-2,5 млрд. років тому.
Як виглядав первісток життя, невідомо. З'явився він у одному екземплярі і потім розмножився, або в різних місцях Землі перші істоти у цей час мали масами, невідомо. Виник чи живий організм на Землі один раз або протягом довгої історії Землі на неї не раз ще з'являлися організми, що дали початок різним фауна і флора, - нова загадка. Всі ці питання залишаються поки без відповіді і чекають своїх дослідників. Основна складність проблеми походження життя на Землі полягає, однак, не в рішенні подібних питань. Складність і винятковий інтерес проблеми полягають у тому, що, за даними сучасної біології, будь-яка жива істота - від самого примітивного до найскладнішого і високоорганізованого - народжується тільки від своїх батьків, тобто від живих же істот. Поява ж первісного організму сталося явно якимось іншим способом: він виник, як вище сказано, на стерильній Землі, до нього нічого живого на Землі ще не було. Як же це могло статися?
Слід враховувати, що на це питання вичерпної відповіді ще немає. Незважаючи на чудові успіхи біологічних, хімічних та фізичних наук, незважаючи на докладне і всебічне знання структурних біохімічних і функціональних основ життєвого процесу, наука ще не має даних, щоб вирішити це питання точно і переконливо.
3. Донаукові уявлення про походження життя
В античний час і в середні століття рівень знань з біології був дуже низьким. Серйозні висновки робилися на підставі поверхневих і недостовірних спостережень. Широким визнанням і поширенням користувалося вчення про зародження живих істот з неживого матеріалу. У той час були широко поширені погляди, що жаби у ставку виникають з мулу або твані, черви - з гною або гниючого м'яса, а мухи, таргани, клопи - з бруду і сміття. Слід при цьому підкреслити, що подібні уявлення панували в головах не тільки простих, неосвічених людей, але вони висувалися і захищалися вченими, що сприяло поширенню та зміцненню цих поглядів. Так, наприклад, видатний фламандський вчений ван Гельмонт (1575-1640) у своїй книзі вказує на можливість зародження мишей з брудної білизни. Інший великий учений тієї ж епохи - лікар-алхімік Парацельс (1485 - 1540) опублікував спосіб штучного приготування людини (гомункулюса).
Нам зараз здаються досить дивними і навіть кумедними подібні ідеї, але в той час до них ставилися з повною довірою. Для того щоб зрозуміти це, потрібно уявити собі ту епоху, її обстановку, її філософію. Це був час розквіту релігії. Для віруючої людини питання про походження життя вирішується просто: вона є божественним творінням, тобто дивом. Поряд з релігією в епоху середньовіччя набули значного розвитку помилкові «науки»: алхімія, астрологія, чорна магія. Люди вірили в існування «каменя мудреців» (філософського каменю), володіння яким нібито наділяє людину безмежним могутністю, здатність перетворювати дешеві метали в золото, воду - на вино, старість - в молодість. Закони природи не були відомі. Вважалося принципово можливим здійснення будь-якого самого фантастичного задуму, для чого, як вважали, було потрібно лише знання рецепту і педантичне виконання всіх приписів.
Не слід думати, що неправильні уявлення в біології - доля далекого середньовіччя. Всього 150 років тому в Петербурзі вийшло чотиритомне твір, в якому описувалося, що жаби виникають з гниючих качок, скорпіони - з порошку висушених скорпіонів, раки - з золи спалених раків. Не забудемо, що такі «знання» поширювалися в той час, коли давно вже було відкрито диференціальне та інтегральне числення в математиці, закони механіки у фізиці, основні закони в хімії. Як видно, розвиток біології ще дуже довго і сильно відставало від розвитку фізико-математичних, точних наук. Видно також, що неправильні уявлення, що виникли ряд століть тому, виявилися дуже живучими. У зв'язку з цим слід високо оцінити зусилля окремих вчених, які зуміли протиставити цьому морю забобони і невігластва факти справжньої науки.
4. Докази неможливості самовільного зародження життя в сучасну епоху
На першому місці слід поставити ім'я італійського лікаря Франческо Реді. У
Питання про можливість мимовільного зародження мікроорганізмів був дозволений молодим українським вченим М.М. Тереховський (1775). Він показав, що якщо м'ясний бульйон прокип'ятити і посудина запаяти, то в ньому ніяких мікробів не заводиться. Цей досвід, здавалося б, цілком ясно говорив проти самовільного зародження мікробів. Проте вчені в той час визнали дані Тереховського непереконливими, оскільки вважали, що для зародження життя необхідно нібито присутність свіжого повітря.
Питання було остаточно вирішено ще через 80 років. Винятковий інтерес питання про походження життя й про можливість самозародження мікробів спонукав Паризьку академію наук у
Роботи Пастера отримали широку популярність і загальне визнання. Багато в чому цьому сприяло їх велике практичне значення. На основі їх були створені методи стерилізації, розроблено вчення про асептики і антисептики, при впровадженні яких у медицину різко знизилися ускладнення і смертність після хірургічних операцій. Велике значення мав цих робіт і для розвитку консервної промисловості.
Після робіт Реді Тереховського, Пастера було одностайно і беззастережно визнано, що будь-який організм, від самого примітивного до найскладнішого і високоорганізованого, народжується тільки від своїх батьків, тобто від живих же організмів. Цей закон був сформульований у вигляді короткого афоризму: «Усе живе з живого». Але відразу ж постало питання: яким же чином виникло життя на Землі, на якій до цього нічого живого не було?
