Федеральне агентство з освіти
Південно - Уральський Державний Університет
Факультет фізичної культури і спорту
Кафедра теорії та методики фізичної культури і спорту
Курсова робота
З дисципліни: концепції сучасного природознавства
Сучасні концепції виникнення життя
Виконав студент
групи ФКіС - 237
Стрижов Артем Миколайович
Перевірив: Полтінкіна І.В.
Челябінськ - 2005
Зміст
Введення
Глава I. Огляд літератури
§ 1.1 Гіпотеза Крику - Оргела
§ 1.2 Про можливості випадкового посіву
§ 1.3 Теорія Ю. А. Коляснікова
§ 1.4 Теорія У. Мартіна і М. Рассела
§ 1.5 Гіпотеза Сванте Арреніуса
§ 1.6 Гіпотеза А.І Опаріна
Глава II. Дослідно - експериментальна частина
§ 2.1 Абіотичні синтез біомономеров
§ 2.2 Абіотичні синтез полімерів
Висновок
Список літератури
Введення
Гіпотези - це ліси, які зводять
перед будівлею і зносять, коли будинок готовий.
І. В. Гете
Життя - це найпрекрасніше і в кінцевому підсумку найважливіше з усього того, що існує на нашій планеті. Наукове розкриття таємниць живої природи має виняткове, вирішальне значення як у теоретичному, світоглядному відношенні, так і у всіх тих галузях практичної діяльності людини, де він має справу з живими об'єктами, - в області медицини, сільського господарства та ряду галузей промисловості.
Проблема сутності життя не може бути раціонально дозволена без розуміння її виникнення та розвитку. Панував ще недавно в природознавстві механістичний матеріалізм, ігноруючи це положення, марно намагався пізнати живий організм як якийсь складний механізм, розбираючи його, як годинник, на окремі гвинтики і коліщатка і на підставі вивчення цих деталей прагнучи пізнати жива істота як ціле.
Звичайно, детальний аналіз речовин і явищ, властивих живим тілам, надзвичайно важливий, абсолютно необхідний для правильного розуміння життя. Блискучі успіхи сучасної біохімії і біофізики є наочним доказом цього. Але як би глибоко і повно ми не пізнали речовини, структури і процеси, що лежать в основі організації сучасних живих тіл, ми ніколи, виходячи тільки з одного цього, не зможемо відповісти на питання, чому ця організація є саме такою, якою вона є, в Зокрема такий «доцільною», тобто організацією, при якій будову всіх складових організм частин (молекул, органоїдів і органів) так зовсім пристосоване до виконуваних ними функцій, а весь організм як ціле пристосований до існування в даних умовах зовнішнього середовища.
Всі релігійні вчення бачать причину цієї доцільності у творчій волі творця, який породив життя згідно з певним планом і направив
її прогресивний розвиток до єдиної фінальної мети, до кінцевого досконалості. Такої точки зору дотримуються, однак, не тільки теологи, а й представники інших ідеалістичних навчань (холісти, фіналісти, Органіцісти).
Тільки на основі діалектико-матеріалістичних уявлень, розглядають життя як особливу якісно нову форму організації і руху матерії, що виникла колись у процесі еволюційного розвитку матерії, можна раціонально підійти до вирішення проблеми походження життя.
Успіхи, досягнуті в даний час в різних областях сучасного природознавства, дозволяють нам на зазначеній основі наповнити конкретним змістом і першу частину нашої формули, розкрити ті шляхи, якими відбувалося виникнення життя з неживої матерії.
У різних пунктах Всесвіту, на різних об'єктах нашого зіркового світу еволюційний розвиток матерії здійснювалося і здійснюється різними шляхами і в різних темпах. Тому в схемі ми не повинні його собі уявляти як якусь пряму лінію, а скоріше як цілий пучок різних шляхів, окремі відгалуження яких можуть приводити до дуже складних, досконалим, але глибоко різних між собою форм організації і руху матерії.
Вивчення зародження життя на Землі являє собою дослідження лише одного прикладу події, яка повинна була відбуватися в світі незліченну кількість разів. Тому з'ясування питання про те, як з'явилося життя на Землі, безумовно, повинно служити переконливим доказом на користь теорії про існування життя і на інших об'єктах Всесвіту.
Глава I. Огляд літератури
§ 1.1 Гіпотеза Крику - Оргела
Пізніше ідею панспермії в дуже рішучій формі - як доставку життя до мертвої Землі на космічному кораблі - висунули Ф. Крік і Л. Оргел.
І в цьому випадку виступили вчені, думка яких важко ігнорувати. Наприклад, Френсіс Гаррі Комптон Крік (нар. 1916) - англійський біофізик і генетик, лауреат Нобелівської премії. У 1953 р. спільно з Дж. Уотсоном він створив модель структури ДНК (подвійну спіраль), що поклало початок молекулярної генетики. Є автором праць з розшифрування генетичного коду, на нейрофізіології та ін Погляди Крику і Оргела підтримуються рядом інших вчених.
Однак, комуністична наука не вважала такі погляди матеріалістичними і на корені відкидала їх, подібно ідеї божественного творіння. Більшість радянських вчених вважало, що ідея панспермії - це лише відхід від вирішення проблеми походження життя.
У пам'яті ще не стерлася історія генетики і кібернетики, обов'язок відкидати комуністичної наукою, а тепер визначають вершини наукового прогресу. Чи не чекає такий же шлях і науки про походження життя? Ймовірно, тут не обійтися без боротьби думок, але хіба правильне розуміння біологічної історії менш істотно, ніж інші фундаментальні проблеми?
Для земної науки виявилася непосильною загадка 100%-ної дзеркальної асиметрії біологічних молекул. До неї приєдналися загадки єдності амінокислотного набору, генетичного алфавіту і коду, «енергетичної валюти» у вигляді АТФ. Комплекс фундаментальних загадок земного життя довершив відсутністю очікуваної передбіологічній еволюції. Але фундаментальні загадки разом зникають, якщо визнати цілеспрямоване занесення перших клітин на Землю ззовні. Тоді виявляється точну відповідність між теоретичними очікуваннями і реальними фактами.
Така ж ситуація з поглядами А.І. Опаріна. Всі перераховані особливості ранніх етапів еволюції (однотипна хіральність біомолекул, однаковий набір амінокислот, єдині генетичний алфавіт, генетичний код і АТФ, відсутність передбіологічній еволюції) суперечать очікуванням, тільки якщо стояти на грунті гіпотези А.І. Опаріна про зародження життя на Землі. Досить перейти до гіпотези панспермії, як ці суперечності разом відпадають.
Якщо раніше гіпотеза О.І. Опаріна вступала в конфлікт, головним чином, з фактами біохімії, то після успіхів Мікропалеонтологія архею стало ясно, що їй суперечить і цей розділ науки. Біда не в тому, що виявилося непропорційно довгий формування клітинного ядра. Важливо, що в палеонтологічного літопису взагалі не знайшлося місця для тривалої передбіологічній еволюції, неминучої у випадку природного виникнення життя на Землі. При цьому наступні палеонтологічні відкриття не здатні змінити ситуацію.
Наприклад, якби з'ясувалося, що одноклітинні еукаріоти з'явилися раніше, ніж ми думаємо сьогодні (скажімо, 3,3-3,5 млрд. років тому), то малому часу передбіологічній еволюції стало б суперечити занадто довгий формування багатоклітинних організмів на основі одноклітинних еукаріотів ( в такому випадку виявилося б, що багатоклітинні формувалися близько 2 млрд. років).
Палеонтологічні дані про терміни виникнення життя поставили дилему:
- Або життя виникло на Землі сама собою, але це сталося з немислимо високою швидкістю, через що процес не залишив слідів в палеонтологічного літопису,
- Або життя занесене на Землю ззовні.
На вирішення цієї дилеми істотно впливає парадокс молекулярної асиметрії земного життя. Навіть якщо б передбіологічній еволюція, всупереч усьому, тривала, скажімо, 100-200 тисяч років, що могло б не залишити палеонтологічних слідів, то й тоді попередниками біохімічних процесів могли з'явитися лише звичайні хімічні реакції, не виявляють переваги до молекул певної хіральності. Інакше кажучи, незалежно від тривалості предбіологічною етапу, на Землі обов'язково залишилися б сліди життя з різними типами хіральності молекул.
І навпаки - якщо передбіологічній еволюція протікала на іншій планеті, то немає і проблем хіральності, марно шукати на Землі спадщина суто хімічних процесів у вигляді рівного (або нерівного) участі в живій матерії молекул лівої і правої симетрії. Якщо ці сліди і збереглися, то знаходяться поза Землею.
Відомо, що земні організми використовують два різних генетичних коду. Перший з них-власне код генів на ДНК, а другий - це структурогенний код просторового розташування генів в ядрі. Перший код використовується в усіх організмах, другий - тільки у еукаріотів. Перший код явно виник не на Землі, а був занесений сюди, другий - так само незаперечно є продуктом місцевої, земної еволюції.
Порівняння цих двох випадків особливо підкреслює привнесеності першого коду та автономне походження другого. Тоді як палеонтологія не виявляє періоду формування першого коду, на виникнення другого витрачені мільярди років від виникнення життя до появи перших еукаріот. І тоді, як біологія не бачить ступенів формування коду ДНК, детально простежуються етапи становлення генетичної системи еукаріот.
При поверхневому погляді може здатися, що вихідна позиція вченого - згоду чи незгоду з можливістю занесення життя з космосу - не здатна вплинути на підсумок досліджень. Мовляв, все одно, врешті-решт, потрібно дізнатися, як виникло живе з неживого. Але ні! Вихідна позиція, вихідні обмеження мають величезне, принципове значення!
Уявімо, що після вивчення гірських кряжів обжитих континентів вчені стали досліджувати поховані під льодом гори Елсуорта в Антарктиді. І раптом в гірському масиві Вінсон виявили верхівку гори, складену з полірованих гранітних плит! Одні вчені стали думати - як такі плити могли туди потрапити? А інші, оскільки в Антарктиді не відомо цивілізацій, відразу мілини можливість їх штучного походження і зайнялися пошуком умов, що ведуть до природного формування гірської вершини з гладких гранітних блоків. Легко уявити собі, в які нетрі завели б такі пошуки!
Аналогічна ситуація склалася зі спробами пояснити природне виникнення життя на Землі. Дослідники натрапили на незаперечні факти, що суперечать гіпотезі А.І. Опаріна, але добре зрозумілі ідеєю панспермії. І тільки ідеєю панспермії. Як же реагувати на це?
§ 1.2 Про можливості випадкового посіву
Для розуміння перших етапів життя на Землі та її подальшого розвитку важливо знати не тільки, чи мала місце панспермия, але якщо вона відбулася, то в якому варіанті? Чи був це випадковий перенесення дрібних клітин через космос, або перенесення їх метеоритами, як уявляли собі багато прихильників ідеї панспермії, або ж це була цілеспрямована доставка на космічному кораблі спеціально підібраних мікроорганізмів у відповідності зі сценарієм Ф. Кріка і Л. Оргела?
Літературні дані дозволяють уточнити ситуацію. Один з напрямків досліджень було пов'язано з вивченням можливості випадкового перенесення життєздатних клітин через космос.
Після того, як П.М. Лебедєв експериментально довів, що світло чинить тиск, С. Арреніус розрахував, що під тиском сонячних променів суперечки з поперечником 1,5-2 мкм можуть за 14 місяців покинути межі нашої планети. Пізніше американський учений К. Саган вказував, що частинки розміром 0,2-0,6 мкм можуть бути винесені з Землі світловим тиском і за кілька тижнів можуть досягти орбіти Марса. Орбіти Нептуна вони можуть досягти через кілька років, а до найближчих зірок долетіти за кілька десятків років. При цьому він виходив з припущення, що суперечки рухаються прямолінійно з досить високою швидкістю.
Проте подібні припущення відпадають, якщо згадати, що на орбіті Землі ультрафіолетова радіація Сонця має густина 1,4 * 10 6 ерг на 1 см 2 / с. Навіть якщо допустити нереально високу швидкість переміщення суперечка в космічному просторі, рівну чверті швидкості світла, то політ до Марса займе близько 1000 секунд. Тоді доза опромінення складе 1,4 * 10 9 ерг / см 2, що у багато разів вище смертельної дози 10 2 -10 червня ерг / см 2 [Рубенчик, 1983].
Оскільки з'ясувалося, що ультрафіолетова радіація Космосу гарантовано вбиває незахищені клітини (більшість видів клітин не може переносити і вплив вакууму), особливу увагу привернули метеорити, здатні стати для мікроорганізмів як би транспортними контейнерами.
