Эволюция протобионтов

Реферат по теме: “Эволюция протобионтов”

 

 

Введение

Живая природа всегда поражала человека своим многообразием, сложностью, целесообразностью, беспрерывным и быстрым изменением. От невидимого мира и микроорганизмов, бесчисленных простейших, лишайников, мхов, трав, кустарников и деревьев до мира животных - насекомых, рыб, земноводных, птиц, млекопитающих - такова цепь жизни, которая тянется к венцу природы - человеку, единственному из биологических существ, способному изучать и осмысливать закономерности природы.

На протяжении тысячелетий жизнь, ее зарождение и развитие, удивительная приспособляемость, наконец, сам человек с его разумом - все это казалось людям таинственным, необъяснимым, сверхъестественным. Немало столетий прошло, пока человек накопил достаточно знаний для научного понимания мира живой природы. Для этого понадобилось развитие физики и химии, познание законов строения живых организмов, деятельности их органов и тканей, умение заглянуть внутрь организмов, проникнуть в мельчайшую их структуру. Пытливая мысль и эксперименты многих и многих поколений естествоиспытателей привели к заключению о постоянном развитии всего многообразия растительных и животных видов в процессе смены бесчисленных поколений белковых тел.

 

Эволюция химических соединений на земле

Эволюцию, которую прошли химические соединения на нашей планете, можно разделить на четыре стадии: 1) неорганическую; 2) органическую; 3) биохимическую; 4) антропогенную.

Неорганическая стадия связана с химическими превращениями без образования цепей из атомов углерода, который, как известно, обладает наибольшим эволюционным потенциалом. На этой стадии образовывались наиболее простые вещества и происходили относительно несложные процессы.

Вторая стадия - органическая - по сути есть химия соединений углерода. Здесь происходит резкое усложнение химизма и формируются все необходимые предпосылки для возникновения жизни.

Следующая стадия - биохимия, иди химия живого. С возникновением жизни высшей и наиболее сложной формой материи становится биологическая. К специфике соотношения химического и биологического можно отнести следующие закономерности:

* жизнь  возникает в ходе протекания  химических процессов, хотя переход  от неживого к живому пока  воспроизвести не удается;

* с возникновением  жизни большая часть химических веществ продолжает существовать по своим собственным законам вне живых организмов. При этом неживое вещество служит внешней средой, с которой живое находится в постоянной динамичной связи (обмен веществ между организмом и средой);

* некоторая  часть химических веществ после возникновения живого включается в состав живых организмов. Биохимия, или химия живого, намного сложнее химических процессов, идущих вне живого организма. Одновременно биохимия - часть химической науки и в ней действуют в особых формах все химические законы. Биохимические процессы являются основой жизни, они воздействуют на биологические явления, накладывая на них определенные ограничения.

* биохимические  процессы развиваются под контролем  биологических процессов и закономерностей, например естественного отбора. В живом организме химический синтез направлен на поддержание его жизнеспособности.

* в живой  природе возникает новое качество - биологическое, которое имеет в  своей основе сложные химические  механизмы и в то же время  не может быть сведено даже к самому сложному набору химических процессов.

Критерии жизни

При попытке определить сущность жизни на научном уровне возникают значительные трудности. Большинство ученых убеждены, что жизнь представляет собой особую форму существования материального мира. До конца 50-х годов классическим считалось определение Ф. Энгельса, которое гласило, что жизнь есть способ существования белковых тел, состоящий в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел. Однако уже к началу 60-х годов стало очевидным, что вещественная основа жизни сводится не только к белкам, а функциональная - не только к присущему живым организмам обмену веществ. Например, Э. Шредингер определял жизнь как апериодический кристалл, Г. Югай -как космическую организованность материи. Некоторые определения подчеркивают энергетический аспект жизни - противостояние энтропийным процессам, другие возникновение точной пространственной редубликации, или матричного копирования, осуществляемого посредством нуклеиновых кислот.

Современная биология в вопросе о сущности живого все чаще идет по пути перечисления основных свойств живых организмов или критериев жизни. При этом подчеркивается то, что только совокупность таких свойств может дать представление о специфике жизни. К числу критериев жизни обычно относят следующие:

* живые  организмы характеризуются упорядоченной  сложной структурой, уровень их  организации значительно выше, чем  в неживых системах;

* живые  организмы получают энергию из  окружающей среды, причем большинство  из них прямо или косвенно используют солнечную энергию;

* все живые  организмы, как растения, так и  животные, реагируют на изменения  в окружающей среде (раздражимость);

* живые  организмы не только изменяются, но и усложняются;

* все живое  размножается. Способность к самовоспроизведению - основополагающий признак жизни, поскольку при этом проявляется действие механизма наследственности и изменчивости, которые определяют эволюцию всех видов живой природы;

* живые  организмы передают по наследству  заложенную в них информацию, необходимую для развития и размножения потомства. Эта информация заложена в генах - единицах наследственности, мельчайших внутриклеточных структурах. Генетический материал определяет направление развития организма. Информация в процессе передачи несколько изменяется, поэтому потомство не только похоже на родителей, но и отличается от них;

* живые  организмы хорошо приспособлены  к среде обитания и соответствующему  образу жизни.