5. Науковий період дослідження питання про походження життя на Землі
Результати дослідів Пастера переконали науковий світ у неможливості самовільного зародження життя з неживої в даний час. Сам же Пастер і багато його сучасників з цих даних зробили висновок про те, що зародження живого з неживого неможливо принципово, тобто ніколи і ні за яких умов. Для того щоб все ж таки пояснити, яким чином могла виникнути життя на Землі, була запропонована гіпотеза вічності життя. Думка полягала в тому, що зародки життя (спори рослин і мікроорганізмів, цисти найпростіших) нібито розсіяні в космічному просторі і переносяться з планети на планету. Гарячим прихильником цього погляду виступив видатний вчений кінця XIX ст. фізико-хімік С. Арреніус - творець теорії електролітичної дисоціації. Цю ж точку зору поділяв великий радянський учений, академік біогеохімік В.І. Вернадський. Існує ряд прихильників цього погляду і в даний час. Вони вказують, що Земля і навколишні її планети ніколи не були повністю ізольовані один від одного. Навпаки, між ними завжди існувала зв'язок і обмін матерією. У середньому на Землю падає близько 1 т метеоритної речовини на добу. Ще більше осідає пилу - до 250 т / добу. Ряд вчених припускають, що разом з метеоритами і пилом на Землю можуть проникнути живі і життєздатні організми: суперечки, пилок рослин, мікроорганізми; цисти найпростіших і т. д. Арреніус висловив припущення, що дрібні зародки життя могли б переноситися в космічному просторі з величезними швидкостями , що досягають декількох тисяч кілометрів на секунду під тиском світла. Звичайно, ця точка зору отримала б серйозну підтримку, якщо б було строго доведено присутність живих організмів у космічного пилу і в метеоритах. В даний час в музеях Європи та Америки зберігається близько 600 метеоритів. Багато з них зазнали докладнішого дослідження. У деяких з них було відкрито присутність органічних речовин. В інших були знайдені структури, що нагадують водорості, в третіх - якісь скам'янілі, невідомі на Землі форми організмів. Пошуки живих організмів у метеоритах були, однак, до цих пір безуспішними.
Проти гіпотези про переселення життя на Землю з інших планет були численні заперечення. Багато хто вважав, що при перенесенні організмів в космічному просторі вони будуть убиті ультрафіолетовими променями, інтенсивність яких у космосі дуже велика. Говорили також, що ніщо живе не в змозі перенести ні низьку температуру космічного простору, ні високу температуру, до якої нагрівається метеорит, коли він пролітає через земну атмосферу. Однак академік А.А. Імшенецький вказав, що мікроорганізми, що сховалися в тріщинах метеорита, можуть бути надійно захищені від ультрафіолетового опромінення, а з дослідів ряду інших вчених з'ясувалося, що багато суперечки та інші висушені організми здатні переносити без шкоди температури, близькі до абсолютного нуля, а також досить високі температури (набагато вище 100 ° С), особливо якщо вони діють короткочасно. Таким чином, всі ці заперечення, мабуть, вирішального значення не мають. Більш істотно інше, принципове заперечення. Якщо б навіть було доведено, що на Землю можуть потрапляти живі організми з метеоритами і, отже, можливо, що життя на Землі виникла шляхом занесення її з інших планет, яким же чином виникло життя на цих інших планетах? За даними космології, історія виникнення та історія розвитку планет близькі між собою. Всі вони проходять стадію зірок, тобто стадію, коли вони являють собою розжарені світяться тіла, і, отже, в цей період температурні умови на їх поверхні абсолютно несумісні з життям. Яким же чином виникло життя на цих планетах? Прийнявши, таким чином, гіпотезу про переселення життя з планети на планету, ми фактично йдемо від вирішення питання про походження життя. Ось чому 'ця гіпотеза, хоч і не позбавлена правдоподібності, не користується визнанням біологів.
Набагато більший інтерес привертає інша точка зору, згідно з якою життя виникло на самій Землі з неорганічної, тобто неживої, матерії. Відповідно до цієї точки зору, розробленої головним чином працями радянського вченого академіка А.І. Опаріна, на Землі і на інших планетах на одному з етапів їх тривалої еволюції виникають умови, при яких стає можливим і навіть неминучим виникнення життя.
Повернемося знову до далекого минулого Землі та інших планет, коли вони являли собою розжарені газоподібні кулі. У порівнянні з масою Сонця маси планет були невеликі. Тому термоядерні реакції закінчилися на них раніше, ніж на Сонце, і планети почали остигати. Вони продовжували обертатися, і що містяться в них важкі атоми (нікелю, заліза) концентрувалися в центрі, більш легкі атоми (кремнію, алюмінію) збиралися в середні верстви, а найлегші атоми (водню, вуглецю, азоту, кисню) розташовувалися на поверхні. Ця обставина є досить багатозначним, тому що з цих легких елементів головним чином і складаються організми.
