Природничонаукові моделі походження життя

Зміст
Введення
Природничонаукові моделі походження життя
Висновок
Список використаної літератури

Введення
Природа життя, її походження, різноманітність живих істот і об'єднує їх структурна і функціональна близькість займає одне з центральних місць в біологічній проблематиці.
Теорії, що стосуються виникнення Землі, та і всьому Всесвіті, різноманітні і далеко не достовірні.
Згідно з теорією стаціонарного стану, Всесвіт існував вічно. Згідно з іншими гіпотезами, Всесвіт виник із згустку нейтронів внаслідок Великого вибуху, народилася в одній з чорних дір або ж був створений Творцем. Всупереч існуючим уявленням, наука не може спростувати тезу про божественне створення Всесвіту, так само як теологічні погляди не обов'язково відкидають можливість того, що життя в процесі свого розвитку придбало межі, з'ясовні на основі законів природи.

Природничонаукові моделі походження життя
«Загадка появи життя на Землі з незапам'ятних часів хвилює людей. Протягом століть змінювалися погляди на цю проблему, і було висловлено велику кількість найрізноманітніших гіпотез і концепцій. Деякі з них набули широкого поширення і домінували в ті чи інші періоди розвитку природознавства »[1].
До теоріям (моделями) походження життя відносять:
1) креаціонізм, який стверджує, що життя створене надприродною істотою в результаті акту творіння;
2) концепцію стаціонарного стану, відповідно до якої життя існувала завжди;
3) концепцію самовільного зародження життя, що грунтується на ідеї багаторазового виникнення життя з неживої речовини;
4) концепцію панспермії, яка стверджує, що життя занесене на Землю з космосу;
5) концепцію випадкового одноразового походження життя;
6) концепцію закономірного походження життя шляхом біохімічної еволюції.
Таке розмаїття поглядів викликано тією обставиною, що точно відтворити чи експериментально підтвердити процес зародження життя сьогодні неможливо. Зазначені теорії переважно спираються на умоглядні уявлення як дослідників природничо-наукового напряму, так і дослідників, що дотримуються теологічних поглядів.
Отже, розглянемо більш докладно перераховані вище моделі походження життя.
Креаціонізм
Концепція креаціонізму має найдовшу історію, оскільки практично у всіх релігіях виникнення життя розглядається як акт Божественного творіння, свідченням чого є наявність у живих організмах особливої ​​сили, яка керує всіма біологічними процесами. Процес божественного створення світу і живого недоступний для спостереження, і божественний задум недоступний людському розумінню.
Питання про тривалість творення світу точно не визначений у креаціонізм, тому що У Біблії сказано, що Бог створив світ за шість днів. Деякі християнські теологи вірять, що це були звичайні дні по 24 години. Інші вважають, що це образне вираження і на самому ділі кожен день творіння займав тисячу років. Але у всіх випадках міркування про походження життя засновані тільки лише на вірі в біблійні одкровення, сумніватися в яких не можна. Наукові ж істини у відповідності з принципом фальсифікації завжди піддаються сумніву.
Таким чином, концепція креаціонізму, по суті, наукової не є, адже вона виникла в рамках релігійного світогляду. Вона стверджує, що життя така, яка вона є, тому що такий її створив Бог. Тим самим практично знімається питання про наукове вирішенні проблеми походження життя, так як всі релігії вимагають приймати це положення на віру, без доказів. Незважаючи на ці факти, дана модель походження життя на землі досить популярна.
Теорія стаціонарного стану
Прихильники теорії вічного існування життя вважають, що Земля ніколи не виникала, а існувала вічно, і разом з нею завжди існували різні види живого. Але при цьому деякі види тварин вимерли, деякі змінилися, а деякі залишилися колишніми. Велика частина аргументів на користь цієї теорії полягає в дослідженнях палеонтологів, що виявили зникнення деяких видів тварин у процесі еволюції, відсутність слідів перехідних ланок між різними видами живого і все більш високими оцінками віку Землі. Внаслідок цього автори і прихильники цієї моделі говорять, що життя на Землі ніколи не виникала, а існувала завжди. У різні геологічні епохи змінювалися лише форми життя. Ще вони вважають, що і різні види тварин існували завжди, що у кожного виду є лише дві можливості існування: зміна чисельності або вимирання.