Щодоби Земля приймає значну масу цього космічного речовини. За рік випадає від 10 тис. до 1 млн. метеоритів і багато метеоритного пилу. Вага метеоритів коливається від міліграмів до десятків тонн. Головне, що відрізняє метеорити від земних гірських порід, це утримання в метеоритному речовині заліза з домішкою нікелю. За кількістю Fe метеорити поділяються на залізні, залізокам'яні і кам'яні. Найбільше на Землю потрапляє кам'яних метеоритів (близько 90%), тоді як залізних - близько 5-6%.
У залізних метеоритах метал піддавався впливу температур вище 1500 ° С, а потім, як вважають деякі дослідники, протягом десятків мільйонів років розплавлена маса охолоджувалася і кристалізувалася.
Для пояснення унікальних особливостей структури метеоритів доводиться зробити висновок, що речовина, що минув глибоке плавлення, складає в них лише деяку частину. Як правило, плавлення при високій температурі піддавалася лише мала частка речовини, що знаходилася при зіткненні початкових частинок безпосередньо в зоні контакту. Головним формуючим процесом для них було повільне, що тривало мільйони років, спікання дрібних частинок у вакуумі під дією сил адгезії і космічних випромінювань.
У цьому сенсі мікроструктура метеоритів близька не до моноліту чавунної відливки, а до мікроструктурі твердосплавних інструментів з «побідиту», що виготовляються шляхом пресування дрібних гранул при температурі, набагато нижче їхньої точки плавлення. І твердосплавні пластинки, і метеорити, на мікрорівні є губчасту структуру, пронизану густою мережею капілярів. Це дуже важливо з точки зору можливого перенесення Життя через Космос.
Особливий інтерес представляють вуглецеві хондрити, пов'язані з кам'яним метеоритів. Крім заліза, вони містять сірку, зв'язану воду і до 5% вуглецю у вигляді різних органічних сполук. Це бітумообразние речовини, що містять вуглеводні, ароматичні і жирні кислоти, сіро-і хлорсодержащие органічні сполуки, вуглеводи та інших
У хондритах знайдені амінокислоти, присутні в земних організмах (гліцин, аланін, глутамінова кислота та ін), а також амінокислоти, не властиві їм. Наприклад, в метеориті Мурчісон виявлені не використовувані земними організмами амінокислоти 2-метілаланін і саркозин. (Цікаво, що 2-метілаланін і саркозин також виявилися синтезованими в дослідах, при яких моделювалися умови первісної Землі).
Мікроорганізми шукали в метеоритах ще в минулому сторіччі. У 1864 р. поблизу французького селища Оргейль впав великий метеорит. Луї Пастер сконструював спеціальний зонд для стерильного вилучення проб з внутрішніх частин метеорита. Однак посіви на живильні середовища дали негативний результат - життєздатні мікроорганізми не були виявлені. У 1921 р. У Галіпп і Ж. Суфлянд обстежили 21 метеорит різних типів і виявили в них як рухомі, так і нерухомі мікроорганізми.
У 1932 р. Ц. Ліпман провів дослідження внутрішніх зон метеоритів, ретельно стерелізовав перед цим їх поверхні, та виявив в глибині значну кількість бактерій. Були виявлені бактерії і в залозистому Хондрит Оргейль, в якому їх безуспішно шукав Пастер.
У 1961 р. Ф. Сіслер виділив з метеорита Муррей трохи бактерій, які росли на живильних середовищах, але не розвивалися при введенні їх в організми щурів, мишей і курей. Однак при перевірці в 1962 р. М. Н. Бріггсом ці дані не підтвердилися.
У 1962 р. Ч. Байрам і С. Мамедов досліджували один з шматків Сіхоте-Алінський залізного метеорита через 15 років після його падіння і виявили бактеріальну паличку, зберігає життєздатність при підвищеній температурі.
Таким чином, в метеоритах були знайдені життєздатні мікроорганізми. Але чи справді ці мікроорганізми принесені з далекого космосу? Наприклад, Дж. Бернал припустив, що при вулканічних виверженнях земна пил, разом з містяться на ній мікробними клітинами, може линути в міжпланетний простір, зустрічатися там з метеоритами, прилипати до них і з ними повертатися на Землю.
Нарешті, не виключено, що мікроорганізми можуть проникати всередину метеоритів вже після їх падіння. Щоб перевірити цю можливість, в 1970 р. А.А. Імшенецький і С.С. Абизов провели експерименти над зразками гірських порід - туфу, пемзи, тальку, магнезиту, граніту, кам'яного вугілля - розміром 10'10 см. Південно - Уральський Державний Університет
Факультет фізичної культури і спорту
Кафедра теорії та методики фізичної культури і спорту
Курсова робота
З дисципліни: концепції сучасного природознавства
Сучасні концепції виникнення життя
Виконав студент
групи ФКіС - 237
Стрижов Артем Миколайович
Перевірив: Полтінкіна І.В.
Челябінськ - 2005
Зміст
Введення
Глава I. Огляд літератури
§ 1.1 Гіпотеза Крику - Оргела
§ 1.2 Про можливості випадкового посіву
§ 1.3 Теорія Ю. А. Коляснікова
§ 1.4 Теорія У. Мартіна і М. Рассела
§ 1.5 Гіпотеза Сванте Арреніуса
§ 1.6 Гіпотеза А.І Опаріна
Глава II. Дослідно - експериментальна частина
§ 2.1 Абіотичні синтез біомономеров
§ 2.2 Абіотичні синтез полімерів
Висновок
Список літератури
Введення
Гіпотези - це ліси, які зводять
перед будівлею і зносять, коли будинок готовий.
І. В. Гете
Життя - це найпрекрасніше і в кінцевому підсумку найважливіше з усього того, що існує на нашій планеті. Наукове розкриття таємниць живої природи має виняткове, вирішальне значення як у теоретичному, світоглядному відношенні, так і у всіх тих галузях практичної діяльності людини, де він має справу з живими об'єктами, - в області медицини, сільського господарства та ряду галузей промисловості.
Проблема сутності життя не може бути раціонально дозволена без розуміння її виникнення та розвитку. Панував ще недавно в природознавстві механістичний матеріалізм, ігноруючи це положення, марно намагався пізнати живий організм як якийсь складний механізм, розбираючи його, як годинник, на окремі гвинтики і коліщатка і на підставі вивчення цих деталей прагнучи пізнати жива істота як ціле.
Звичайно, детальний аналіз речовин і явищ, властивих живим тілам, надзвичайно важливий, абсолютно необхідний для правильного розуміння життя. Блискучі успіхи сучасної біохімії і біофізики є наочним доказом цього. Але як би глибоко і повно ми не пізнали речовини, структури і процеси, що лежать в основі організації сучасних живих тіл, ми ніколи, виходячи тільки з одного цього, не зможемо відповісти на питання, чому ця організація є саме такою, якою вона є, в Зокрема такий «доцільною», тобто організацією, при якій будову всіх складових організм частин (молекул, органоїдів і органів) так зовсім пристосоване до виконуваних ними функцій, а весь організм як ціле пристосований до існування в даних умовах зовнішнього середовища.
Всі релігійні вчення бачать причину цієї доцільності у творчій волі творця, який породив життя згідно з певним планом і направив
її прогресивний розвиток до єдиної фінальної мети, до кінцевого досконалості. Такої точки зору дотримуються, однак, не тільки теологи, а й представники інших ідеалістичних навчань (холісти, фіналісти, Органіцісти).
Тільки на основі діалектико-матеріалістичних уявлень, розглядають життя як особливу якісно нову форму організації і руху матерії, що виникла колись у процесі еволюційного розвитку матерії, можна раціонально підійти до вирішення проблеми походження життя.
Успіхи, досягнуті в даний час в різних областях сучасного природознавства, дозволяють нам на зазначеній основі наповнити конкретним змістом і першу частину нашої формули, розкрити ті шляхи, якими відбувалося виникнення життя з неживої матерії.
У різних пунктах Всесвіту, на різних об'єктах нашого зіркового світу еволюційний розвиток матерії здійснювалося і здійснюється різними шляхами і в різних темпах. Тому в схемі ми не повинні його собі уявляти як якусь пряму лінію, а скоріше як цілий пучок різних шляхів, окремі відгалуження яких можуть приводити до дуже складних, досконалим, але глибоко різних між собою форм організації і руху матерії.
Вивчення зародження життя на Землі являє собою дослідження лише одного прикладу події, яка повинна була відбуватися в світі незліченну кількість разів. Тому з'ясування питання про те, як з'явилося життя на Землі, безумовно, повинно служити переконливим доказом на користь теорії про існування життя і на інших об'єктах Всесвіту.
Глава I. Огляд літератури
§ 1.1 Гіпотеза Крику - Оргела
Пізніше ідею панспермії в дуже рішучій формі - як доставку життя до мертвої Землі на космічному кораблі - висунули Ф. Крік і Л. Оргел.
І в цьому випадку виступили вчені, думка яких важко ігнорувати. Наприклад, Френсіс Гаррі Комптон Крік (нар. 1916) - англійський біофізик і генетик, лауреат Нобелівської премії. У 1953 р. спільно з Дж. Уотсоном він створив модель структури ДНК (подвійну спіраль), що поклало початок молекулярної генетики. Є автором праць з розшифрування генетичного коду, на нейрофізіології та ін Погляди Крику і Оргела підтримуються рядом інших вчених.
Однак, комуністична наука не вважала такі погляди матеріалістичними і на корені відкидала їх, подібно ідеї божественного творіння. Більшість радянських вчених вважало, що ідея панспермії - це лише відхід від вирішення проблеми походження життя.
У пам'яті ще не стерлася історія генетики і кібернетики, обов'язок відкидати комуністичної наукою, а тепер визначають вершини наукового прогресу. Чи не чекає такий же шлях і науки про походження життя? Ймовірно, тут не обійтися без боротьби думок, але хіба правильне розуміння біологічної історії менш істотно, ніж інші фундаментальні проблеми?
Для земної науки виявилася непосильною загадка 100%-ної дзеркальної асиметрії біологічних молекул. До неї приєдналися загадки єдності амінокислотного набору, генетичного алфавіту і коду, «енергетичної валюти» у вигляді АТФ. Комплекс фундаментальних загадок земного життя довершив відсутністю очікуваної передбіологічній еволюції. Але фундаментальні загадки разом зникають, якщо визнати цілеспрямоване занесення перших клітин на Землю ззовні. Тоді виявляється точну відповідність між теоретичними очікуваннями і реальними фактами.
Така ж ситуація з поглядами А.І. Опаріна. Всі перераховані особливості ранніх етапів еволюції (однотипна хіральність біомолекул, однаковий набір амінокислот, єдині генетичний алфавіт, генетичний код і АТФ, відсутність передбіологічній еволюції) суперечать очікуванням, тільки якщо стояти на грунті гіпотези А.І. Опаріна про зародження життя на Землі. Досить перейти до гіпотези панспермії, як ці суперечності разом відпадають.
Якщо раніше гіпотеза О.І. Опаріна вступала в конфлікт, головним чином, з фактами біохімії, то після успіхів Мікропалеонтологія архею стало ясно, що їй суперечить і цей розділ науки. Біда не в тому, що виявилося непропорційно довгий формування клітинного ядра. Важливо, що в палеонтологічного літопису взагалі не знайшлося місця для тривалої передбіологічній еволюції, неминучої у випадку природного виникнення життя на Землі. При цьому наступні палеонтологічні відкриття не здатні змінити ситуацію.
Наприклад, якби з'ясувалося, що одноклітинні еукаріоти з'явилися раніше, ніж ми думаємо сьогодні (скажімо, 3,3-3,5 млрд. років тому), то малому часу передбіологічній еволюції стало б суперечити занадто довгий формування багатоклітинних організмів на основі одноклітинних еукаріотів ( в такому випадку виявилося б, що багатоклітинні формувалися близько 2 млрд. років).
Палеонтологічні дані про терміни виникнення життя поставили дилему:
- Або життя виникло на Землі сама собою, але це сталося з немислимо високою швидкістю, через що процес не залишив слідів в палеонтологічного літопису,
- Або життя занесене на Землю ззовні.
На вирішення цієї дилеми істотно впливає парадокс молекулярної асиметрії земного життя. Навіть якщо б передбіологічній еволюція, всупереч усьому, тривала, скажімо, 100-200 тисяч років, що могло б не залишити палеонтологічних слідів, то й тоді попередниками біохімічних процесів могли з'явитися лише звичайні хімічні реакції, не виявляють переваги до молекул певної хіральності. Інакше кажучи, незалежно від тривалості предбіологічною етапу, на Землі обов'язково залишилися б сліди життя з різними типами хіральності молекул.