Коли температура зовнішніх шарів планети впала до 2000 ° С, атоми різних елементів з'єднувалися один з одним і утворювали хімічні сполуки. Водень з киснем дав Н 2 О, водень з вуглецем - метан (СH 4), вуглець з киснем - СО 2, водень з азотом - аміак (NH3), водень, вуглець і азот утворили ціанистоводнева кислоту (HCN) і т. д. Крім з'єднань між різними атомами, вільні атоми водню, азоту і кисню з'єднувалися в молекули Н 2, N 2, О 2. Минуло ще багато тисячоліть (або, може бути, мільйонів років), перш ніж поверхня планети охолола до такої міри, що почало змінюватися агрегатний стан складових її речовин. Найбільш легкі, низкокипящие, сполуки водню, вуглецю, азоту і кисню - Н 2, N 2, CH4, СО 2 та інших - газоподібні в широкому інтервалі температур. Багато хто з них існують і до цих пір на Землі в газоподібному стані. Вони утворюють самий зовнішній шар Землі - її атмосферу. Більш висококиплячі речовини перетворювалися в рідині, потім вони затвердевали. Утворилася кора - спочатку тонка і крихка, потім все більш масивна і міцна. Цілість кори часто порушувалася: вона спучується від вибухів, що стрясали її надра, в різних місцях утворювалися кратери, і з них на поверхню Землі вивергалися маси розпеченої лави. На поверхні планети утворилися гори і глибокі западини. Поверхня її ще довго залишалася дуже гарячою. Умови, що панували на Землі в ту далеку епоху, можливо, нагадують умови, які існують в даний час на Венері. Як відомо, радянська міжпланетна станція «Венера-4» плавно опустилася «а поверхня Венери і провела ряд досліджень властивостей атмосфери цієї планети і її поверхні. Температура на поверхні Венери виявилася рівною 280 ° С. При такій температурі олово знаходиться в рідкому стані, а вода - у вигляді пари. У ту епоху, коли температура на поверхні Землі була такою, яка вона зараз на Венері, на Землі не було води. Над Землею на сотні кілометрів стояли густі хмари водяної пари.
Коли температура на поверхні Землі стала нижче 100 ° С, почалися проливні дощі. Вони йшли день і ніч протягом тисячоліть, вода наповнювала западини на земній поверхні, і утворилися моря і океани. У гарячій дощовій воді розчинялися NH 3, CO 2, CH 4, HCN з атмосфери, а також солі та інші речовини, що вимиваються з поверхневих шарів Землі. У ту далеку епоху Сонце світило яскравіше, ніж тепер, і випромінювання Сонця являло потужне джерело енергії. Грози в той час були часті й незвичні за своєю силою, і в поверхню Землі раз у раз били блискавки. У таких умовах між речовинами, розчиненими в первісному океані, неминуче повинні були відбуватися хімічні реакції, в результаті яких могли утворитися органічні сполуки.
Першим кроком на шляху виникнення життя на Землі став небиологический (абіогенний) синтез органічних молекул з неорганічних.
Для вивчення хімічних реакцій, які могли відбуватися на Землі в умовах, що існували на ній кілька мільярдів років тому, американський хімік Міллер сконструював апарат. У апарат (через кран А) вводяться деякі речовини, які могли перебувати у воді первісного океану: Н 2 О, СО 2) NH 3, CH4. Колбочка (Б) підігрівається, і вода в ній кипить, водяна пара заповнює апарат, і температура в ньому підтримується близько 80 ° С. У розширеній частині апарату в стінки упаяні 2 електрода і пропускається струм, що дає іскри. У холодильнику водяна пара конденсується у воду, яка стікає назад в колбу. Апарат добре герметизований і працює безперервно протягом багатьох годин. Вже в перші дні було відзначено зміна кольору рідини в колбі: з безбарвної вона стала жовтою, а під кінець тижня темно-коричневою. При аналізі розчину в ньому було виявлено присутність великої кількості різноманітних органічних сполук: спиртів, альдегідів, кислот, цукрів, амінокислот та ін Схожі результати були отримані радянськими вченими Пасинскім та Павлівської. Вони досліджували вплив фактора, дія якого в початкові періоди існування Землі було, ймовірно, ще більшим, ніж електричні розряди, - ультрафіолетового випромінювання.
Цілком ясно, таким чином, що на Землі в давню епоху могло відбуватися утворення органічних сполук. Органічні молекули вступали у взаємодію один з одним і утворювали більш складні з'єднання. Протягом мільйонів років виникали і руйнувалися незліченні варіанти нових сполук - від простих до найскладніших і високомолекулярних. Серед них могли бути, мабуть, речовини будь-яких класів органічних сполук: і вуглеводи, і жири, і білки, і нуклеїнові кислоти.
Органічні речовини накопичувалися у воді первісного океану. Вони перебували там спочатку у вигляді дуже розведеного розчину. Але для життя характерно не однорідний розподіл речовини, а згущення його та освіта індивідуальних, відокремлених від зовнішнього середовища систем - організмів. Другим кроком на шляху виникнення життя на Землі був процес концентрування органічних речовин.
Як відбувався цей процес, сказати важко. Можливо, що згустки органічних речовин осідали на прибережному піску або у вигляді піни виділялися на поверхню води. Академік Опарін вважає найбільш вірогідним, що цей процес відбувався в силу властивої всім високомолекулярним речовин здібності мимовільно концентруватися і утворювати так звані коацервати. Явище коацерваціі полягає в тому, що при деяких умовах (наприклад, в присутності електролітів) високомолекулярні речовини відділяються з розчину, але не у формі осаду, а у вигляді розчину ж, але більш концентрованого. Таким чином, розчин, залишаючись рідиною, розшаровується на два не змішуються, розчину, що відрізняються за концентрацією високомолекулярної речовини. Більш концентрований розчин і називається коацерватів.