Отже, розглянувши теорію стаціонарного стану, можна зробити висновок, що її також не можна віднести до природничо, тому що питання про походження життя в ній принципово не варто: життя розглядається як вічно існуюча.
Модель самовільного (спонтанного) зародження життя
«Дана концепція також зародилася давно і довгий час була єдиною альтернативною креаціонізму. Ідея про мимовільне зародження життя з'явилася в результаті повсякденних спостережень за тим, як в сміттєвих купах, гниючих покидьків постійно з'являються личинки, черв'яки, мухи. Оскільки про існування мікроорганізмів в ті далекі часи не було нічого відомо, то вважалося, що всі нижчі організми з'являються шляхом самозародження. Вчені Середньовіччя, наприклад, допускали, що риби могли зародитися з мулу, миші - з бруду, мухи - з м'яса і т.д. Подібних поглядів дотримувалися багато відомих учених (Арістотель, Парацельс, Коперник, Галілей, Декарт та ін), завдяки авторитету яких концепція самовільного зародження життя змогла існувати так довго »[2].
Проте починаючи з XVII ст. стали накопичуватися дані, які суперечать такого розуміння походження життя.
«У 1765 році Ладзаро Спаланцані провів наступний досвід: піддавши м'ясні і овочеві відвари кип'ятіння протягом кількох годин, він відразу ж їх запечатав, після чого зняв з вогню. Дослідивши рідини через декілька днів, Спаланцані не виявив у них жодних ознак життя. З цього він зробив висновок, що висока температура знищила всі форми живих істот, і що без них ніщо живе вже не могло виникнути.
У 1860 році проблемою походження життя зайнявся Луї Пастер. До цього часу він вже багато зробив у галузі мікробіології і зумів вирішити проблеми, що загрожували шовківництву і виноробства. Він показав також, що бактерії всюдисущі і що неживі матеріали легко можуть бути заражені живими істотами, якщо їх не стерилізувати належним чином.
У результаті ряду експериментів, в основі яких лежали методи Спаланцані, Пастер довів справедливість теорії біогенезу і остаточно спростував теорію спонтанного зародження »[3].
Концепція самозародження життя, незважаючи на свою помилковість, зіграла позитивну роль у розвитку природознавства, оскільки досліди, покликані підтвердити її, допомогли отримати багатий емпіричний матеріал для розвивається біологічної науки.
Теорія панспермії
Практично одночасно з дослідами Пастера німецьким ученим Г. Ріхтером була висловлена ​​гіпотеза про занесення живих істот на Землю з космосу, що отримала пізніше назву концепції панспермії. Відповідно до цієї гіпотези життя у вигляді «насіння» широко поширена в космосі, звідки зародки простих організмів могли потрапити в земні умови разом з метеоритами і космічним пилом і дати початок еволюції всього живого, породивши таким чином все різноманіття земного життя. Тобто дана теорія допускала можливість виникнення життя в різний час в різних частинах Галактики і перенесення її на Землю тим чи іншим способом. Основну ідею концепції панспермії поділяли найбільші вчені кінця XIX ст. У. Томсон (барон Кельвін), Г. Гельмгольц, В.І. Вернадський і ін
У 1908 році шведський хімік С. Арреніус висунув схожу гіпотезу походження життя з космосу. Він припустив, що зародки, з яких розвивається життя, завжди існують в космічному просторі, рухаючись там під впливом світлових променів. Вони можуть осідати на поверхні планет, де потім з них розвивається життя. Таким чином, Арреніус вважав, що життя на Землі виникла тоді, коли ці самі зародки осіли на її поверхні.