І навпаки - якщо передбіологічній еволюція протікала на іншій планеті, то немає і проблем хіральності, марно шукати на Землі спадщина суто хімічних процесів у вигляді рівного (або нерівного) участі в живій матерії молекул лівої і правої симетрії. Якщо ці сліди і збереглися, то знаходяться поза Землею.
Відомо, що земні організми використовують два різних генетичних коду. Перший з них-власне код генів на ДНК, а другий - це структурогенний код просторового розташування генів в ядрі. Перший код використовується в усіх організмах, другий - тільки у еукаріотів. Перший код явно виник не на Землі, а був занесений сюди, другий - так само незаперечно є продуктом місцевої, земної еволюції.
Порівняння цих двох випадків особливо підкреслює привнесеності першого коду та автономне походження другого. Тоді як палеонтологія не виявляє періоду формування першого коду, на виникнення другого витрачені мільярди років від виникнення життя до появи перших еукаріот. І тоді, як біологія не бачить ступенів формування коду ДНК, детально простежуються етапи становлення генетичної системи еукаріот.
При поверхневому погляді може здатися, що вихідна позиція вченого - згоду чи незгоду з можливістю занесення життя з космосу - не здатна вплинути на підсумок досліджень. Мовляв, все одно, врешті-решт, потрібно дізнатися, як виникло живе з неживого. Але ні! Вихідна позиція, вихідні обмеження мають величезне, принципове значення!
Уявімо, що після вивчення гірських кряжів обжитих континентів вчені стали досліджувати поховані під льодом гори Елсуорта в Антарктиді. І раптом в гірському масиві Вінсон виявили верхівку гори, складену з полірованих гранітних плит! Одні вчені стали думати - як такі плити могли туди потрапити? А інші, оскільки в Антарктиді не відомо цивілізацій, відразу мілини можливість їх штучного походження і зайнялися пошуком умов, що ведуть до природного формування гірської вершини з гладких гранітних блоків. Легко уявити собі, в які нетрі завели б такі пошуки!
Аналогічна ситуація склалася зі спробами пояснити природне виникнення життя на Землі. Дослідники натрапили на незаперечні факти, що суперечать гіпотезі А.І. Опаріна, але добре зрозумілі ідеєю панспермії. І тільки ідеєю панспермії. Як же реагувати на це?
§ 1.2 Про можливості випадкового посіву
Для розуміння перших етапів життя на Землі та її подальшого розвитку важливо знати не тільки, чи мала місце панспермия, але якщо вона відбулася, то в якому варіанті? Чи був це випадковий перенесення дрібних клітин через космос, або перенесення їх метеоритами, як уявляли собі багато прихильників ідеї панспермії, або ж це була цілеспрямована доставка на космічному кораблі спеціально підібраних мікроорганізмів у відповідності зі сценарієм Ф. Кріка і Л. Оргела?
Літературні дані дозволяють уточнити ситуацію. Один з напрямків досліджень було пов'язано з вивченням можливості випадкового перенесення життєздатних клітин через космос.
Після того, як П.М. Лебедєв експериментально довів, що світло чинить тиск, С. Арреніус розрахував, що під тиском сонячних променів суперечки з поперечником 1,5-2 мкм можуть за 14 місяців покинути межі нашої планети. Пізніше американський учений К. Саган вказував, що частинки розміром 0,2-0,6 мкм можуть бути винесені з Землі світловим тиском і за кілька тижнів можуть досягти орбіти Марса. Орбіти Нептуна вони можуть досягти через кілька років, а до найближчих зірок долетіти за кілька десятків років. При цьому він виходив з припущення, що суперечки рухаються прямолінійно з досить високою швидкістю.
Проте подібні припущення відпадають, якщо згадати, що на орбіті Землі ультрафіолетова радіація Сонця має густина 1,4 * 10 6 ерг на 1 см 2 / с. Навіть якщо допустити нереально високу швидкість переміщення суперечка в космічному просторі, рівну чверті швидкості світла, то політ до Марса займе близько 1000 секунд. Тоді доза опромінення складе 1,4 * 10 9 ерг / см 2, що у багато разів вище смертельної дози 10 2 -10 червня ерг / см 2 [Рубенчик, 1983].
Оскільки з'ясувалося, що ультрафіолетова радіація Космосу гарантовано вбиває незахищені клітини (більшість видів клітин не може переносити і вплив вакууму), особливу увагу привернули метеорити, здатні стати для мікроорганізмів як би транспортними контейнерами.
Щодоби Земля приймає значну масу цього космічного речовини. За рік випадає від 10 тис. до 1 млн. метеоритів і багато метеоритного пилу. Вага метеоритів коливається від міліграмів до десятків тонн. Головне, що відрізняє метеорити від земних гірських порід, це утримання в метеоритному речовині заліза з домішкою нікелю. За кількістю Fe метеорити поділяються на залізні, залізокам'яні і кам'яні. Найбільше на Землю потрапляє кам'яних метеоритів (близько 90%), тоді як залізних - близько 5-6%.
У залізних метеоритах метал піддавався впливу температур вище 1500 ° С, а потім, як вважають деякі дослідники, протягом десятків мільйонів років розплавлена маса охолоджувалася і кристалізувалася.
Для пояснення унікальних особливостей структури метеоритів доводиться зробити висновок, що речовина, що минув глибоке плавлення, складає в них лише деяку частину. Як правило, плавлення при високій температурі піддавалася лише мала частка речовини, що знаходилася при зіткненні початкових частинок безпосередньо в зоні контакту. Головним формуючим процесом для них було повільне, що тривало мільйони років, спікання дрібних частинок у вакуумі під дією сил адгезії і космічних випромінювань.
У цьому сенсі мікроструктура метеоритів близька не до моноліту чавунної відливки, а до мікроструктурі твердосплавних інструментів з «побідиту», що виготовляються шляхом пресування дрібних гранул при температурі, набагато нижче їхньої точки плавлення. І твердосплавні пластинки, і метеорити, на мікрорівні є губчасту структуру, пронизану густою мережею капілярів. Це дуже важливо з точки зору можливого перенесення Життя через Космос.
Особливий інтерес представляють вуглецеві хондрити, пов'язані з кам'яним метеоритів. Крім заліза, вони містять сірку, зв'язану воду і до 5% вуглецю у вигляді різних органічних сполук. Це бітумообразние речовини, що містять вуглеводні, ароматичні і жирні кислоти, сіро-і хлорсодержащие органічні сполуки, вуглеводи та інших
У хондритах знайдені амінокислоти, присутні в земних організмах (гліцин, аланін, глутамінова кислота та ін), а також амінокислоти, не властиві їм. Наприклад, в метеориті Мурчісон виявлені не використовувані земними організмами амінокислоти 2-метілаланін і саркозин. (Цікаво, що 2-метілаланін і саркозин також виявилися синтезованими в дослідах, при яких моделювалися умови первісної Землі).
Мікроорганізми шукали в метеоритах ще в минулому сторіччі. У 1864 р. поблизу французького селища Оргейль впав великий метеорит. Луї Пастер сконструював спеціальний зонд для стерильного вилучення проб з внутрішніх частин метеорита. Однак посіви на живильні середовища дали негативний результат - життєздатні мікроорганізми не були виявлені. У 1921 р. У Галіпп і Ж. Суфлянд обстежили 21 метеорит різних типів і виявили в них як рухомі, так і нерухомі мікроорганізми.
У 1932 р. Ц. Ліпман провів дослідження внутрішніх зон метеоритів, ретельно стерелізовав перед цим їх поверхні, та виявив в глибині значну кількість бактерій. Були виявлені бактерії і в залозистому Хондрит Оргейль, в якому їх безуспішно шукав Пастер.
У 1961 р. Ф. Сіслер виділив з метеорита Муррей трохи бактерій, які росли на живильних середовищах, але не розвивалися при введенні їх в організми щурів, мишей і курей. Однак при перевірці в 1962 р. М. Н. Бріггсом ці дані не підтвердилися.
У 1962 р. Ч. Байрам і С. Мамедов досліджували один з шматків Сіхоте-Алінський залізного метеорита через 15 років після його падіння і виявили бактеріальну паличку, зберігає життєздатність при підвищеній температурі.
Таким чином, в метеоритах були знайдені життєздатні мікроорганізми. Але чи справді ці мікроорганізми принесені з далекого космосу? Наприклад, Дж. Бернал припустив, що при вулканічних виверженнях земна пил, разом з містяться на ній мікробними клітинами, може линути в міжпланетний простір, зустрічатися там з метеоритами, прилипати до них і з ними повертатися на Землю.
Зразки стерилізувалися 8-12 годин в муфельній печі при 400-500 ° С, а потім у автоклаві при надмірному тиску 1 атм. Частина стерильних зразків містилася в ящик з вологим грунтом, а частина (для контролю) зберігалася в лабораторних умовах. Через різні терміни (від 8 днів до 6 місяців) поверхню кожного зразка ретельно стерилізувалася і спеціальним свердлом відбиралася проба з його центральній частині. Посіви проб на живильні середовища виявили ріст мікроорганізмів навіть тоді, коли зразками були такі щільні породи, як туф, граніт і ін У контрольних зразках мікроби жодного разу не виявилися.
Таким чином, грунтові мікроорганізми знаходили спосіб проникати всередину досліджуваних порід.
Інша серія експериментів проводилася із зразками метеоритів - Сіхоте-Алінський (залізний октаедр), Чінг (залізний атаксит), Кунашак і Саратов (кам'яні хондрити). У зразках були просвердлені вертикальні канали діаметром до 10 мм, потім зразки піддалися стерилізації та в канали була внесена грунт з чистою культурою бактерій Serratia marcescens. У такому вигляді зразки були частково занурені в живильне середовище. Через 2-15 діб у всіх поживних середовищах, крім омиваючої метеорит Чінг, було зареєстровано масове розмноження мікроорганізмів.
Це показало, що для мікроорганізмів проникні не тільки різні гірські породи, але і більшість досліджених метеоритів. Отже, метеорити, що сідають на вологий грунт, здатні забруднюватися грунтової мікрофлорою,
через що виявлені в них життєздатні клітини не можуть служити доказом на користь метеоритного перенесення Життя.
Якщо не можна отримати дані про перенесення метеоритами життєздатних клітин, то чи не допоможуть вони, принаймні, дізнатися, чи існує життя у світі, з якого вони прилітають? Інакше кажучи, чи не містять метеорити слідів мертвих, копалин (фосилізованій) організмів? Такі дослідження були проведені.
У 1961 р. Ж. Клаус і Б. Надь виявили в метеориті Оргейль так звані «організовані елементи», які, на думку дослідників, могли бути копалинами (фосилізованій) залишками якихось біологічних утворень. Ці елементи люминесцировать в ультрафіолетовому світлі, забарвлювалися, як і бактерії, оснóвнимі аніліновими барвниками, давали позитивну реакцію по Фельгену, характерну для ДНК. Дослідники припускали, що це залишки мікроорганізмів позаземного походження.
Згодом такі дослідження були продовжені. У метеоритах, знайдених в Радянському Союзі (Мігеі, Старе Борискін, Саратов) і за кордоном (Івуна, ало, Беккевельд, топки) були виявлені подібні утворення розміром від 4 до 30 мкм. У метеоритах Оргейль і Івуна кількість таких включень досягало 1700 мг. З приводу походження цих утворень висловлювалися серйозні сумніви. У 1970 р. Г.П. Вдовикін показав, що деякі «організовані елементи» представляють собою мінеральні утворення.
Таким чином, результати досліджень метеоритів не підтвердили і не спростували можливість існування Життя поза Землею. Вони також не суперечать і не дають вагомого підтвердження припущення про перенесення метеоритами Життя з інших світів на Землю.
Інша група фактів пов'язана з єдністю біохімії земних організмів.
Припустимо, що якась частинка космічного пилу або метеорит принесли в земній Океан клітку прокаріотичної водорості. Могло б це дати старт стійкої біологічної еволюції? Можливо. Але сумнівно. Найімовірніше, що за першим етапом швидкого розмноження послідувало б вичерпання поживних речовин, отруєння середовища продуктами власної життєдіяльності - що ми часто спостерігаємо при «цвітінні води» в ізольованих водоймах - і загибель клітин.