При струшуванні коацервата він розбивається на дрібні крапельки. Крапельки коацервата представляють собою багатомолекулярних систему, що має найпростішої організацією. Завдяки більш високій концентрації органічних речовин у коацерватами і, отже, більш тісного розташування молекул можливість їх взаємодії між собою різко збільшується. Таким чином, завдяки концентрування органічних речовин можливості органічного синтезу значно розширюються.
Дослідження академіка А.І. Опаріна показали, що крапельки коацервата виявляють ряд властивостей, які зовні нагадують властивості живої системи: вони, наприклад, здатні поглинати з навколишнього розчину різні речовини. Це нагадує процес харчування. У результаті поглинання речовин крапельки коацервата збільшуються в розмірах. Зовні це схоже з процесом зростання клітини. Можна підібрати такі умови досвіду, при яких речовини поглинені будуть вступати між собою в реакцію, а продукти цієї реакції будуть виділятися з коацервата в навколишнє середовище. Це схоже на процес виділення з клітини продуктів обміну речовин. На думку А.І. Опаріна, між крапельками коацервата відбувається навіть щось, що нагадує боротьбу за існування, в результаті якої в цілості залишаються крапельки, більш стійкі, більш пристосовані до навколишнього середовища.
Хоча коацервати і за своєю формою, і за деякими властивостями зовні нагадують живі об'єкти, вони є, звичайно, неживими утвореннями. У них ще відсутня головна ознака живого організму - здатність до відтворення одних і тих самих молекул, що входять до його складу, в них немає ще такої характерної для живої системи здатність до самооновлення свого складу.
Третьою і останньою сходинкою до створення життя і стало виникнення процесу самовідтворення молекул.
Полінуклеотиди - ДНК і РНК, володіють чудовою здатністю їх до редуплікації. Полінуклеотиди містяться на всіх щаблях еволюції у всіх живих системах, від найпростіших до найскладніших - від вірусів до нервових клітин людини. Можливо, що першими самовідтворювалися молекулами могли бути також полінуклеотиди. Первісні полінуклеотіди були, напевно, значно простіше, ніж сучасні, і містили всього один-два десятки ланок. Процес редуплікації відбувався у них, ймовірно, повільніше, ніж у наш час. Однак збірка на молекулі такий же по складу і структурі іншої молекули означала виникнення нового принципу хімічного синтезу - матричного синтезу, настільки характерного для живих систем.
Звичайно, в історії цього переходу від коацервата до найпростішої системі, здатної до самовідтворення, багато що ще неясно. У цьому процесі у сучасних нам клітин беруть участь, крім самовідтворюваної молекули, також ферменти, що каталізують процес «зшивання» полінуклеотидів. Для здійснення цього процесу необхідно також присутність молекул АТФ, що поставляє енергію. Втім, можливо, що всі ці необхідні компоненти процесу самовідтворення були у воді первісного океану і поглиналися крапельками коацервата. Можливо, що первісні істоти були подібні сучасним вірусів, які за своїм складом представляють собою майже чистий полинуклеотид. Щоправда, сучасні віруси здатні розмножуватися тільки усередині живої клітини. Можливо, однак, що на зорі життя предки нинішніх вірусів могли розмножуватися в крапельках коацервата, так як у них могли бути всі необхідні для цього умови.
У процесі відтворення полінуклеотидних молекул в деяких випадках виникають «помилки», тобто нова молекула полінуклеотіди не цілком точно копіює вихідну. Надалі, проте, відбувається копіювання вже цієї нової, зміненої молекули. Таким чином, виникають зміни, звані мутаціями. Частота їх різко підвищується при дії випромінювань, особливо іонізуючих випромінювань.
Первісні організми за способом живлення були справжніми гетеротрофами, тому що вони використовували вже готові органічні речовини. Харчування в цей період ще не було гострої проблемою: первинний океан містив достатню кількість різноманітних сполук. Принаймні розмноження організмів запаси органічних речовин, однак, вичерпувалися, а синтез нових не встигав за потребою. Почалася боротьба за їжу, в якій виживали більш активні, більш стійкі та пристосовані. Випадково придбані в результаті спадкових змін захисні пристосування, або особливості будови, або особливості характеру обміну речовин закріплювалися відбором, якщо вони давали, хоча б невеликі переваги вижити. Мабуть, саме в результаті дії відбору закріплювалися багато властивостей живих утворень, що призвели до перетворення первинних організмів в сучасні віруси і клітини. Так, наприклад, утворилася захисна оболонка навколо нуклеїнової кислоти у вірусів або виник шар цитоплазми навколо ядра, утворилася поверхнева мембрана у клітин і т. д.
Великим кроком на шляху еволюції життя було виникнення автотрофного харчування. В умовах все зменшуються запасів органічних сполук у деяких організмів виникла здатність до самостійного синтезу органічних сполук з простих неорганічних речовин навколишнього середовища. Енергію, необхідну для такого синтезу, деякі організми стали звільняти шляхом найпростіших хімічних реакцій окислення і відновлення. Так виник хемосинтез, який і в даний час є джерелом енергії в деяких бактерій.