Концепція панспермії була підтримана багатьма відомими вченими, що сприяло її широкому розповсюдженню. Досить велика кількість прихильників має ця концепція і в наші дні. Так, американські астрономи, вивчаючи газову туманність, віддалену від Землі на 25 тисяч світлових років, знайшли у її спектрі сліди амінокислот і інших органічних речовин. На початку 1980-х рр.. американські дослідники виявили в Антарктиді осколок породи, вибитою колись з поверхні Марса найбільшим метеоритом. За допомогою електронного мікроскопа в цьому камені були виявлені скам'янілі рештки мікроорганізмів, схожі на земні бактерії. Це говорить про те, що в минулому на Марсі існувала примітивне життя, може бути, вона є там і зараз.
Тим не менш, серйозних аргументів на користь концепції панспермії немає. При цьому існують серйозні доводи проти неї. Справа в тому, що, хоча спектр можливих умов для існування живих організмів досить широкий, все ж вважається, що вони повинні загинути в космосі під дією ультрафіолетових і космічних променів.
Але було також багато супротивників цієї теорії, які намагалися її спростувати. «Так, А.І. Опарін показав, що ця теорія, строго кажучи, нічого не дає. У всякому разі, вона не має ніякого відношення до походження життя, бо навіть якщо вдасться довести, що життя було занесене на нашу планету ззовні, то це не звільняє нас від необхідності пояснити, як же вона виникла спочатку. Теорія панспермії дозволяє вирішити лише проблему походження земного життя, одночасно збільшуючи складність основної проблеми у багато разів »[4].
Модель випадкового одноразового походження життя
На початку XX ст. американський генетик Г. Меллер продовжив вирішення питання про походження життя на землі. Він висунув гіпотезу про випадковий виникненні первинної молекули живої речовини. Суть гіпотези полягає в припущенні, що жива молекула, здатна розмножуватися, могла виникнути випадково в результаті взаємодії найпростіших речовин. Він вважає, що елементарна одиниця спадковості - ген - є основою життя. І життя у формі гена, на його думку, виникла шляхом випадкового поєднання атомних угруповань і молекул, що існували у водах первинного океану. Гіпотеза випадкового одноразового появи життя отримала особливо широке поширення серед генетиків після відкриття ролі ДНК в явищах спадковості.
Однак, незважаючи на широке поширення даної теорії, вона також була спростована через відсутність доказів. Також слід зазначити, що у даної природничо моделі походження життя на Землі в даний час практично немає прихильників.
Модель біохімічної еволюції. Теорія А.І. Опаріна
На початку XX століття вчені були переконані в тому, що між органічними та неорганічними сполуками не існує ніякого взаємозв'язку. Вони вважали, що органічні сполуки можуть виникати тільки в живому організмі, біогенні. Саме тому їх назвали органічними сполуками в протилежність речовин неживої природи - мінералів, які отримали назву неорганічних сполук. Вважалося, що природа неорганічних речовин абсолютно інша, а тому виникнення навіть найпростіших організмів з неорганічних речовин принципово неможливо. Однак, після того як із звичайних хімічних елементів було синтезовано перший органічна сполука, уявлення про двох різних сутностях органічних і неорганічних речовин виявилося неспроможним. У результаті цього відкриття виникли органічна хімія та біохімія, які вивчають хімічні процеси в живих організмах.
Крім того, дане наукове відкриття дозволило створити концепцію біохімічної еволюції, згідно з якою життя на Землі виникла внаслідок фізичних і хімічних процесів. Вихідну основу цієї гіпотези склали дані про подібність речовин, що входять до складу рослин і тварин, а також про можливості в лабораторних умовах синтезувати органічні речовини, що становлять білок.
На основі цих відкриттів А.І. Опарін написав книгу про свою моделі походження життя. Дана книга під назвою «Походження життя» була опублікована в 1924 році. У ній була викладена принципово нова гіпотеза походження життя. Опарін виступив з твердженням, що «принцип Реді, що вводить монополію біотичного синтезу органічних речовин, справедливий лише для сучасної епохи існування нашої планети. На початку ж свого існування, коли Земля була млявою, на ній відбувалися абіотичні синтези вуглецевих сполук і їх подальша передбіологічній еволюція »[5].