Справа навіть не в тому, що обов'язково загинули б усі до однієї клітини. На периферії вогнища життя, ймовірно, збереглися б нечисленні клітини, що дозволяють життя «жевріти» далі. Але не змогло б утворитися така кількість продуктів фотосинтезу, щоб його можна було знайти майже через чотири мільярди років, як вони знайдені, наприклад, в розрізі Ісуа (Західна Гренландія) у вигляді відкладень нефтеподобного речовини.
Щоб на Землі виникли значні маси продуктів фотосинтезу, що залишили вагомі відкладення нефтеподобного речовини, повинна була сформуватися стійка екосистема із замкнутим кругообігом найбільш критичних речовин (фосфору, азоту, сірки та ін.) До цього часу (3,69-3,83 млрд. років тому) в Океані вже повинні були існувати, ймовірно, не менше 3-4-х типів клітин, за характером біохімічних процесів нагадують фотосинтезуючі водорості, хемотрофов і тварин.
Якби в Океан був занесений тільки один тип клітин, від якого всі інші типи (родоначальники майбутніх великих таксонів) відбулися значно пізніше, то, відповідно, і виявлене нефтеподобное речовина датувалося б більш пізньої відміткою, а не з'явилося б практично відразу за виникненням на Землі необхідних для життя умов.
Але цього мало! Якщо припустити, що на Землю могли бути випадково занесені метеоритом кілька типів клітин, що створили стійкий замкнутий кругообіг речовин, то метеорит повинен був містити не 3-4 види клітин, а хоча б втричі більше, щоб у цій випадковою вибіркою обов'язково були присутні всі необхідні типи. При цьому всі види повинні були б мати однакову біохімію, у них повинні були б збігатися і хіральності молекул, та набори амінокислот, і т.д.
Якщо клітини випадково потрапили до нас зі світу, де існували різні гілки життя (різні варіанти біохімії), то неможливо, щоб десяток принесених метеоритами видів клітин випадково мав однакову біохімію. У випадковою вибіркою обов'язково мали сидіти клітини, пов'язані з іншим гілкам Життя, з іншої біохімією.
Так, окремі типи клітин з іншою біохімією не могли ідеально включитися в кругообіг речовин. Але це не означає, що вони повинні були повністю загинути. Частина розсіяних по Океану клітин мала можливість продовжити існування. У такому випадку вони, ймовірно, були б виявлені, як в метеориті Мурчісон виявлені не використовувані земними організмами амінокислоти 2-метілаланін і саркозин.
Те, що клітини з іншою біохімією до цих пір не знайдені, побічно свідчить проти випадкового занесення Життя на Землю за допомогою метеоритів. У всякому разі, проти занесення її з планети, що має форми Життя з різною біохімією.
Намагаючись розібратися у філогенії прокаріотів, палеоботаніки відзначають, що у них вільно поєднуються багато ознак. Тому система прокаріотів, за висловом Г.А. Заварзіна, набуває характеру багатовимірної решітки. Вузли решітки відповідають таксонам, кожен з яких характеризується певним поєднанням ознак. Через те, що деякі сполучення заборонені, в решітці утворюються прогалини. Але залишаються ділянки грати не утворюють структуру, яку можна було б інтерпретувати як філогенетичне дерево. Побудова системи прокаріот на філогенетичної основі Г.А. Заварзін вважає принципово неможливим ». Така ситуація змушує замислитися - чи не тому стало неможливим побудова філогенетичного дерева прокаріот, що на Землі на початку біологічної еволюції одночасно з'явилися не одиниці, а десятки (чи сотні?) Видів прокаріотів клітин з однаковою біохімією?! Чи не тому ми не бачимо їх філогенетичного споріднення, що еволюційні шляхи прокаріотів розійшлися задовго до їх прибуття на Землю? Якщо таке припущення справедливе, то розмови про випадковий занесення Життя на Землю можна повністю припинити - занадто вже неймовірно випадкове падіння на Землю з метеоритами десятків видів живих клітин з однаковою біохімією!
У разі якщо Життя переноситься в найбільш примітивних формах, еволюція отримує максимальний простір. З'являється можливість найбільш різноманітного, оригінального і нестримного розвитку. Єдине зберігається обмеження для всієї еволюції - єдиний, спільний варіант біохімії. Якщо інопланетяни, дійсно, занесли клітини з одним типом біохімії, то вони тим самим позбавили Землю від добре знайомих їм, треба думати, проблем, пов'язаних з несумісністю різних гілок життя. Швидше за все, вони вибрали для перенесення клітини саме з такою біохімією, який мали в той час самі.
§ 1.3 Теорія Ю. А. Коляснікова.
На сьогодні очевидно, що народження Життя могло відбутися тільки в рідкій воді. Проте ні один дослідник не звернувся до цього універсального розчинника як до можливого, і, можливо, основним учаснику кодування білків в ДНК, а тим більше як до головного диригенту буквально всіх процесів у нашому організмі. Швидше за все, гіпнотизуюча простота хімічного складу води не давала навіть приводу до такої думки. Але, виключивши воду з розгляду можливих претендентів на матрицю синтезу передбіологічній органіки, дослідники за сорок років безуспішних пошуків були змушені звернутися до дуже популярним нині серед космобіохіміков ідеям позаземного походження життя і спрямованої панспермії.
Однак при такому простому складі структура аномальної за всіма властивостями води настільки складна, що не піддається всім найсучаснішим методам дослідження.
У 1990 році Ю. А. Колясніков запропонував оригінальну політетрамерную модель структури води, в якій роль молекул грають не Н 2 О, а понадстислі водні тетрамери М 8 О 4, співмірні кремнекислородним тетраедра - елементарним "цеглинкою" літосфери.
Важливим елементом моделі є виявлена графічно рацемічность води, тобто наявність у ній дзеркально-симетричних, за розподілом внутрішніх Н-зв'язків, тетрамеров. А як вважали ще П. Кюрі і В. І. Вернадський, правизна - лівизна живої речовини є наслідок дисиметрії середовища, в даному випадку - води. Крім того, в живій речовині, вода знаходиться у зв'язаному стані, коли тетрамери «розв'язуються», утворюючи, праві і ліві спіральні ланцюжки, в яких у зв'язку з дипольних молекул може бути записана якась інформація.
Спробуємо уявити, що відбувалося на Землі 4 млрд. років тому.
Зараз наука повертається до поглядів Р. Декарта про спочатку гарячої Землі. Саме з таких позицій намагалися уявити виникнення Життя, або біопоеза, Дж. Холдейн, А. І. Опарін, Дж. Бернал і інші, але без конкретного сценарію освіти самого первородного океану.
У своїй теорії (або сценарії), автор намагається заповнити цю прогалину.
У міру остигання планети її щільний хмарний покрив, подібний венеріанської, опускався усе нижче і нижче. З хмар проливалися гарячі зливи, але спочатку вони википають на льоту. Нарешті дощові краплі стали досягати поверхні, але вони падали і тут же скипали. Це тривало досить довго, аж до того моменту, коли одна з них не википіла цілком, впавши, отже, на максимально охолоджену точку гарячої протокори, з якою і почався стрімкий ріст гідросфери. У складі тонкої плівки первородного бульйону були всі потрібні для синтезу передбіологічній органіки компоненти, хоча сама вода була тоді в дефіциті.
У тій першій краплі в подкіпящем стані (250 - 200 о С і 50 атм.) Перша тетрамерная галактика ланцюжок пов'язаної з жорстким силікатною субстратом води, зовсім випадково виявилося Лівообертальний (з тією ж імовірністю вона могла бути і правообертальні). На ній була синтезована першого амінокислота, яка вже не випадково вийшла Лівообертальний. До першої тетрамерной ланцюжку приєдналася друга, теж ліва, як і синтезована на ній амінокислота, тобто всі наступні амінокислоти ставали левовращающімі. І так послідовно заробив водно-матричний механізм синтезу відразу хіральним-чистої амінокислотної органіки.
Проте одночасно з левовращающімі «розгорталися» і правообертальні тетрамерние ланцюжка зв'язаної води, на яких пізніше почався синтез менш термостійких цукрів - основи нуклеїнових кислот. Такий синхронний синтез поліпептидів і полінуклеотидів невблаганно вів до утворення складних нуклеопротеїдних комплексів із записом у їх примітивною РНК однозначного генетичного коду.
Отже, головним чинником хіральним очищення органіки і виникнення генетичного коду живого речовини Землі могло бути лише одне з надзвичайних властивостей води, а саме її власна рацемічность. Слід відзначити також, що у прийнятих зараз сценаріях біопоеза синтез рацемічной передбіологічній органіки відбувався у вже існуючому океані, в якому пізніше сталася хіральних катастрофа.
В інтерпретації ж Ю. А. Коляснікова все почалося з найпершої краплі, і далі йшла стрімка експансія бульонной плівки з синтезом у ній відразу хіральним-чистої органіки, що виключає малоймовірну хіральних катастрофу. У результаті на поверхні планети утворився первісний Соляріс, величезна мережа бульонной плівки складається з предбіологічною органічної речовини.
З появою в першому вулканічному катаклізм 4 млрд. років тому на поверхні планети вільної води, вцілілі фрагменти первісного Соляріса дезінтегрували в плазміди, пріони та нанорозмірні нуклеопротеїдні комплекси. Уникаючи прямого контакту з чужою їм об'ємної політетрамерной водою, останні згорталися, формуючи білкові капсули з РНК всередині них. Отже, другим етапом біопоеза можна вважати утворення в первинній гідросфері незліченної безлічі різноманітних протовірусов, віроіди та інших.
Пізніше з'явилися мембрани різного складу, а на їх основі виникли перші клітини як цілком автономні істинно живі системи. Але й ті, й інші продовжували використовувати у своїй життєдіяльності первинну водну матрицю, що забезпечує прискорений синтез їх біополімерів.
§ 1.4 Теорія У. Мартіна і М. Рассела
Вільям Мартін з Університету Генріха Гейне в Дюссельдорфі, Німеччина, і Майкл Рассел з Центру вивчення навколишнього середовища, Університет Шотландії, Глазго, Великобританія стверджують, що перші живі організми на Землі могли з'явитися всередині каменів, що вистилають дно океану.
Більше 4 мільярдів років тому крихітні порожнини всередині мінералів могли виступити в ролі клітин.
Ключовий момент у цій теорії - відкладення сульфіду заліза (FeS). У гарячих джерелах на морському дні це з'єднання утворює «стільники» з осередками шириною в декілька сотих міліметра. Як вважають Мартін і Рассел, ці осередки - ідеальне місце для виникнення життя У порівнянні з іншими гіпотезами виникнення життя на Землі, теорія Мартіна і Рассела унікальна тим, що вона припускають, що виникнення клітини передувало виникненню білків і самореплицирующихся молекул. Із припливом гарячої води в осередки потрапляють іони амонію (NH 4 +) і монооксид вуглецю (CO), і сульфід заліза виступає в ролі одного з каталізаторів синтезу органічних речовин з неорганіки. Прості з'єднання концентрувалися в «камерах» з сульфіду заліза, що могло призвести до виникнення складних молекул - білків і нуклеїнових кислот.
Форд Дулітл з канадського університету Далхаузі, Галіфакс вважає цю теорію красивою і практично всеосяжною. Інші вчені згодні, що осередки сульфіду заліза цілком можуть бути «інкубаторами» первинних життєвих форм, проте вказують на «відсутню ланку» між простими органічними сполуками і хімією живих істот. Так, П'єр Луїджі Люізіт з Федерального інституту технологій у Цюріху, Швейцарія вважає, що без пояснення походження ферментів все вищесказане залишиться голою теорією.
Мартін і Рассел припустили, що живі організми залишили кам'яні осередку, коли навчилися самі будувати клітинну стінку. Тому вони висунули досить спірне припущення про те, що життя на Землі виникала двічі. Про це, на їхню думку, свідчить велика різниця в будові клітинної стінки у двох основних царств примітивних прокаріотів - бактерій і архей.
З цим згодні далеко не всі. Наприклад, Томас Кавальє-Сміт з Оксфордського університету у Великобританії каже, що у бактерій і архей є сотні гомологічних генів, а також безліч подібних ознак, таких як, скажімо, спосіб вбудовування білків у мембрану.
Мартін у відповідь стверджує, що через здатність бактерій обмінюватися ДНК зараз нам важко встановити послідовність подій тільки на основі генетики. Він припускає, що вихід обох царств з кам'яних осередків стався близько 3,8 мільярдів років тому, у той час як самі стародавні копалини зразки, безперечно свідчать про наявність бактерій на Землі, належать до періоду близько 2,5 мільярдів років тому, хоча деякі дослідники говорять про виникнення життя ще 3,5 мільярда років тому.