Але особливо великим прогресивною зміною типу ароморфоза було виникнення фотосинтезу. Видиме світло Сонця представляв невичерпний, постійне джерело енергії. Мабуть, ще на зорі життя у якихось організмів виникли забарвлені молекули, попередники сучасного хлорофілу, каталізувати реакцію фотолізу води, синтезу АТФ і НАДФхН 2 з використанням сонячної енергії. Виникнення і розвиток фотосинтезу справила величезний вплив на подальшу еволюцію життя. У період виникнення життя, як в атмосфері, так і в океані не залишилося вільного кисню: цей активний елемент був пов'язаний іншими елементами і перебував у складі різних неорганічних речовин. Тому спочатку організми отримували енергію шляхом без кисневих реакцій органічних речовин. Цей шлях отримання енергії, як ми знаємо, малоефективний і вимагає великої кількості їжі. З розвитком фотосинтезу і появою в атмосфері і воді вільного кисню виник новий шлях звільнення енергії - кисневий шлях розщеплення. Кисневий процес приблизно в 20 разів ефективніше без кисневого, і організми, які виробили здатність до дихання, стали швидко й успішно розвиватися.
Фотосинтез сприяв розвитку життя на Землі ще іншим шляхом. Справа в тому, що Земля в період виникнення на ній життя піддавалася інтенсивному впливу випромінювання Сонця, яке було згубно для життя. Вода поглинає випромінювання, тому життя спочатку була можливою тільки в океані. У міру розвитку фотосинтезуючих організмів та накопичення кисню частина його перетворювалася на озон, який має здатність інтенсивно поглинати ультрафіолетове та іонізуюче випромінювання. У результаті на Землю потрапляло все менше і менше згубного випромінювання і стала можливим життя на суші. Життя «вийшла» з води і розповсюдилася по всій поверхні Землі.
Часто запитують: «Чи можливе виникнення життя на Землі небіологічних шляхом у наш час?» Мабуть, неможливо, так як, якби де-небудь відбулося утворення органічних речовин, вони негайно були б поглинуті гетеротрофних організмами. У наш час живі тіла виникають тільки біологічним шляхом, тобто в процесі народження від подібних собі істот.
Список літератури
1. Азімов А. Коротка історія біології. М., 1997.
2. Кемп П., Армс К. Введення в біологію. М., 2000.
3. Лібберт Е. Загальна біологія. М., 1978 Льоцці М. Історія фізики. М., 2001.
4. Найдиш В.М. Концепції сучасного природознавства. Навчальний посібник. М., 1999.
5. Небел Б. Наука про навколишнє середовище. Як влаштований світ. М., 1993.
Після робіт Реді Тереховського, Пастера було одностайно і беззастережно визнано, що будь-який організм, від самого примітивного до найскладнішого і високоорганізованого, народжується тільки від своїх батьків, тобто від живих же організмів. Цей закон був сформульований у вигляді короткого афоризму: «Усе живе з живого». Але відразу ж постало питання: яким же чином виникло життя на Землі, на якій до цього нічого живого не було?
5. Науковий період дослідження питання про походження життя на Землі
Результати дослідів Пастера переконали науковий світ у неможливості самовільного зародження життя з неживої в даний час. Сам же Пастер і багато його сучасників з цих даних зробили висновок про те, що зародження живого з неживого неможливо принципово, тобто ніколи і ні за яких умов. Для того щоб все ж таки пояснити, яким чином могла виникнути життя на Землі, була запропонована гіпотеза вічності життя. Думка полягала в тому, що зародки життя (спори рослин і мікроорганізмів, цисти найпростіших) нібито розсіяні в космічному просторі і переносяться з планети на планету. Гарячим прихильником цього погляду виступив видатний вчений кінця XIX ст. фізико-хімік С. Арреніус - творець теорії електролітичної дисоціації. Цю ж точку зору поділяв великий радянський учений, академік біогеохімік В.І. Вернадський. Існує ряд прихильників цього погляду і в даний час. Вони вказують, що Земля і навколишні її планети ніколи не були повністю ізольовані один від одного. Навпаки, між ними завжди існувала зв'язок і обмін матерією. У середньому на Землю падає близько 1 т метеоритної речовини на добу. Ще більше осідає пилу - до 250 т / добу. Ряд вчених припускають, що разом з метеоритами і пилом на Землю можуть проникнути живі і життєздатні організми: суперечки, пилок рослин, мікроорганізми; цисти найпростіших і т. д. Арреніус висловив припущення, що дрібні зародки життя могли б переноситися в космічному просторі з величезними швидкостями , що досягають декількох тисяч кілометрів на секунду під тиском світла. Звичайно, ця точка зору отримала б серйозну підтримку, якщо б було строго доведено присутність живих організмів у космічного пилу і в метеоритах. В даний час в музеях Європи та Америки зберігається близько 600 метеоритів. Багато з них зазнали докладнішого дослідження. У деяких з них було відкрито присутність органічних речовин. В інших були знайдені структури, що нагадують водорості, в третіх - якісь скам'янілі, невідомі на Землі форми організмів. Пошуки живих організмів у метеоритах були, однак, до цих пір безуспішними.