В упрощенном виде можно считать, что все живые организмы питаются, дышат, растут, размножаются и распространяются в природе, а неживые тела не питаются, не дышат, не растут и не размножаются.

Теория саморазвития элементарных открытых каталитических систем

Живое вещество разделено на дискретные образования - организмы, более простыми прообразами которых являются элементарные каталитические системы А. П. Руденко. Теория саморазвития элементарных открытых каталитических систем (ЭОКС) в общем виде была выдвинута профессором Московского университета А. П. Руденко в 1964 году и в развернутой форме появилась в 1969 году. Она является наиболее подробно разработанным вариантом общей теории химической эволюции и биогенеза, решает в комплексе вопросы о движущих силах и механизме эволюционного процесса, то есть о законах химической эволюции, об отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, об уровне химической организации и иерархии химических систем в процессе эволюции.

Ряд химических процессов вообще невозможно провести без участия катализаторов. Наиболее сложным случаем катализа является автокатализ, возникающий при каталитическом воздействии продукта реакции на вступающие в нее исходные вещества. Таким образом, на химическом уровне организации материи возникает способность многократного самоускорения, изменения и развития.

Каталитические реакции исключительно разнообразны, многочисленны и являются главным предметом исследований современной химии.

Свою теорию А. П. Руденко основывал на мультиплетной теории катализа академика А. А. Баландина.

Основные положения теории А. А. Баландина сводятся к трем выводам:

1. Катализатор  увеличивает скорость реакции, то  есть катализ может быть только  положительным.

2. Катализаторы  способны ориентировать реакции  в одном из возможных направлений.

3. Катализаторы  химически взаимодействуют с  реагентами и образуют промежуточный (мультиплетный) комплекс, обладающий свойствами переходного состояния (по иной терминологии - активированный комплекс).

А. П. Руденко называет такой промежуточный комплекс элементарной каталитической системой. Если каталитическая реакция сопровождается постоянным притоком извне новых реактивов, отводом готовых продуктов и выполнением еще некоторых условий, реакция может протекать неограниченно долго, находясь на одном и том же стационарном уровне. Такие многократно возобновляемые комплексы приобретают статус элементарных открытых каталитических систем.

В работах А. П. Руденко изложена детально разработанная им теория открытых каталитических систем. Выделив четыре принципа описания процесса развития (вероятностный, кинетический, термодинамический и информационный), он сформулировал с их помощью основной закон саморазвития ЭОКС:

В процессе развития каталитических систем складываются механизмы конкуренции и естественного отбора по параметру абсолютной каталитической активности.

Благодаря автокатализу реакции становятся самоускоряющимися, причем на некоторой ступени развития ЭОКС достигается первый кинетический (температурный) предел саморазвития, когда рост абсолютной скорости базисной реакции начинает лимитироваться постоянным уровнем температуры в системе. Отдельные элементарные каталитические центры приобретают способность осуществлять одновременно не один, как ранее, а несколько полных циклов базисной реакции,

При дальнейшем развитии скорость реакции начинает лимитироваться концентрацией реагирующих веществ, и ЭОКС достигает второго кинетического предела саморазвития.

Второй кинетический предел преодолевается с помощью пространственного структурного разобщения полифункционирующих центров катализа.

Концепции возникновения жизни на земле

Многовековые исследования и попытки решения вопросов о происхождении природы и сущности жизни породили разные концепции возникновения жизни на Земле:

1) жизнь  возникала неоднократно и самопроизвольно  из неживого вещества;

2) жизнь  существовала всегда (теория стационарного состояния);

3) жизнь  занесена на нашу планету извне (панспермия);

4) жизнь  возникла в результате биохимической  эволюции.

По существу, это главный способ роста всех живых тканей, в соответствии с которым с матричных Молекул ДНК или РНК считывается наследственная информация и на ее основе строится новая молекула. Можно считать, что второй кинетический предел является пределом добиологической химической эволюции, то есть с достижением способности к самовоспроизведению завершается наивысший этап химической эволюции сложных каталитических систем.