Виникнення життя Опарін розглядав як єдиний природний процес, який складався з протікала в умовах ранньої Землі первісної хімічної еволюції, перейшла поступово на якісно новий рівень - біохімічну еволюцію. Суть гіпотези зводилася до наступного: зародження життя на Землі - тривалий еволюційний процес становлення живої матерії в надрах неживої. Сталося ж це шляхом хімічної еволюції, результатом якої стало утворення органічних речовин з неорганічних під впливом сильнодіючих фізико-хімічних факторів.
Розглядаючи проблему виникнення життя шляхом біохімічної еволюції, Опарін виділяє три етапи переходу від неживої матерії до живої:
1) етап синтезу вихідних органічних сполук з неорганічних речовин в умовах первинної атмосфери ранньої Землі;
2) етап формування в первинних водоймах Землі з накопичилися органічних сполук біополімерів, ліпідів, вуглеводнів;
3) етап самоорганізації складних органічних сполук, виникнення на їх основі і еволюційне вдосконалення процесів обміну речовиною та відтворення органічних структур, що завершується утворенням найпростішої клітини.
На першому етапі, близько 4 млрд. років тому, коли Земля була млявою, на ній відбувалися абиотический синтез вуглецевих сполук і їх подальша передбіологічній еволюція. На даному етапі еволюції Землі були характерні численні вулканічні виверження з викидом великої кількості сильно розклеєному лави. У процесі охолодження планети атмосферні водяні пари конденсувалися і перетворювалися у зливи, внаслідок яких з'являлися величезні водяні простору. Оскільки поверхня Землі залишалася ще гарячою, вода випаровувалася, охолоджуючись пізніше у верхніх шарах атмосфери. Після охолодження вона знову перетворювалася у зливу. Ці процеси тривали багато мільйонів років.
Таким чином, у водах первинного океану були розчинені різні солі. Також в первинний потрапляли і органічні сполуки: цукру, амінокислоти, азотисті основи, органічні кислоти і т.д., постійно утворюються в атмосфері під дією ультрафіолетового випромінювання, високої температури і активної вулканічної діяльності.
Опарін припускав, що первинний океан містив в розчиненому вигляді різні органічні і неорганічні молекули, що потрапили в нього з атмосфери і поверхневих шарів Землі. Концентрація органічних сполук постійно збільшувалася, що призвело до перетворення океану в «бульйон» з белковоподобних речовин - пептидів.
На другому етапі, у міру пом'якшення умов на Землі, під впливом на хімічні суміші первинного океану електричних розрядів, теплової енергії і ультрафіолетових променів стало можливим утворення складних органічних сполук - біополімерів і нуклеотидів. Вони, у свою чергу, об'єднувалися і ускладнювалися, перетворюючись на протобіонти (доклеточний предки живих організмів). Підсумком еволюції складних органічних речовин стала поява коацерватів.
Коацервати являють собою комплекси колоїдних частинок, розчин яких поділяється на два шари: шар, багатий колоїдними частинками, і рідина, майже вільну від них. Коацервати мали здатність поглинати різні речовини, розчинені у водах первинного океану. У результаті внутрішня будова коацерватів змінювалося, що вело або до їх розпаду, або до накопичення речовин, тобто до зростання і зміни хімічного складу, що підвищує їх стійкість в постійно мінливих умовах. Концепція біохімічної еволюції розглядає коацервати як передбіологічних системи, що представляють собою групи молекул, оточені водною оболонкою. Коацервати були здатні поглинати з зовнішнього середовища різні органічні речовини, що забезпечило можливість первинного обміну речовин із середовищем.