Проти гіпотези про переселення життя на Землю з інших планет були численні заперечення. Багато хто вважав, що при перенесенні організмів в космічному просторі вони будуть убиті ультрафіолетовими променями, інтенсивність яких у космосі дуже велика. Говорили також, що ніщо живе не в змозі перенести ні низьку температуру космічного простору, ні високу температуру, до якої нагрівається метеорит, коли він пролітає через земну атмосферу. Однак академік А.А. Імшенецький вказав, що мікроорганізми, що сховалися в тріщинах метеорита, можуть бути надійно захищені від ультрафіолетового опромінення, а з дослідів ряду інших вчених з'ясувалося, що багато суперечки та інші висушені організми здатні переносити без шкоди температури, близькі до абсолютного нуля, а також досить високі температури (набагато вище 100 ° С), особливо якщо вони діють короткочасно. Таким чином, всі ці заперечення, мабуть, вирішального значення не мають. Більш істотно інше, принципове заперечення. Якщо б навіть було доведено, що на Землю можуть потрапляти живі організми з метеоритами і, отже, можливо, що життя на Землі виникла шляхом занесення її з інших планет, яким же чином виникло життя на цих інших планетах? За даними космології, історія виникнення та історія розвитку планет близькі між собою. Всі вони проходять стадію зірок, тобто стадію, коли вони являють собою розжарені світяться тіла, і, отже, в цей період температурні умови на їх поверхні абсолютно несумісні з життям. Яким же чином виникло життя на цих планетах? Прийнявши, таким чином, гіпотезу про переселення життя з планети на планету, ми фактично йдемо від вирішення питання про походження життя. Ось чому 'ця гіпотеза, хоч і не позбавлена правдоподібності, не користується визнанням біологів.
Набагато більший інтерес привертає інша точка зору, згідно з якою життя виникло на самій Землі з неорганічної, тобто неживої, матерії. Відповідно до цієї точки зору, розробленої головним чином працями радянського вченого академіка А.І. Опаріна, на Землі і на інших планетах на одному з етапів їх тривалої еволюції виникають умови, при яких стає можливим і навіть неминучим виникнення життя.
Повернемося знову до далекого минулого Землі та інших планет, коли вони являли собою розжарені газоподібні кулі. У порівнянні з масою Сонця маси планет були невеликі. Тому термоядерні реакції закінчилися на них раніше, ніж на Сонце, і планети почали остигати. Вони продовжували обертатися, і що містяться в них важкі атоми (нікелю, заліза) концентрувалися в центрі, більш легкі атоми (кремнію, алюмінію) збиралися в середні верстви, а найлегші атоми (водню, вуглецю, азоту, кисню) розташовувалися на поверхні. Ця обставина є досить багатозначним, тому що з цих легких елементів головним чином і складаються організми.
Коли температура зовнішніх шарів планети впала до 2000 ° С, атоми різних елементів з'єднувалися один з одним і утворювали хімічні сполуки. Водень з киснем дав Н 2 О, водень з вуглецем - метан (СH 4), вуглець з киснем - СО 2, водень з азотом - аміак (NH3), водень, вуглець і азот утворили ціанистоводнева кислоту (HCN) і т. д. Крім з'єднань між різними атомами, вільні атоми водню, азоту і кисню з'єднувалися в молекули Н 2, N 2, О 2. Минуло ще багато тисячоліть (або, може бути, мільйонів років), перш ніж поверхня планети охолола до такої міри, що почало змінюватися агрегатний стан складових її речовин. Найбільш легкі, низкокипящие, сполуки водню, вуглецю, азоту і кисню - Н 2, N 2, CH4, СО 2 та інших - газоподібні в широкому інтервалі температур. Багато хто з них існують і до цих пір на Землі в газоподібному стані. Вони утворюють самий зовнішній шар Землі - її атмосферу. Більш висококиплячі речовини перетворювалися в рідині, потім вони затвердевали. Утворилася кора - спочатку тонка і крихка, потім все більш масивна і міцна. Цілість кори часто порушувалася: вона спучується від вибухів, що стрясали її надра, в різних місцях утворювалися кратери, і з них на поверхню Землі вивергалися маси розпеченої лави. На поверхні планети утворилися гори і глибокі западини. Поверхня її ще довго залишалася дуже гарячою. Умови, що панували на Землі в ту далеку епоху, можливо, нагадують умови, які існують в даний час на Венері. Як відомо, радянська міжпланетна станція «Венера-4» плавно опустилася «а поверхня Венери і провела ряд досліджень властивостей атмосфери цієї планети і її поверхні. Температура на поверхні Венери виявилася рівною 280 ° С. При такій температурі олово знаходиться в рідкому стані, а вода - у вигляді пари. У ту епоху, коли температура на поверхні Землі була такою, яка вона зараз на Венері, на Землі не було води. Над Землею на сотні кілометрів стояли густі хмари водяної пари.
Коли температура на поверхні Землі стала нижче 100 ° С, почалися проливні дощі. Вони йшли день і ніч протягом тисячоліть, вода наповнювала западини на земній поверхні, і утворилися моря і океани. У гарячій дощовій воді розчинялися NH 3, CO 2, CH 4, HCN з атмосфери, а також солі та інші речовини, що вимиваються з поверхневих шарів Землі. У ту далеку епоху Сонце світило яскравіше, ніж тепер, і випромінювання Сонця являло потужне джерело енергії. Грози в той час були часті й незвичні за своєю силою, і в поверхню Землі раз у раз били блискавки. У таких умовах між речовинами, розчиненими в первісному океані, неминуче повинні були відбуватися хімічні реакції, в результаті яких могли утворитися органічні сполуки.