§ 1.5 Гіпотеза Сванте Арреніуса
Навіть якщо вважати, що шлях від неживої матерії до прокаріотичної клітці не складніше, ніж подальше формування клітинного ядра (що далеко не так), а швидкість еволюції незмінна (насправді вона постійно наростає), то й тоді створення першої клітини мало б тривати хоча б стільки, скільки тривало формування ядра (тобто 2,0 ¸ 2,4 млрд. років). Як же сприйняти практична відсутність цього проміжку часу, відсутність настільки принципово важливого предбіологічною етапу еволюції, етапу підходу до появи Життя?
Протиріччя в термінах, як і протиріччя однотипної біохімії, стосуються ранніх етапів біологічної еволюції, що не залишили ясних слідів в палеонтологічного літопису. Це вимагає більш уважного і критичного розгляду проблеми виникнення життя на Землі в цілому.
У колишньому СРСР офіційною наукою визнавалася тільки "матеріалістична теорія походження життя" А.І. Опаріна (1922 р.) і прилеглі до неї роботи. Мова йшла про розвиток клітин з так званих коацерватних крапель у водах Первинного океану. За кордоном же ще раніше була висловлена гіпотеза С. Арреніуса про випадковий занесення на Землю життя з космосу, що отримала назву гіпотези панспермії.
Звертаючись до історії уявлень про панспермії, можна відзначити, що ідея про існування позаземного життя висловлювалася не тільки в релігійних вченнях, у священній книзі індусів Веді, в Авесті персів, у вченні Заратустри, але і в працях філософів стародавнього світу. За вченням про панспермії давньогрецького мислителя Анаксагора, зародки життя поширені всюди. Філософська школа Епікура вчила, що існує безліч населених світів, подібних нашій Землі.
Один з прихильників цієї школи Мітрідор сказав, що «вважати Землю єдиним населеним світом у безмежному просторі було б такою ж кричущою безглуздістю, як стверджувати, що на величезному засіяному полі міг би вирости тільки один пшеничний колос».
Римський філософ Лукрецій Кар в поемі «Про природу речей» писав: «Весь цей видимий світ зовсім не єдиний в природі, і ми повинні вірити, що в інших областях простору є інші землі з іншими людьми та іншими тваринами». Аналогічну думку висловлював Джордано Бруно. Він писав: «Існують незліченні сонця, незліченні землі, які кружляють навколо своїх сонць, подібно до того, як наші 7 планет кружляють навколо нашого Сонця ... На цих світах живуть живі істоти ».
Всупереч старовинним латинської звучанню прізвища, шведський вчений Сванте серпня Арреніус (1859-1927) ставився до найбільш передовим мислителям рубежу століть. Він став одним із засновників фізичної хімії, автором теорії електролітичної дисоціації і основного рівняння хімічної кінетики, праць з астрономії, астрофізики та біології, лауреатом Нобелівської премії, іноземним членом-кореспондентом Петербурзької Академії Наук, а пізніше - іноземним почесним членом Академії Наук СРСР.
Крім Арреніуса, в XIX і першій чверті XX ст. прихильниками вчення про панспермії були видатні зарубіжні вчені Ф. Кон, Ю. Лібіх, Г. Гельмгольц, В. Томсон. У більш пізній час думка про можливість перенесення спор бактерій через космічний простір підтримував американський учений К. Саган. На території колишнього СРСР прихильниками вчення про панспермії були С.П. Костичев, П.П. Лазарєв, Л.С. Берг.
§ 1.6 Гіпотеза А.І Опаріна.
Пік досліджень А. І. Опаріна і його співавторів припадав на 50-60-і роки, хоча його книга «Походження життя» була опублікована ще в 1924 році.
Поява життя він розглядав як єдиний природний процес, який складався з протікала в умовах ранньої Землі первісної хімічної еволюції, перейшла поступово на якісно новий рівень - біохімічну еволюцію.
З самого початку цей процес був пов'язаний з геологічною еволюцією. В даний час прийнято вважати, що вік нашої планети становить приблизно 4,3 млрд років. У далекому минулому Земля була дуже гарячою (4000-8000 ° С). У міру остигання утворювалася земна кора, а з води, аміаку, двоокису вуглецю та метану - атмосфера. Така атмосфера називається «відновної», оскільки не містить вільного кисню. При падінні температури на поверхні Землі нижче 100 0 C утворилися первинні водойми. Під дією електричних розрядів, теплової енергії, ультрафіолетових променів на газові суміші відбувався синтез органічних речовин-мономерів, які локально накопичувалися і з'єднувалися один з одним, утворюючи полімери. Можна допустити, що тоді ж одночасно, з полімеризацією йшло освіту надмолекулярних комплексів-мембран.
За однотипним правилами синтезувалися в «первинному бульйоні» гідросфери Землі полімери всіх типів: амінокислоти, полісахариди, жирні кислоти, нуклеїнові кислоти, смоли, ефірні олії та ін Це припущення було підтверджено експериментально в 1953 році на установці Стенлі Міллера, якому вдалося отримати багато речовин , що мають важливе біологічне значення, в тому числі ряд амінокислот, аденін і прості цукри. Пізніше в подібному експерименті були синтезовані нуклеотидні ланцюги довжиною у шість мономерних одиниць (прості нуклеїнові кислоти).
Органічні речовини накопичувалися в порівняно неглибоких водоймах, прогрітих Сонцем. Сонячне випромінювання доносило до поверхні Землі ультрафіолетові промені, які в наш час стримуються озоновим шаром атмосфери. Так енергією забезпечувалося протікання хімічних реакцій між органічними сполуками та синтез полімерів.
Первинні клітини імовірно виникли за допомогою молекул жирів (ліпідів).
Молекули води, змочуючи тільки гідрофільні кінці молекул жирів, ставили їх як би «на голову», гідрофобними кінцями вгору. Таким способом створювався комплекс упорядкованих молекул жирів, які за рахунок додавання до них нових молекул поступово відмежовував від всієї навколишнього середовища деякий простір, яке і стало первинної клітиною, або коацерватів - просторово обособившейся цілісною системою. Коацервати виявилися здатними поглинати з зовнішнього середовища різні органічні речовини, що забезпечувало можливість первинного обміну речовин із середовищем.
Таким чином, первинна клітинна структура, на Опаріну, являла собою відкриту хімічну мікроструктуру яка була наділена здатністю до первинного обміну речовин, але ще не мала системи для передачі генетичної інформації на основі нуклеїнових кислот. Такі системи, що черпають з навколишнього середовища речовини та енергію, можуть протистояти наростанню ентропії і сприяти її зменшення в процесі свого росту і розвитку, що є характерною ознакою всіх живих систем.
Природний відбір зберігав ті системи, в яких були більш досконалими функція обміну речовин і пристосованість організму в цілому до існування в даних умовах зовнішнього середовища.
У ході природного відбору вижили системи, що мали особливу будову білкових полімерів, що зумовило появу третього якості живого - спадковість (специфічною форми передачі інформації).
Концепція А. І. Опаріна в науковому світі дуже популярна. Сильною її стороною є точне відповідність теорії хімічної еволюції, згідно з якою зародження життя - закономірний результат. Аргументом на користь цієї концепції є можливість експериментальної перевірки її основних положень в лабораторних умовах.
Слабкою стороною концепції А. І. Опаріна є припущення можливості самовідтворення коацерватних структур у відсутність систем, що забезпечують генетичне кодування. У рамках концепції Опаріна не вирішена головна проблема - про рушійні сили саморозвитку хімічних систем і переходу від хімічної еволюції до біологічної, про причину таємничого стрибка від неживої матерії до живої.
Глава II. Дослідно - експериментальна частина
§ 2.1 Абіотичні синтез біомономеров
Синтез амінокислот при дії електричних розрядів у газовій суміші, що імітує можливий склад примітивної земної атмосфери, було здійснено ще в 1953 р. у широко відомих у даний час дослідах Міллера. Використаний для цієї мети прилад Міллера зображений на рис 1. Він складається з великого круглого посудини, в якому знаходиться вихідна суміш газів і в якому виробляється електричний розряд, а також малої колби з киплячою водою - в ній накопичуються отримувані продукти.
При дії іскрового або тихого розряду на суміш СН 4, NH 3, H 2 і парів води при постійній (протягом тижня) циркуляції суміші в малій колбі були виявлені гліцин, α-аланін, α-аміномасляна і α-аміноіз масляна кислоти, β -аланін, аспарагінова і глутамінова кислоти, саркозин і N-СН 2-аланін. Проміжними продуктами цієї реакції були альдегіди HCN.
Рис. 1. Прилад Міллера для синтезу органічних сполук у відновній атмосфері під дією іскрових розрядів
1 - колба з киплячою водою, 2 - до вакуумного насоса; 3 - електроди;
4 - іскровий розряд; 5 - суміш газів (СН 4, NH 3, H 2 O, Н 2), 6 - вихід води з холодильника; 7 - холодильник; 8 - подача води в холодильник; 9 - вода, що містить
органічні сполуки; 10 - пастка
Дані Міллера були підтверджені в роботі Т. Є. Павловської і А. Г. Пасинского, в якій застосовувалася дещо інша апаратура, а надмірна кількість водню замінювалося на СО. У наступних роботах зазначених авторів було обгрунтовано положення, згідно з яким будь-яка реакція, що приводить до утворення альдегідів і HCN, обов'язкове повинна була сприяти накопиченню α-амінокислот в гідросфері первинної Землі.
Ебельсон, використовуючи більш складну вихідну суміш газів, що включає поряд із СН 4, NH 3 та Н 2 О також) СО, СО 2 і N 2, отримав аналогічну Міллеру суміш амінокислот.
Оро, використовуючи З 2 - і С 3-вуглеводні і концентрований NH 4 OH, доповнив зазначений список синтезованих в іскровому розряді амінокислот лейцином ізолейцин і валіном.
Гроссенбахер, пропускаючи іскровий розряд в спеціально сконструйованому приладі протягом 100 - 200 год. через суміш NH 3, CH 4 і Н 2, отримав у водному; розчині суміш амінокислот (співвідношення в молях): аспарагінова кислота - 2, треонін - 4, серії-14, гліцин-16, аланін-14, лізин - 4, лейцин - 2, ізолейцин - 2 і глутамінова кислота - 1. Крім того, він виявив пептиди, що складаються з гліцину і аланіну (5:1), а також гліцину і ізолейцин. До кінця експерименту продукти полімеризації амінокислот виділялися з розчину у вигляді дрібних багатомолекулярних сфер або крапель.
Менш численні дослідження з синтезу амінокислот при впливі на суміш примітивних газів іонізуючими випромінюваннями. Тут можна назвати досліди Дозі і Раєвського, які виявили освіту кислих і нейтральних амінокислот при дії рентгенових променів на газову суміш СН 4, NH 3, H 2, CO 2, N 2 і Н 2 О. При опроміненні β-променями від лінійного прискорювача (2 МеВ) розчинів ацетату амонію Гассельстромом, Генрі і Муррей були отримані гліцин і аспарагінова кислота, а при Х-опроміненні 60 Со (5 * 10 8 р.) твердого карбонату амонію Пашці, Чанг і Янг довели освіта гліцину і аланіну. Пальм і Кальвін, діючи на суміш метану, аміаку, водню і парів води пучком швидких електронів (5 МеВ при дозі жовтень 1910 ерг), синтезували гліцин і аспарагінову кислоту.
Освіта амінокислот при простому нагріванні вихідних розчинів було вперше виявлено Фоксом, Джонсоном і Вегодскім. Оро з співробітниками показав, що ряд амінокислот (гліцин, аланін, серії, аспарагінова кислота, треонін) виходить просто при нагріванні протягом 40-60 год. водних сумішей формальдегіду і гідроксиламіну при 80-100 ° С або навіть при більш низьких температурах. Аналогічні результати були отримані Лівому, Рисом і Маркхемом, які нагрівали 1,5 М водний розчин NH 3 та HCN при 90 ° протягом 18 год. і виявили при цьому значна кількість амінокислот, частково входять до пептиди і звільняються після гідролізу продуктів реакції (в тому числі, крім гліцину, аланіну і аспарагінової кислоти, вони отримали також лейцин, ізолейцин, серії, треонін і глутаминовую кислоту).
Але, звичайно, основне значення для первинного абіогенного синтезу органічних речовин мала все-таки енергія короткохвильових ультрафіолетових променів, легко досягала земної поверхні внаслідок відсутності в доактуалістіческую епоху озонового екрану. Синтез амінокислот і інших органічних сполук при експериментальній імітації такого роду умов особливо широко представлений зараз у світовій літературі.