На третьому етапі за припущенням Опаріна почав діяти природний добір. Серед коацерватних крапель відбувався відбір коацерватів, найбільш стійких до даних умов середовища. Процес відбору йшов протягом багатьох мільйонів років, після цього збереглися лише деякі з коацерватів. Збережені коацерватние краплі мали здатність до первинного метаболізму. А обмін речовин - найперша властивість життя. Коли крапля досягала великих розмірів, вона розпадалася на кілька дрібних. Тобто у коацерватів з'явилися властивості самовідтворення. Значить, на цій стадії коацервати перетворилися на найпростіші живі організми.
Подальша еволюція цих передбіологічних структур була можлива тільки при ускладненні обмінних та енергетичних процесів усередині коацервата. Більш міцну ізоляцію внутрішнього середовища від зовнішніх впливів могла забезпечити тільки мембрана. Навколо коацерватів, багатих органічними сполуками, виникли шари ліпідів, які відділили коацерват від навколишнього його водного середовища. У процесі еволюції ліпіди трансформувалися в зовнішню мембрану, що значно підвищило життєздатність і стійкість організмів. Поява мембрани визначило напрямок подальшої хімічної еволюції по шляху все більш досконалої саморегуляції аж до виникнення перших кліток.
Модель походження життя, представлена ​​Опаріним отримала вельми широке розповсюдження і велику популярність. Але експерименти почали проводитися тільки лише в 1950 - 1960-і роки. «Так, в 1953 році С. Міллер у ряді експериментів змоделював умови, що існували на ранньому етапі еволюції Землі. У зробленої ним установці були синтезовані багато амінокислот, аденін, прості цукри та інші речовини, що мають важливе біологічне значення. Після цього Л. Орджел в подібному експерименті синтезував прості нуклеїнові кислоти »[6].
Але, незважаючи на те, що дана теорія має експериментальну обгрунтованість і теоретичну переконливість, що є плюсом, у неї також можна виділити і мінуси. Навіть можна сказати, не мінуси і плюси, а її сильні і слабкі сторони.
Сильною стороною теорії є досить точне еспе-риментальном обгрунтування хімічної еволюції, згідно з якою зародження життя є закономірним результатом добіологіческой еволюції матерії. Переконливим аргументом на користь цієї концепції є також можливість експериментальної перевірки її основних положень. Це стосується не тільки лабораторного відтворення передбачуваних фізико-хімічних умов первинної Землі, а й коацерватів, що імітують доклітинних предків та їх функціональні особливості.
Слабкою стороною концепції є неможливість пояснення самого моменту стрибка від складних органічних сполук до живих організмів, адже ні в одному з поставлених експериментів отримати життя так і не вдалося. Крім того, Опарін допускав можливість самовідтворення коацерватів у відсутність молекулярних систем з функціями генетичного коду. Іншими словами, без реконструкції еволюції механізму спадковості пояснити процес стрибка від неживого до живого не вдається. Тому сьогодні вважається, що вирішити цю складну проблему біології без залучення концепції відкритих каталітичних систем, молекулярної біології, а також кiбернетики не вийде.
Таким чином, можна зробити висновок, що всі з теорій природничо походження життя мають ті чи інші докази, а також ті чи інші спростування.
Сучасна теорія походження життя заснована на ідеї про те, що біологічні молекули могли виникнути в далекому геологічному минулому неорганічним шляхом. Для виникнення життя потрібні певні температури, вологість, тиск, рівень радіації, певна спрямованість розвитку Всесвіту і час.
Земля підходила для зародження життя. Її вік 4,6 млрд. років. Температура поверхні в початковий період була 4000-8000 ° С і в міру охолодження Землі вуглець і більш тугоплавкі метали конденсувалися і утворили земну кору. Первинна атмосфера Землі протягом 2 млрд років складалася, імовірно, головним чином з водяної пари, N2, C02, з невеликою домішкою інших газів (NH3, CH4, H2S) при майже повній відсутності 02 (практично весь кисень, що міститься в атмосфері в даний час , є продуктом фотосинтезу). Відсутність у первісній атмосфері кисню було необхідною умовою виникнення життя, оскільки органічні речовини легше створюються в відновному середовищі. За відсутності кисню, який міг би їх зруйнувати, а також живих організмів, які використовували б їх у їжу, абиогенно утворилися органічні речовини накопичувалися в Світовому океані, яка виникла у міру охолодження поверхні Землі внаслідок конденсації водяної пари і випадання опадів.