Першим кроком на шляху виникнення життя на Землі став небиологический (абіогенний) синтез органічних молекул з неорганічних.
Для вивчення хімічних реакцій, які могли відбуватися на Землі в умовах, що існували на ній кілька мільярдів років тому, американський хімік Міллер сконструював апарат. У апарат (через кран А) вводяться деякі речовини, які могли перебувати у воді первісного океану: Н 2 О, СО 2) NH 3, CH4. Колбочка (Б) підігрівається, і вода в ній кипить, водяна пара заповнює апарат, і температура в ньому підтримується близько 80 ° С. У розширеній частині апарату в стінки упаяні 2 електрода і пропускається струм, що дає іскри. У холодильнику водяна пара конденсується у воду, яка стікає назад в колбу. Апарат добре герметизований і працює безперервно протягом багатьох годин. Вже в перші дні було відзначено зміна кольору рідини в колбі: з безбарвної вона стала жовтою, а під кінець тижня темно-коричневою. При аналізі розчину в ньому було виявлено присутність великої кількості різноманітних органічних сполук: спиртів, альдегідів, кислот, цукрів, амінокислот та ін Схожі результати були отримані радянськими вченими Пасинскім та Павлівської. Вони досліджували вплив фактора, дія якого в початкові періоди існування Землі було, ймовірно, ще більшим, ніж електричні розряди, - ультрафіолетового випромінювання.
Цілком ясно, таким чином, що на Землі в давню епоху могло відбуватися утворення органічних сполук. Органічні молекули вступали у взаємодію один з одним і утворювали більш складні з'єднання. Протягом мільйонів років виникали і руйнувалися незліченні варіанти нових сполук - від простих до найскладніших і високомолекулярних. Серед них могли бути, мабуть, речовини будь-яких класів органічних сполук: і вуглеводи, і жири, і білки, і нуклеїнові кислоти.
Органічні речовини накопичувалися у воді первісного океану. Вони перебували там спочатку у вигляді дуже розведеного розчину. Але для життя характерно не однорідний розподіл речовини, а згущення його та освіта індивідуальних, відокремлених від зовнішнього середовища систем - організмів. Другим кроком на шляху виникнення життя на Землі був процес концентрування органічних речовин.
Як відбувався цей процес, сказати важко. Можливо, що згустки органічних речовин осідали на прибережному піску або у вигляді піни виділялися на поверхню води. Академік Опарін вважає найбільш вірогідним, що цей процес відбувався в силу властивої всім високомолекулярним речовин здібності мимовільно концентруватися і утворювати так звані коацервати. Явище коацерваціі полягає в тому, що при деяких умовах (наприклад, в присутності електролітів) високомолекулярні речовини відділяються з розчину, але не у формі осаду, а у вигляді розчину ж, але більш концентрованого. Таким чином, розчин, залишаючись рідиною, розшаровується на два не змішуються, розчину, що відрізняються за концентрацією високомолекулярної речовини. Більш концентрований розчин і називається коацерватів.
При струшуванні коацервата він розбивається на дрібні крапельки. Крапельки коацервата представляють собою багатомолекулярних систему, що має найпростішої організацією. Завдяки більш високій концентрації органічних речовин у коацерватами і, отже, більш тісного розташування молекул можливість їх взаємодії між собою різко збільшується. Таким чином, завдяки концентрування органічних речовин можливості органічного синтезу значно розширюються.
Дослідження академіка А.І. Опаріна показали, що крапельки коацервата виявляють ряд властивостей, які зовні нагадують властивості живої системи: вони, наприклад, здатні поглинати з навколишнього розчину різні речовини. Це нагадує процес харчування. У результаті поглинання речовин крапельки коацервата збільшуються в розмірах. Зовні це схоже з процесом зростання клітини. Можна підібрати такі умови досвіду, при яких речовини поглинені будуть вступати між собою в реакцію, а продукти цієї реакції будуть виділятися з коацервата в навколишнє середовище. Це схоже на процес виділення з клітини продуктів обміну речовин. На думку А.І. Опаріна, між крапельками коацервата відбувається навіть щось, що нагадує боротьбу за існування, в результаті якої в цілості залишаються крапельки, більш стійкі, більш пристосовані до навколишнього середовища.
Хоча коацервати і за своєю формою, і за деякими властивостями зовні нагадують живі об'єкти, вони є, звичайно, неживими утвореннями. У них ще відсутня головна ознака живого організму - здатність до відтворення одних і тих самих молекул, що входять до його складу, в них немає ще такої характерної для живої системи здатність до самооновлення свого складу.
Третьою і останньою сходинкою до створення життя і стало виникнення процесу самовідтворення молекул.
Полінуклеотиди - ДНК і РНК, володіють чудовою здатністю їх до редуплікації. Полінуклеотиди містяться на всіх щаблях еволюції у всіх живих системах, від найпростіших до найскладніших - від вірусів до нервових клітин людини. Можливо, що першими самовідтворювалися молекулами могли бути також полінуклеотиди. Первісні полінуклеотіди були, напевно, значно простіше, ніж сучасні, і містили всього один-два десятки ланок. Процес редуплікації відбувався у них, ймовірно, повільніше, ніж у наш час. Однак збірка на молекулі такий же по складу і структурі іншої молекули означала виникнення нового принципу хімічного синтезу - матричного синтезу, настільки характерного для живих систем.