Т. Є. Павловська і А. Г. Пасинскій при опроміненні водних розчинів, що містять 2,5% формальдегіду і до 1,5% хлористого або азотнокислого амонію, ультрафіолетовими променями від лампи ПРК-2 протягом 20 год. встановили освіта наступних амінокислот: серину, гліцину, глутамінової кислоти, аланіну, валіну, фенілаланіну і основних амінокислот - лізину, орнитина і аргініну.
У присутності адсорбентів (бентоніту, каолініту, лімоніта та оптичного кварцу) були знайдені ті ж амінокислоти (за винятком основних) і, крім того, ізолейцин. У подальшій роботі було показано утворення треоніну, а при заміні формальдегіду ацетальдегідом - аргініну і тирозину. Аналогічні результати були отримані іншими авторами при опроміненні короткохвильовим ультрафіолетовим світлом суміші примітивних газів та їх найближчих похідних. Потрібно відзначити, що як при електричних розрядах, так і при освітленні ультрафіолетовими променями у використаних для синтезу примітивних сумішах утворюються не тільки амінокислоти, але також органічні кислоти та альдегіди, аміни та аміди, зокрема мочівіна. Разом з тим у цих умовах відбувається полімерізція мономерних молекул, що призводить до утворення більш складних з'єднань.
§ 2.2 Абіотичні синтез полімерів
Наступним за утворенням мономерів кроком еволюції на шляху до виникнення життя було їхнє об'єднання в полімери, зокрема у сполуки, аналогічні білкам і нуклеїнових кислот, що грають виключно важливу роль в організації живих істот.
Принципова можливість такої далекосяжної абіогенної полімеризації органічних речовин підтверджується низкою дослідів, де в якості мономерів використовувалися в першу чергу амінокислоти і споріднені з ними сполуки.
Тут перш за все потрібно згадати про дослідження Акабюрі, який ще в 1955 р. вказував на можливість в умовах примітивної Землі абіогенного синтезу протобелков (тобто амінокислотних полімерів з випадковим розташуванням амінокислотних залишків у поліпептидному ланцюгу). Незабаром він довів цю можливість експериментально, отримуючи з формальдегіду, аміаку і HCN аміноацетонітрил, поліконденсатів якого адсорбувався на каоліні з утворенням полігліціна. Потім у полігліцін можна вводити бічні Ланцюги шляхом реакції з альдегідами або з ненасиченими вуглеводнями. Таким шляхом Акабюрі вдалося отримати полігліцін і його аналоги з молекулярною вагою приблизно рівним
15 000.
Фокс і його співробітники, імітуючи вулканічні умови, піддавали суміш 18 амінокислот нагріванню при 170 ° С на шматку лави протягом 6 год. Для того щоб розплавити суміш до її обвуглювання, бралося надмірна кількість дикарбонових амінокислот. В інших випадках нагрівання здійснювалося у присутності поліфосфатів, що дозволяло знизити температуру нагрівання до 100 ° С.
При такому температурному впливі утворюється бурштинового кольору полімер з молекулярною вагою в кілька тисяч (від 5 000 до 10 000), що містить всі взяті в досвід типові для білка амінокислоти (втратили, проте, свою оптичну активність). Цей полімер був названий Фоксом протеіноіди за його схожість з ряду ознак з білками.
При подальших дослідженнях були виявлені два дуже цікавих властивості протеіноідов: по-перше, те, що вони мають відомої внутрішньомолекулярної впорядкованістю, повторюваної послідовністю амінокислотних залишків, і, по-друге, мають хоча і слабку, але цілком експериментально виявляємо ферментативну активність (каталіз гідролізу, декарбоксилювання, амінування і дезамннірованія).
З численних робіт з синтезу поліпептидів у водному середовищі слід назвати наступні: поліконденсацію гліцину при його нагріванні у водному розчині амонію, при γ-опроміненні; ацетілгліцін при термальній обробці розчинів ціаністого амонію, при нагріванні суміші HCN, NH 3, при полімеризації аміноацетонітрил, ціанаміду і діціанаміда.
Дуже важливим питанням при синтезі поліпептидів і білковоподібних сполук є та послідовність, з якою амінокислотні залишки зв'язуються між собою в поліпептидні ланцюги. При сучасному біологічному синтезі білків ця характерна для кожного індивідуального білка послідовність (первинна структура) визначається нуклеїнових кодом, але, як зазначалося вище, вже при термальному синтезі Фокса, за відсутності нуклеїнових кислот створився певний постійний порядок сусідства амінокислот.
Штейнман приєднував першу в ряду амінокислоту до гранулам високомолекулярного полімеру (хлорметілірованного полістиролу) і таким чином отримував смолу з приєднаною до неї однією амінокислотою. Потім він досліджував відносну ефективність приєднання до неї низки інших амінокислот з незахищеною аминогруппой.
Експериментально визначаючи виходи різних дипептиду, Штейнман зіставляв ці результати з частотою амінокислотних пар, визначених за «Атласу білкових структур» в сучасних білках, і виявив значний збіг. Кальвін у своїй книзі «Хімічна еволюція» дає модель системи відтворення поліпептиду без матриці, на підставі контролю з боку зростаючого кінця. Цікаво зіставити ці висловлювання Кальвіна з чудовим синтезом поліпептиду (граміцидину С), здійсненим Ліпман.
У більш складних і досить важковідтворимі в природі умовах були синтезовані і полімери нуклеотидів, що утворюють ланцюжки, аналогічні молекулам нуклеїнових кислот сучасних організмів.
Чудові роботи Корнберга та інші показали можливість синтезу нуклеїнових кислот in vitro. Однак ці біосинтезу можуть проходити тільки в присутності відповідного специфічного ферменту, і тому вони не можуть служити моделлю для абіогенних процесів на примітивній Землі.
Певна ймовірність такого синтезу була вперше намічена Шрамма в його роботах з поліфосфорні ефіром. Надалі було показано, що цітідінфосфат може конденсуватися в олігонуклеотиди з допомогою поліфосфорною кислоти. У модельних дослідах, більш наближаються до умов первинної Землі, була показана здатність карбодіімідів стимулювати утворення ди-і трінуклеотідов із суміші нуклеозидів та нуклеотидів в розведених водних розчинах (Оргела і спів.).
Особливу роль у процесах первинної полімеризації грають, мабуть, фосфорні сполуки. При температурах близько 300 ° С і вище фосфорна кислота повністю конденсується з утворенням поліфосфатів. Тому на поверхні примітивної Землі, з її широко йде локальним розігрівом, поліфосфати та їх органічні сполуки повинні були утворюватися в досить широкому масштабі.
В даний час неорганічні поліфосфати виявлені в значних кількостях у нижчих організмів: у бактерій, водоростей, грибів і деяких найпростіших. Це лінійні полімери ортофосфорної кислоти з молекулярною вагою 30 000-100 000. З ряду об'єктів виділено також циклічні триметил-і тетраметафосфати.
Як було показано Н. С. Кулаєва та іншими, неорганічні поліфосфати грають істотну роль в енергетичному обміні нижчих організмів на противагу високоорганізованим живим істотам, для яких вони не є характерними.
Все це дозволяє думати, що на зорі виникнення життя на Землі неорганічні поліфосфати цілком могли брати участь в утворенні найпростіших механізмів сполучення енергодающіх і енергоспоживаючих реакцій, тобто грати ту роль в передбіологічній і ранньому біологічному обміні, яка зараз здійснюється аденозинтрифосфорної кислотою.
Поннамперума, Саган та Марінер використовували етілметафосфат для модельних дослідів з синтезу нуклеотидних компонентів. При цьому необхідним джерелом енергії ім служив ультрафіолетове світло з довжиною хвилі 2400-2900 А, який був цілком доступний примітивної земної поверхні. Синтези велися у водних розчинах аденіну, аденозину, адениловой кислоти, рибози і етілметафосфата. Суміші висвітлювалися ультрафіолетовим світлом з довжиною хвилі 2537 А при 40 ° С. При цьому було встановлено перетворення аденіну в аденозин, аденозину у аденозинмонофосфат (АМФ), АМФ в аденозіндифосфат (АДФ) і нарешті АДФ у аденозинтрифосфат (АТФ). Таким чином, була доведена можливість абіотичного синтезу в умовах доактуалістіческой земної поверхні аденозинтрифосфорної кислоти - цієї основної «енергетичної валюти» сучасних вищих організмів.
Отже, широко розгорнулися в даний час модельні досліди з абіотичного синтезу органічних речовин в умовах, що імітують прімордіальние земні умови, дозволяють нам з відомою часткою ймовірності уявити собі послідовний хід хімічної еволюції від найпростіших вуглецевих з'єднань до високополімерний речовин, з яких утворилися ті «організовані елементи» або примітивні організми, залишки яких ми виявляємо у відкладеннях земної кори.
На цьому етапі розвитку матерії і стався на нашій планеті перехід від хімічної еволюції до біологічної, коли з гомогенного розчину органічних речовин відокремилися індивідуальні цілісні системи - пробіонти, а потім і первинні живі істоти.
Ми можемо скласти уявлення про цей перехід шляхом зіставлення сучасних даних порівняльної біохімії з лабораторними модельними дослідами.
Крім пізнавального аспекту, оріджінологія має найважливіше практичне значення. В даний час на планеті швидкими темпами розвиваються глобальні зміни, пов'язані, перш за все з погіршенням стану екосистем і здоров'я населення планети. Багато вчених сходяться на думці, що головним резервом, на який людство може спиратися у своєму подальшому існуванні, є системний ресурс біосфери. Іншим резервом, є системний ресурс самої людини, його величезні потенційні можливості, які можуть розгортатися у важких ситуаціях. У рішенні обох цих проблем можуть бути використані знання, накопичені вченими в ході досліджень, присвячених виникненню життя на Землі.
Порівнюючи перші теорії, висунуті кілька десятиліть тому Опаріним, Холдейна і Берналом - першопрохідцями в цій області досліджень, - з положеннями, досягнутими до теперішнього часу, ми бачимо, як з набору слабко обгрунтованих фактами гіпотез, виросла сучасна теорія, як незмірно збільшилися наші знання. Ми знаємо тепер слабкі місця вихідних гіпотетичних побудов. На багатьох прикладах ми зрозуміли, які з цих побудов треба відкинути, які заслуговують збереження. У результаті відпали багато неясності, ми змогли точніше уявити собі, як виникло життя.
Навіть зараз, не чекаючи нових відкриттів, які, безсумнівно, з'являться в майбутньому, ми з високим ступенем вірогідності можемо стверджувати, що життя розвинулася природним шляхом з якоїсь преджізні, що складалася з «органічних» сполук, створених у результаті неорганічних процесів .. ця теорія добре узгоджується з великим числом перевірених наукових фактів і спостережень, отриманих фахівцями в самих різних природних науках. У цьому її перевага перед більш ранніми гіпотезами, в яких було чимало суперечностей і нісенітниць, тим більше якщо включати в їх число постулати про неземне, а то й надприродне походження життя. Зараз ці постулати визнаються не тільки недостовірними, а й просто зайвими; наука їх відкидає. Життя на Землі могло виникнути природним шляхом, і, судячи з відомим фактам, саме так вона й виникла.
Список літератури
1. Камшілов М. М. Еволюція біосфери. М.: «Наука», 1974. 57-69, 87, 90-91, 94-96, 117-120, 240с.
2. Колясніков Ю. А. До таємниць світобудови. Магадан: ПСНЦ ДВО РАН, 1997. 225 с.
3. Компаніченко В. М. Виникнення життя в глибинах гідротермальних систем. Хабаровськ, 1996, 24-38, 98-100с.
4. Калвін В. Хімічна еволюція. М.: «Наука», 1971 - 10-14, 25-33, 45-49, 58-60 с.;
5. Опарін А. І. Матерія - Життя - Інтелект. М.: «Наука», 1977, 5-6, 96-117 с.
6. Найдиш В. М. Концепції сучасного природознавства: Учеб. посібник. - М.: Гардаріки, 2000. - 115-124с.
7. Мотильова Л. С., Скоробогатов В.А., Сударіков А. М. Концепції сучасного природознавства: Підручник для вузів - СПб.: Видавництво Союз, 2000. - 228-237с
Навіть якщо вважати, що шлях від неживої матерії до прокаріотичної клітці не складніше, ніж подальше формування клітинного ядра (що далеко не так), а швидкість еволюції незмінна (насправді вона постійно наростає), то й тоді створення першої клітини мало б тривати хоча б стільки, скільки тривало формування ядра (тобто 2,0 ¸ 2,4 млрд. років). Як же сприйняти практична відсутність цього проміжку часу, відсутність настільки принципово важливого предбіологічною етапу еволюції, етапу підходу до появи Життя?