У 1953 році Г. Меллер експериментально встановив, що при підведенні енергії до газової суміші, що містить вуглець, водень, кисень і азот, в відновному середовищі утворюються всі важливі деталі для побудови біоречовин: амінокислот, гидроокисей, цукрів, пуринових і піримідинових основ. З ініціацією хімічних процесів на планеті Земля почалася фаза хімічної еволюції близько 4-4,5 млрд. років тому. Основним результатом першої стадії хімічної еволюції стала інтеграція простих атомів Н, С, N, Р, ... у відносно складні органічні молекули. Результатом хімічної еволюції стала інтеграція атомів хімічних елементів в багато складні органічні молекули, а молекул - в багато ще більш складні ланцюгові молекули. Важливу роль в цих перетвореннях грали такі хімічні елементарні процеси: гомогенний і гетерогенний каталіз, Автокаталіз, бистабильность і коливання.
Наступним кроком було утворення більших полімерів з малих органічних мономерів, знову ж таки без участі живих організмів. Мабуть, на первинній Землі освіта полімерів з випадковою послідовністю амінокислот або нуклеотидів могло відбуватися при випаровуванні води у водоймах, що залишилися після відпливу. Якщо полімер утворився, він здатний впливати на утворення інших полімерів.
Складну хімічну еволюцію зазвичай висловлюють наступною узагальненою схемою: атоми -> прості з'єднання -> прості біоорганічні з'єднання -> макромолекули -> організовані системи. Наступним етапом після хімічної еволюції елементів є біохімічна еволюція.
Життя як особлива форма існування матерії характеризується двома відмінними властивостями - самовідтворенням і обміном речовин з навколишнім середовищем. На властивостях саморепродукції та обміну речовин будуються всі сучасні гіпотези виникнення життя.

Висновок
Життя - це особлива форма існування матерії. Характерні особливості життя - обмін із зовнішнім середовищем, відтворення собі подібних, постійний розвиток.
Питання про походження життя - один з найважчих у сучасному природознавстві. У першу чергу тому, що ми сьогодні не можемо відтворити процеси виникнення життя такими, якими вони були мільярди років тому. Адже навіть найбільш ретельно поставлений досвід буде лише моделлю, наближенням, безумовно позбавленим ряду факторів, що супроводжували появу живого на землі. І тим не менш наука успішно вирішує питання про походження живого, проводить численні дослідження, постійно розширює наші уявлення про зародження життя. Це цілком зрозуміло: проблема життя лежить у фундаменті всіх біологічних наук і значною мірою - всього природознавства.

Список використаної літератури
1) Концепції сучасного природознавства. Дубніщева Т.Я. 6-е вид., Испр. і доп. - М.: Видавничий центр «Академія», 2006
2) Концепції сучасного природознавства. Гусейханов М.К., Раджабов О.Р. 6-е вид., Перераб. і доп. - М.: Дашков і К ^о, 2007
3) Концепції сучасного природознавства. Карпенків С.К. 6-е вид., Перераб. і доп. - М.: Вища школа, 2003
4) Концепції сучасного природознавства. Кунафин М.С. 2-е вид., Расшир. і доп. - Уфа, 2003
5) Концепції сучасного природознавства. Лавріенко В.М., Ратніков В.П. 3-тє вид., Перераб. і доп. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006
6) Концепції сучасного природознавства. Найдиш ст. М. Вид. 2-е, перероб. і доп. - М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2004
7) Концепції сучасного природознавства. Садохін А.П. 2-е вид., Перераб. і доп. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006
8) Концепції сучасного природознавства. Самигін С.І., 4-е вид., Перераб. і доп. - Ростов н / Д: «Фенікс», 2003