Звичайно, в історії цього переходу від коацервата до найпростішої системі, здатної до самовідтворення, багато що ще неясно. У цьому процесі у сучасних нам клітин беруть участь, крім самовідтворюваної молекули, також ферменти, що каталізують процес «зшивання» полінуклеотидів. Для здійснення цього процесу необхідно також присутність молекул АТФ, що поставляє енергію. Втім, можливо, що всі ці необхідні компоненти процесу самовідтворення були у воді первісного океану і поглиналися крапельками коацервата. Можливо, що первісні істоти були подібні сучасним вірусів, які за своїм складом представляють собою майже чистий полинуклеотид. Щоправда, сучасні віруси здатні розмножуватися тільки усередині живої клітини. Можливо, однак, що на зорі життя предки нинішніх вірусів могли розмножуватися в крапельках коацервата, так як у них могли бути всі необхідні для цього умови.
У процесі відтворення полінуклеотидних молекул в деяких випадках виникають «помилки», тобто нова молекула полінуклеотіди не цілком точно копіює вихідну. Надалі, проте, відбувається копіювання вже цієї нової, зміненої молекули. Таким чином, виникають зміни, звані мутаціями. Частота їх різко підвищується при дії випромінювань, особливо іонізуючих випромінювань.
Первісні організми за способом живлення були справжніми гетеротрофами, тому що вони використовували вже готові органічні речовини. Харчування в цей період ще не було гострої проблемою: первинний океан містив достатню кількість різноманітних сполук. Принаймні розмноження організмів запаси органічних речовин, однак, вичерпувалися, а синтез нових не встигав за потребою. Почалася боротьба за їжу, в якій виживали більш активні, більш стійкі та пристосовані. Випадково придбані в результаті спадкових змін захисні пристосування, або особливості будови, або особливості характеру обміну речовин закріплювалися відбором, якщо вони давали, хоча б невеликі переваги вижити. Мабуть, саме в результаті дії відбору закріплювалися багато властивостей живих утворень, що призвели до перетворення первинних організмів в сучасні віруси і клітини. Так, наприклад, утворилася захисна оболонка навколо нуклеїнової кислоти у вірусів або виник шар цитоплазми навколо ядра, утворилася поверхнева мембрана у клітин і т. д.
Великим кроком на шляху еволюції життя було виникнення автотрофного харчування. В умовах все зменшуються запасів органічних сполук у деяких організмів виникла здатність до самостійного синтезу органічних сполук з простих неорганічних речовин навколишнього середовища. Енергію, необхідну для такого синтезу, деякі організми стали звільняти шляхом найпростіших хімічних реакцій окислення і відновлення. Так виник хемосинтез, який і в даний час є джерелом енергії в деяких бактерій.
Але особливо великим прогресивною зміною типу ароморфоза було виникнення фотосинтезу. Видиме світло Сонця представляв невичерпний, постійне джерело енергії. Мабуть, ще на зорі життя у якихось організмів виникли забарвлені молекули, попередники сучасного хлорофілу, каталізувати реакцію фотолізу води, синтезу АТФ і НАДФхН 2 з використанням сонячної енергії. Виникнення і розвиток фотосинтезу справила величезний вплив на подальшу еволюцію життя. У період виникнення життя, як в атмосфері, так і в океані не залишилося вільного кисню: цей активний елемент був пов'язаний іншими елементами і перебував у складі різних неорганічних речовин. Тому спочатку організми отримували енергію шляхом без кисневих реакцій органічних речовин. Цей шлях отримання енергії, як ми знаємо, малоефективний і вимагає великої кількості їжі. З розвитком фотосинтезу і появою в атмосфері і воді вільного кисню виник новий шлях звільнення енергії - кисневий шлях розщеплення. Кисневий процес приблизно в 20 разів ефективніше без кисневого, і організми, які виробили здатність до дихання, стали швидко й успішно розвиватися.
Фотосинтез сприяв розвитку життя на Землі ще іншим шляхом. Справа в тому, що Земля в період виникнення на ній життя піддавалася інтенсивному впливу випромінювання Сонця, яке було згубно для життя. Вода поглинає випромінювання, тому життя спочатку була можливою тільки в океані. У міру розвитку фотосинтезуючих організмів та накопичення кисню частина його перетворювалася на озон, який має здатність інтенсивно поглинати ультрафіолетове та іонізуюче випромінювання. У результаті на Землю потрапляло все менше і менше згубного випромінювання і стала можливим життя на суші. Життя «вийшла» з води і розповсюдилася по всій поверхні Землі.
Часто запитують: «Чи можливе виникнення життя на Землі небіологічних шляхом у наш час?» Мабуть, неможливо, так як, якби де-небудь відбулося утворення органічних речовин, вони негайно були б поглинуті гетеротрофних організмами. У наш час живі тіла виникають тільки біологічним шляхом, тобто в процесі народження від подібних собі істот.
Список літератури
1. Азімов А. Коротка історія біології. М., 1997.
2. Кемп П., Армс К. Введення в біологію. М., 2000.
3. Лібберт Е. Загальна біологія. М., 1978 Льоцці М. Історія фізики. М., 2001.
4. Найдиш В.М. Концепції сучасного природознавства. Навчальний посібник. М., 1999.
5. Небел Б. Наука про навколишнє середовище. Як влаштований світ. М., 1993.