Протиріччя в термінах, як і протиріччя однотипної біохімії, стосуються ранніх етапів біологічної еволюції, що не залишили ясних слідів в палеонтологічного літопису. Це вимагає більш уважного і критичного розгляду проблеми виникнення життя на Землі в цілому.
У колишньому СРСР офіційною наукою визнавалася тільки "матеріалістична теорія походження життя" А.І. Опаріна (1922 р.) і прилеглі до неї роботи. Мова йшла про розвиток клітин з так званих коацерватних крапель у водах Первинного океану. За кордоном же ще раніше була висловлена гіпотеза С. Арреніуса про випадковий занесення на Землю життя з космосу, що отримала назву гіпотези панспермії.
Звертаючись до історії уявлень про панспермії, можна відзначити, що ідея про існування позаземного життя висловлювалася не тільки в релігійних вченнях, у священній книзі індусів Веді, в Авесті персів, у вченні Заратустри, але і в працях філософів стародавнього світу. За вченням про панспермії давньогрецького мислителя Анаксагора, зародки життя поширені всюди. Філософська школа Епікура вчила, що існує безліч населених світів, подібних нашій Землі.
Один з прихильників цієї школи Мітрідор сказав, що «вважати Землю єдиним населеним світом у безмежному просторі було б такою ж кричущою безглуздістю, як стверджувати, що на величезному засіяному полі міг би вирости тільки один пшеничний колос».
Римський філософ Лукрецій Кар в поемі «Про природу речей» писав: «Весь цей видимий світ зовсім не єдиний в природі, і ми повинні вірити, що в інших областях простору є інші землі з іншими людьми та іншими тваринами». Аналогічну думку висловлював Джордано Бруно. Він писав: «Існують незліченні сонця, незліченні землі, які кружляють навколо своїх сонць, подібно до того, як наші 7 планет кружляють навколо нашого Сонця ... На цих світах живуть живі істоти ».
Всупереч старовинним латинської звучанню прізвища, шведський вчений Сванте серпня Арреніус (1859-1927) ставився до найбільш передовим мислителям рубежу століть. Він став одним із засновників фізичної хімії, автором теорії електролітичної дисоціації і основного рівняння хімічної кінетики, праць з астрономії, астрофізики та біології, лауреатом Нобелівської премії, іноземним членом-кореспондентом Петербурзької Академії Наук, а пізніше - іноземним почесним членом Академії Наук СРСР.
Крім Арреніуса, в XIX і першій чверті XX ст. прихильниками вчення про панспермії були видатні зарубіжні вчені Ф. Кон, Ю. Лібіх, Г. Гельмгольц, В. Томсон. У більш пізній час думка про можливість перенесення спор бактерій через космічний простір підтримував американський учений К. Саган. На території колишнього СРСР прихильниками вчення про панспермії були С.П. Костичев, П.П. Лазарєв, Л.С. Берг.
§ 1.6 Гіпотеза А.І Опаріна.
Пік досліджень А. І. Опаріна і його співавторів припадав на 50-60-і роки, хоча його книга «Походження життя» була опублікована ще в 1924 році.
Поява життя він розглядав як єдиний природний процес, який складався з протікала в умовах ранньої Землі первісної хімічної еволюції, перейшла поступово на якісно новий рівень - біохімічну еволюцію.
З самого початку цей процес був пов'язаний з геологічною еволюцією. В даний час прийнято вважати, що вік нашої планети становить приблизно 4,3 млрд років. У далекому минулому Земля була дуже гарячою (4000-8000 ° С). У міру остигання утворювалася земна кора, а з води, аміаку, двоокису вуглецю та метану - атмосфера. Така атмосфера називається «відновної», оскільки не містить вільного кисню. При падінні температури на поверхні Землі нижче 100 0 C утворилися первинні водойми. Під дією електричних розрядів, теплової енергії, ультрафіолетових променів на газові суміші відбувався синтез органічних речовин-мономерів, які локально накопичувалися і з'єднувалися один з одним, утворюючи полімери. Можна допустити, що тоді ж одночасно, з полімеризацією йшло освіту надмолекулярних комплексів-мембран.
За однотипним правилами синтезувалися в «первинному бульйоні» гідросфери Землі полімери всіх типів: амінокислоти, полісахариди, жирні кислоти, нуклеїнові кислоти, смоли, ефірні олії та ін Це припущення було підтверджено експериментально в 1953 році на установці Стенлі Міллера, якому вдалося отримати багато речовин , що мають важливе біологічне значення, в тому числі ряд амінокислот, аденін і прості цукри. Пізніше в подібному експерименті були синтезовані нуклеотидні ланцюги довжиною у шість мономерних одиниць (прості нуклеїнові кислоти).
Органічні речовини накопичувалися в порівняно неглибоких водоймах, прогрітих Сонцем. Сонячне випромінювання доносило до поверхні Землі ультрафіолетові промені, які в наш час стримуються озоновим шаром атмосфери. Так енергією забезпечувалося протікання хімічних реакцій між органічними сполуками та синтез полімерів.
Первинні клітини імовірно виникли за допомогою молекул жирів (ліпідів).
Молекули води, змочуючи тільки гідрофільні кінці молекул жирів, ставили їх як би «на голову», гідрофобними кінцями вгору. Таким способом створювався комплекс упорядкованих молекул жирів, які за рахунок додавання до них нових молекул поступово відмежовував від всієї навколишнього середовища деякий простір, яке і стало первинної клітиною, або коацерватів - просторово обособившейся цілісною системою. Коацервати виявилися здатними поглинати з зовнішнього середовища різні органічні речовини, що забезпечувало можливість первинного обміну речовин із середовищем.
Таким чином, первинна клітинна структура, на Опаріну, являла собою відкриту хімічну мікроструктуру яка була наділена здатністю до первинного обміну речовин, але ще не мала системи для передачі генетичної інформації на основі нуклеїнових кислот. Такі системи, що черпають з навколишнього середовища речовини та енергію, можуть протистояти наростанню ентропії і сприяти її зменшення в процесі свого росту і розвитку, що є характерною ознакою всіх живих систем.
Природний відбір зберігав ті системи, в яких були більш досконалими функція обміну речовин і пристосованість організму в цілому до існування в даних умовах зовнішнього середовища.
У ході природного відбору вижили системи, що мали особливу будову білкових полімерів, що зумовило появу третього якості живого - спадковість (специфічною форми передачі інформації).
Концепція А. І. Опаріна в науковому світі дуже популярна. Сильною її стороною є точне відповідність теорії хімічної еволюції, згідно з якою зародження життя - закономірний результат. Аргументом на користь цієї концепції є можливість експериментальної перевірки її основних положень в лабораторних умовах.
Слабкою стороною концепції А. І. Опаріна є припущення можливості самовідтворення коацерватних структур у відсутність систем, що забезпечують генетичне кодування. У рамках концепції Опаріна не вирішена головна проблема - про рушійні сили саморозвитку хімічних систем і переходу від хімічної еволюції до біологічної, про причину таємничого стрибка від неживої матерії до живої.
Глава II. Дослідно - експериментальна частина
§ 2.1 Абіотичні синтез біомономеров
Синтез амінокислот при дії електричних розрядів у газовій суміші, що імітує можливий склад примітивної земної атмосфери, було здійснено ще в 1953 р. у широко відомих у даний час дослідах Міллера. Використаний для цієї мети прилад Міллера зображений на рис 1. Він складається з великого круглого посудини, в якому знаходиться вихідна суміш газів і в якому виробляється електричний розряд, а також малої колби з киплячою водою - в ній накопичуються отримувані продукти.
При дії іскрового або тихого розряду на суміш СН 4, NH 3, H 2 і парів води при постійній (протягом тижня) циркуляції суміші в малій колбі були виявлені гліцин, α-аланін, α-аміномасляна і α-аміноіз масляна кислоти, β -аланін, аспарагінова і глутамінова кислоти, саркозин і N-СН 2-аланін. Проміжними продуктами цієї реакції були альдегіди HCN.
Рис. 1. Прилад Міллера для синтезу органічних сполук у відновній атмосфері під дією іскрових розрядів
1 - колба з киплячою водою, 2 - до вакуумного насоса; 3 - електроди;
4 - іскровий розряд; 5 - суміш газів (СН 4, NH 3, H 2 O, Н 2), 6 - вихід води з холодильника; 7 - холодильник; 8 - подача води в холодильник; 9 - вода, що містить
органічні сполуки; 10 - пастка
Дані Міллера були підтверджені в роботі Т. Є. Павловської і А. Г. Пасинского, в якій застосовувалася дещо інша апаратура, а надмірна кількість водню замінювалося на СО. У наступних роботах зазначених авторів було обгрунтовано положення, згідно з яким будь-яка реакція, що приводить до утворення альдегідів і HCN, обов'язкове повинна була сприяти накопиченню α-амінокислот в гідросфері первинної Землі.
Ебельсон, використовуючи більш складну вихідну суміш газів, що включає поряд із СН 4, NH 3 та Н 2 О також) СО, СО 2 і N 2, отримав аналогічну Міллеру суміш амінокислот.
Оро, використовуючи З 2 - і С 3-вуглеводні і концентрований NH 4 OH, доповнив зазначений список синтезованих в іскровому розряді амінокислот лейцином ізолейцин і валіном.
Гроссенбахер, пропускаючи іскровий розряд в спеціально сконструйованому приладі протягом 100 - 200 год. через суміш NH 3, CH 4 і Н 2, отримав у водному; розчині суміш амінокислот (співвідношення в молях): аспарагінова кислота - 2, треонін - 4, серії-14, гліцин-16, аланін-14, лізин - 4, лейцин - 2, ізолейцин - 2 і глутамінова кислота - 1. Крім того, він виявив пептиди, що складаються з гліцину і аланіну (5:1), а також гліцину і ізолейцин. До кінця експерименту продукти полімеризації амінокислот виділялися з розчину у вигляді дрібних багатомолекулярних сфер або крапель.
Менш численні дослідження з синтезу амінокислот при впливі на суміш примітивних газів іонізуючими випромінюваннями. Тут можна назвати досліди Дозі і Раєвського, які виявили освіту кислих і нейтральних амінокислот при дії рентгенових променів на газову суміш СН 4, NH 3, H 2, CO 2, N 2 і Н 2 О. При опроміненні β-променями від лінійного прискорювача (2 МеВ) розчинів ацетату амонію Гассельстромом, Генрі і Муррей були отримані гліцин і аспарагінова кислота, а при Х-опроміненні 60 Со (5 * 10 8 р.) твердого карбонату амонію Пашці, Чанг і Янг довели освіта гліцину і аланіну. Пальм і Кальвін, діючи на суміш метану, аміаку, водню і парів води пучком швидких електронів (5 МеВ при дозі жовтень 1910 ерг), синтезували гліцин і аспарагінову кислоту.
Освіта амінокислот при простому нагріванні вихідних розчинів було вперше виявлено Фоксом, Джонсоном і Вегодскім. Оро з співробітниками показав, що ряд амінокислот (гліцин, аланін, серії, аспарагінова кислота, треонін) виходить просто при нагріванні протягом 40-60 год. водних сумішей формальдегіду і гідроксиламіну при 80-100 ° С або навіть при більш низьких температурах. Аналогічні результати були отримані Лівому, Рисом і Маркхемом, які нагрівали 1,5 М водний розчин NH 3 та HCN при 90 ° протягом 18 год. і виявили при цьому значна кількість амінокислот, частково входять до пептиди і звільняються після гідролізу продуктів реакції (в тому числі, крім гліцину, аланіну і аспарагінової кислоти, вони отримали також лейцин, ізолейцин, серії, треонін і глутаминовую кислоту).
Але, звичайно, основне значення для первинного абіогенного синтезу органічних речовин мала все-таки енергія короткохвильових ультрафіолетових променів, легко досягала земної поверхні внаслідок відсутності в доактуалістіческую епоху озонового екрану. Синтез амінокислот і інших органічних сполук при експериментальній імітації такого роду умов особливо широко представлений зараз у світовій літературі.
Т. Є. Павловська і А. Г. Пасинскій при опроміненні водних розчинів, що містять 2,5% формальдегіду і до 1,5% хлористого або азотнокислого амонію, ультрафіолетовими променями від лампи ПРК-2 протягом 20 год. встановили освіта наступних амінокислот: серину, гліцину, глутамінової кислоти, аланіну, валіну, фенілаланіну і основних амінокислот - лізину, орнитина і аргініну.