Аристотель, позже поддерживали Галилей, Декарт, Ламарк, Гегель. Однако еще в 1688 году итальянский биолог Франческо Реди, живший во Флоренции, серией опытов с открытыми и закрытыми сосудами доказал, что появляющиеся в гниющем мясе маленькие черви - это личинки мух, и сформулировал свой принцип: все живое из живого (концепций биогенеза). В 1860 году Луи Пастер доказал, что бактерии вездесущи и могут заражать неживые вещества, для избавления от них необходима стерилизация. Пастер доказал справедливость теории биогенеза и окончательно опроверг теорию спонтанного зарождения.

Практически одновременно с работами Пастера (в 1865 году) на стыке космогонии и физики ученым Г. Рихтером разрабатывается гипотеза занесения живых существ на Землю из космоса - концепция панспермии. Согласно этой идее зародыши простых организмов могли попасть в земные условия вместе с метеоритами и космической пылью и дать начало эволюции живого, то есть жизнь могла возникнуть в разное время в разных частях Галактики и была перенесена на Землю тем или иным способом. Подобные мысли разделяли крупнейшие ученые конца XIX - начала XX века: Либих, Кельвин, Гельмгольц и др. В 1908 году шведский химик Сванте Аррениус поддержал гипотезу происхождения жизни из космоса. Он описывал, как с населенных другими существами планет уходят в мировое пространство частички вещества, пылинки и живые споры микроорганизмов. Частицы жизни, носящиеся в бескрайних просторах космоса, переносились давлением света от звезд, оседали на планеты с подходящими условиями для жизни и начинали новую жизнь на таких планетах. Эти идеи поддерживали выдающиеся русские ученые академики С. П. Костычев, Л. С. Берг, П. П. Лазарев.

Несколько иную позицию занимал крупнейший русский ученый академик В. И. Вернадский. Он разделял идею вечности жизни, но не в плане ее космического перераспределения между планетами, а в смысле неразрывности материи и жизни. Жизнь и материя, по Вернадскому, взаимосвязаны, между ними нет временной разделенности.

Для обоснования панспермии обычно используют наскальные рисунки с изображением предметов, похожих на ракеты или космонавтов, а также появление НЛО. При изучении вещества метеоритов и комет были обнаружены многие "предшественники живого" - органические соединения, синильная кислота, вода, формальдегид, цианогены. В 1975 году предшественники аминокислот найдены в лунном грунте и метеоритах. Сторонники гипотезы занесения жизни из космоса считают их "семенами", посеянными на Земле.

Тем не менее пока эта гипотеза полного научного обоснования не получила. При всей широте спектра возможных условий существования живых организмов считается, что они должны погибнуть в космосе под действием излучения. Космические исследования до настоящего времени позволяют считать, что вероятность обнаружить жизнь в пределах Солнечной системы очень мала. Доводы в пользу нахождения в метеоритах объектов, напоминающих примитивные формы жизни, пока выглядят малоубедительными. К тому же теория панспермии не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, а переносит проблему возникновения жизни в какое-то другое место Вселенной.

Сторонники теории вечного существования жизни считают, что Земля никогда не возникала, а существовала вечно. При этом она всегда была способна поддерживать жизнь, причем некоторые виды при изменениях условий на планете резко меняли численность или вымирали. Большая часть доводов в пользу этой теории связана с такими неясными аспектами эволюции, как значение разрывов в палеонтологической летописи, со все более высокими оценками возраста Земли, с обнаружением некоторых видов животных, которые считались ранее вымершими.

Современные представления о происхождении жизни восходят к гипотезам советского академика А. И. Опарина (1923 год) и английского естествоиспытателя Джона Скотта Холдейна (1929 год).

Гипотеза возникновения жизни академика А. И. Опарина

Пик исследований А. И. Опарина и его соавторов приходился на 50-60-е годы, хотя его книга "Происхождение жизни" была опубликована еще в 1924 году.

С самого начала этот процесс был связан с геологической эволюцией. В настоящее время принято считать, что возраст нашей планеты составляет примерно 4,3 млрд лет. В далеком прошлом Земля была очень горячей (4000-8000 °С). По мере остывания образовывалась земная кора, а из воды, аммиака, двуокиси углерода и метана - атмосфера. Такая атмосфера называется "восстановительной", поскольку не содержит свободного кислорода. При падении температуры на поверхности Земли ниже 100 °С образовались первичные водоемы. Под действием электрических разрядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси происходил синтез органических веществ-мономеров, которые локально накапливались и соединялись друг с другом, образуя полимеры. Можно допустить, что тогда же одновременно с полимеризацией шло образование надмолекулярных комплексов-мембран.