У присутності адсорбентів (бентоніту, каолініту, лімоніта та оптичного кварцу) були знайдені ті ж амінокислоти (за винятком основних) і, крім того, ізолейцин. У подальшій роботі було показано утворення треоніну, а при заміні формальдегіду ацетальдегідом - аргініну і тирозину. Аналогічні результати були отримані іншими авторами при опроміненні короткохвильовим ультрафіолетовим світлом суміші примітивних газів та їх найближчих похідних. Потрібно відзначити, що як при електричних розрядах, так і при освітленні ультрафіолетовими променями у використаних для синтезу примітивних сумішах утворюються не тільки амінокислоти, але також органічні кислоти та альдегіди, аміни та аміди, зокрема мочівіна. Разом з тим у цих умовах відбувається полімерізція мономерних молекул, що призводить до утворення більш складних з'єднань.
§ 2.2 Абіотичні синтез полімерів
Наступним за утворенням мономерів кроком еволюції на шляху до виникнення життя було їхнє об'єднання в полімери, зокрема у сполуки, аналогічні білкам і нуклеїнових кислот, що грають виключно важливу роль в організації живих істот.
Принципова можливість такої далекосяжної абіогенної полімеризації органічних речовин підтверджується низкою дослідів, де в якості мономерів використовувалися в першу чергу амінокислоти і споріднені з ними сполуки.
Тут перш за все потрібно згадати про дослідження Акабюрі, який ще в 1955 р. вказував на можливість в умовах примітивної Землі абіогенного синтезу протобелков (тобто амінокислотних полімерів з випадковим розташуванням амінокислотних залишків у поліпептидному ланцюгу). Незабаром він довів цю можливість експериментально, отримуючи з формальдегіду, аміаку і HCN аміноацетонітрил, поліконденсатів якого адсорбувався на каоліні з утворенням полігліціна. Потім у полігліцін можна вводити бічні Ланцюги шляхом реакції з альдегідами або з ненасиченими вуглеводнями. Таким шляхом Акабюрі вдалося отримати полігліцін і його аналоги з молекулярною вагою приблизно рівним
15 000.
Фокс і його співробітники, імітуючи вулканічні умови, піддавали суміш 18 амінокислот нагріванню при 170 ° С на шматку лави протягом 6 год. Для того щоб розплавити суміш до її обвуглювання, бралося надмірна кількість дикарбонових амінокислот. В інших випадках нагрівання здійснювалося у присутності поліфосфатів, що дозволяло знизити температуру нагрівання до 100 ° С.
При такому температурному впливі утворюється бурштинового кольору полімер з молекулярною вагою в кілька тисяч (від 5 000 до 10 000), що містить всі взяті в досвід типові для білка амінокислоти (втратили, проте, свою оптичну активність). Цей полімер був названий Фоксом протеіноіди за його схожість з ряду ознак з білками.
При подальших дослідженнях були виявлені два дуже цікавих властивості протеіноідов: по-перше, те, що вони мають відомої внутрішньомолекулярної впорядкованістю, повторюваної послідовністю амінокислотних залишків, і, по-друге, мають хоча і слабку, але цілком експериментально виявляємо ферментативну активність (каталіз гідролізу, декарбоксилювання, амінування і дезамннірованія).
З численних робіт з синтезу поліпептидів у водному середовищі слід назвати наступні: поліконденсацію гліцину при його нагріванні у водному розчині амонію, при γ-опроміненні; ацетілгліцін при термальній обробці розчинів ціаністого амонію, при нагріванні суміші HCN, NH 3, при полімеризації аміноацетонітрил, ціанаміду і діціанаміда.
Дуже важливим питанням при синтезі поліпептидів і білковоподібних сполук є та послідовність, з якою амінокислотні залишки зв'язуються між собою в поліпептидні ланцюги. При сучасному біологічному синтезі білків ця характерна для кожного індивідуального білка послідовність (первинна структура) визначається нуклеїнових кодом, але, як зазначалося вище, вже при термальному синтезі Фокса, за відсутності нуклеїнових кислот створився певний постійний порядок сусідства амінокислот.
Штейнман приєднував першу в ряду амінокислоту до гранулам високомолекулярного полімеру (хлорметілірованного полістиролу) і таким чином отримував смолу з приєднаною до неї однією амінокислотою. Потім він досліджував відносну ефективність приєднання до неї низки інших амінокислот з незахищеною аминогруппой.
Експериментально визначаючи виходи різних дипептиду, Штейнман зіставляв ці результати з частотою амінокислотних пар, визначених за «Атласу білкових структур» в сучасних білках, і виявив значний збіг. Кальвін у своїй книзі «Хімічна еволюція» дає модель системи відтворення поліпептиду без матриці, на підставі контролю з боку зростаючого кінця. Цікаво зіставити ці висловлювання Кальвіна з чудовим синтезом поліпептиду (граміцидину С), здійсненим Ліпман.
У більш складних і досить важковідтворимі в природі умовах були синтезовані і полімери нуклеотидів, що утворюють ланцюжки, аналогічні молекулам нуклеїнових кислот сучасних організмів.
Чудові роботи Корнберга та інші показали можливість синтезу нуклеїнових кислот in vitro. Однак ці біосинтезу можуть проходити тільки в присутності відповідного специфічного ферменту, і тому вони не можуть служити моделлю для абіогенних процесів на примітивній Землі.
Певна ймовірність такого синтезу була вперше намічена Шрамма в його роботах з поліфосфорні ефіром. Надалі було показано, що цітідінфосфат може конденсуватися в олігонуклеотиди з допомогою поліфосфорною кислоти. У модельних дослідах, більш наближаються до умов первинної Землі, була показана здатність карбодіімідів стимулювати утворення ди-і трінуклеотідов із суміші нуклеозидів та нуклеотидів в розведених водних розчинах (Оргела і спів.).
Особливу роль у процесах первинної полімеризації грають, мабуть, фосфорні сполуки. При температурах близько 300 ° С і вище фосфорна кислота повністю конденсується з утворенням поліфосфатів. Тому на поверхні примітивної Землі, з її широко йде локальним розігрівом, поліфосфати та їх органічні сполуки повинні були утворюватися в досить широкому масштабі.
В даний час неорганічні поліфосфати виявлені в значних кількостях у нижчих організмів: у бактерій, водоростей, грибів і деяких найпростіших. Це лінійні полімери ортофосфорної кислоти з молекулярною вагою 30 000-100 000. З ряду об'єктів виділено також циклічні триметил-і тетраметафосфати.
Як було показано Н. С. Кулаєва та іншими, неорганічні поліфосфати грають істотну роль в енергетичному обміні нижчих організмів на противагу високоорганізованим живим істотам, для яких вони не є характерними.
Все це дозволяє думати, що на зорі виникнення життя на Землі неорганічні поліфосфати цілком могли брати участь в утворенні найпростіших механізмів сполучення енергодающіх і енергоспоживаючих реакцій, тобто грати ту роль в передбіологічній і ранньому біологічному обміні, яка зараз здійснюється аденозинтрифосфорної кислотою.
Поннамперума, Саган та Марінер використовували етілметафосфат для модельних дослідів з синтезу нуклеотидних компонентів. При цьому необхідним джерелом енергії ім служив ультрафіолетове світло з довжиною хвилі 2400-2900 А, який був цілком доступний примітивної земної поверхні. Синтези велися у водних розчинах аденіну, аденозину, адениловой кислоти, рибози і етілметафосфата. Суміші висвітлювалися ультрафіолетовим світлом з довжиною хвилі 2537 А при 40 ° С. При цьому було встановлено перетворення аденіну в аденозин, аденозину у аденозинмонофосфат (АМФ), АМФ в аденозіндифосфат (АДФ) і нарешті АДФ у аденозинтрифосфат (АТФ). Таким чином, була доведена можливість абіотичного синтезу в умовах доактуалістіческой земної поверхні аденозинтрифосфорної кислоти - цієї основної «енергетичної валюти» сучасних вищих організмів.
Отже, широко розгорнулися в даний час модельні досліди з абіотичного синтезу органічних речовин в умовах, що імітують прімордіальние земні умови, дозволяють нам з відомою часткою ймовірності уявити собі послідовний хід хімічної еволюції від найпростіших вуглецевих з'єднань до високополімерний речовин, з яких утворилися ті «організовані елементи» або примітивні організми, залишки яких ми виявляємо у відкладеннях земної кори.
На цьому етапі розвитку матерії і стався на нашій планеті перехід від хімічної еволюції до біологічної, коли з гомогенного розчину органічних речовин відокремилися індивідуальні цілісні системи - пробіонти, а потім і первинні живі істоти.
Ми можемо скласти уявлення про цей перехід шляхом зіставлення сучасних даних порівняльної біохімії з лабораторними модельними дослідами.
Висновок.
Зародження життя - точка відліку для розвитку всього живого світу на Землі. Саме в цей момент почали функціонувати фундаментальні закони існування живих організмів, які з ходом поступального розвитку життя ставали тільки більш багаторівневими і диференційованими. Не зрозумівши суті цих базисних законів, ми позбавляємо себе можливості осмислити цілий ряд найважливіших аспектів в еволюційній біології, цитології, мікробіології, екології, вченні про біосферу та інших науках, включаючи медицину і валеологію. Можна сказати, що розуміння причини і механізму виникнення первинних живих форм є тим ключем, який полегшить проникнення в таємниці існування рослин, тварин і людини, і допоможе знайти оптимальні підходи до їх гармонійному, або органічному, співіснування. Саме тому «оріджінологія» - наука про виникнення життя, повинна зайняти гідне місце в ряду інших наук.Крім пізнавального аспекту, оріджінологія має найважливіше практичне значення. В даний час на планеті швидкими темпами розвиваються глобальні зміни, пов'язані, перш за все з погіршенням стану екосистем і здоров'я населення планети. Багато вчених сходяться на думці, що головним резервом, на який людство може спиратися у своєму подальшому існуванні, є системний ресурс біосфери. Іншим резервом, є системний ресурс самої людини, його величезні потенційні можливості, які можуть розгортатися у важких ситуаціях. У рішенні обох цих проблем можуть бути використані знання, накопичені вченими в ході досліджень, присвячених виникненню життя на Землі.
Порівнюючи перші теорії, висунуті кілька десятиліть тому Опаріним, Холдейна і Берналом - першопрохідцями в цій області досліджень, - з положеннями, досягнутими до теперішнього часу, ми бачимо, як з набору слабко обгрунтованих фактами гіпотез, виросла сучасна теорія, як незмірно збільшилися наші знання. Ми знаємо тепер слабкі місця вихідних гіпотетичних побудов. На багатьох прикладах ми зрозуміли, які з цих побудов треба відкинути, які заслуговують збереження. У результаті відпали багато неясності, ми змогли точніше уявити собі, як виникло життя.
Навіть зараз, не чекаючи нових відкриттів, які, безсумнівно, з'являться в майбутньому, ми з високим ступенем вірогідності можемо стверджувати, що життя розвинулася природним шляхом з якоїсь преджізні, що складалася з «органічних» сполук, створених у результаті неорганічних процесів .. ця теорія добре узгоджується з великим числом перевірених наукових фактів і спостережень, отриманих фахівцями в самих різних природних науках. У цьому її перевага перед більш ранніми гіпотезами, в яких було чимало суперечностей і нісенітниць, тим більше якщо включати в їх число постулати про неземне, а то й надприродне походження життя. Зараз ці постулати визнаються не тільки недостовірними, а й просто зайвими; наука їх відкидає. Життя на Землі могло виникнути природним шляхом, і, судячи з відомим фактам, саме так вона й виникла.
Список літератури
1. Камшілов М. М. Еволюція біосфери. М.: «Наука», 1974. 57-69, 87, 90-91, 94-96, 117-120, 240с.
2. Колясніков Ю. А. До таємниць світобудови. Магадан: ПСНЦ ДВО РАН, 1997. 225 с.
3. Компаніченко В. М. Виникнення життя в глибинах гідротермальних систем. Хабаровськ, 1996, 24-38, 98-100с.
4. Калвін В. Хімічна еволюція. М.: «Наука», 1971 - 10-14, 25-33, 45-49, 58-60 с.;
5. Опарін А. І. Матерія - Життя - Інтелект. М.: «Наука», 1977, 5-6, 96-117 с.
6. Найдиш В. М. Концепції сучасного природознавства: Учеб. посібник. - М.: Гардаріки, 2000. - 115-124с.
7. Мотильова Л. С., Скоробогатов В.А., Сударіков А. М. Концепції сучасного природознавства: Підручник для вузів - СПб.: Видавництво Союз, 2000. - 228-237с