Походження та еволюція життя на Землі

Введення
Актуальність теми. Одним з найбільш важких, і в той же час цікавих в сучасному природознавстві є питання про походження життя. Він важкий тому, що, колинаука підходить до проблем розвитку як створення якісно нового, вона виявляється у межі своїх можливостей як галузі культури, заснованої на доказах та експериментальної перевірку тверджень. З незапам'ятних часів походження життя було загадкою для людства. З моменту своєї появи завдяки праці людинапочинає виділятися серед інших живих істот. Але здатність задати собі питання «звідки ми?» Людина отримує порівняно недавно-7-8 тис. років тому, на початку нового кам'яного віку (неоліту). Вельми примітно, що саме на початку неоліту люди виходять з печер і починають будувати постійні житла на відкритих місцях. Перед поглядом людини розкривається світ, який до того був йому відомий лише частково. Картина навколишнього світу безперервно збагачується, так як людський розум відкриває все нові горизонти. До цього часу людина насилу відділяв себе від інших тварин (людина була і мисливцем, і своєрідною дичиною), але поступово він став відмежовувати себе від природи і своїм внутрішнім духовним світом.
Питання про походження життя на Землі належить до числа найбільш складних питань науки. Навколо цього питання впродовж багатьох століть розгорталася боротьба релігії і науки, ідеалізму і матеріалізму. Ідеалісти стверджують, що виникнення життя на Землі не можна пояснити матеріальними причинами. За їхніми уявленнями, в основі життя лежать не матеріальні процеси, а не доступне розуму людини надприродне вищу духовну початок - «божественний розум», «світовий дух», «вищі сили» і т.д. [1]
Вчені сьогодні не в змозі відтворити процес виникнення життя з такою ж точністю, як це було кілька мільярдів років тому. Навіть найбільш ретельно поставлений досвід буде лише модельним експериментом, позбавленим низкою факторів, що супроводжували появу живого на Землі. Труднощі методологічна - у неможливості проведення прямого експерименту по виникненню життя (унікальність цього процесу перешкоджає використанню основного наукового методу). Питання про походження життя цікавий не тільки сам по собі, але і тісним зв'язком з проблемою відмінності живого від неживого, а також зв'язком з проблемою еволюції діяли при зародженні життя. У чому сутність живого? Як і наскільки механізми еволюції діяли при зародженні життя?
1. Відмінність живого від неживого
Світ живих істот, включаючи людину, представлений біологічними системами різної структурної організації і різного рівня підпорядкування, або узгодженості. З курсу ботаніки та зоології відомо, що всі живі організми складаються з клітин. Як бактеріальна клітина, так і клітина найпростіших являє собою цілий організм, здатний виконувати всі функції, необхідні для забезпечення життєдіяльності. А от клітини, що входять до складу багатоклітинного організму, спеціалізовані, тобто можуть здійснювати тільки одну яку-небудь функцію і не здатні самостійно існувати поза організмом. Елементи організму - клітини, тканини і органи - в сумі ще не являють собою цілісний організм. Лише поєднання їх в історично сформованому в процесі еволюції порядку, їх взаємодію, утворює цілісний організм.
Інтуїтивно ми всі розуміємо, що є живе і що - мертве. Однак при спробі визначити сутність живого виникають труднощі. Так, один з авторів запропонував наступне «глибокодумне» визначення: живий організм - це тіло, доданок з живих об'єктів; неживе тіло - доданок з неживих об'єктів [2].
Але окрім подібних, явно беззмістовних визначень, що представляють собою, по суті, тавтологію, мають і інші, більш змістовні. Однак і вони на перевірку виявляються неповними і тому уразливими. Широко відомо, наприклад, визначення, дане Ф. Енгельсом, що життя - це спосіб існування білкових тіл, істотним моментом якого є постійний обмін речовин з навколишнім їх зовнішньою природою. І все ж жива миша і палаюча свічка з фізико-хімічної точки зору знаходяться в однаковому стані обміну речовин із зовнішнім середовищем, так само споживаючи кисень і виділяючи вуглекислий газ, але в одному випадку - в результаті дихання, а в іншому - в процесі горіння. Цей простий приклад показує, що обмінюватися речовинами з навколишнім середовищем можуть і мертві об'єкти. Таким чином, обмін речовин є хоч і необхідним, але недостатньою критерієм визначення життя, втім, як і наявність білків.
З усього сказаного можна зробити висновок, що дати точне визначення життя вельми непросто. Сучасна біологія при описі живого йде по шляху перерахування основних властивостей живих організмів. При цьому підкреслюється, що тільки сукупність даних властивостей може дати уявлення про специфіку життя.
До властивостей живого зазвичай відносять такі: Живі організми характеризуються складною, впорядкованою структурою. Рівень їх організації значно вище, ніж в неживих системах. Живі організми отримують енергію з навколишнього середовища, використовуючи її на підтримку своєї високої впорядкованості. Велика частина організмів прямо або побічно використовує сонячну енергію. Живі організми активно реагують на навколишнє середовище. Здатність реагувати на зовнішні подразнення - універсальна властивість всіх живих істот, як рослин, так і тварин. Живі організми як змінюються, а й ускладнюються. Все живе розмножується. Ця здатність до самовідтворення, мабуть, сама вражаюча здатність живих організмів. Причому потомство і схоже, і в той же час чимось відрізняється від батьків. У цьому виявляється дія механізмів спадковості і мінливості, що визначають еволюцію всіх видів живої природи. Подібність потомства з батьками обумовлено ще однією чудовою особливістю живих організмів - передавати нащадкам закладену в них інформацію, необхідну для життя, розвитку ірозмноження. Ця інформація міститься в генах - одиницях спадковості, найдрібніших внутрішньоклітинних структурах. Генетичний матеріал визначає напрям розвитку організму. Живі організми добре пристосовані до середовища проживання і відповідають свого способу життя.
Із сукупності цих ознак випливає таке узагальнене визначення сутності живого: життя є форма існування складних, відкритих систем, здатних до самоорганізації та самовідтворення. Найважливішими функціональними речовинами цих систем є білки і нуклеїнові кислоти ^[3].
Враховуючи зберігається дискусійність категорії життя, аналіз її ознак слід доповнити розглядом структури живого, складових його елементів, частин.
Є кілька фундаментальних відмінностей живого від неживого в матеріальному, структурному і функціональному планах. У матеріальному плані до складу живого обов'язково входять високоупорядоченние макромолекулярні органічні сполуки, звані биополимерами, - білки і нуклеїнові кислоти (ДНК і РНК). У структурному плані живе відрізняється від неживого клітинною будовою. У функціональному плані для живих тіл характерно відтворення самих себе. Стійкість і відтворення є і в неживих системах. Але в живих тілах має місце процес самовідтворення. Також живі тіла відрізняються від неживих наявністю обміну речовин, здатністю до росту і розвитку, активної регуляції свого складу та функцій, здатністю до руху, подразливістю, пристосованістю до середовища і т.д. Невід'ємною властивістю живого є діяльність, активність. «Всі живі істоти мають або діяти, або загинути. Миша повинна перебувати в постійному русі, птах літати, риба плавати і навіть рослина повинна рости ^»[4].
Багатогранність живого. Передбіологічних структури, що представляють собою гігантські органічні макромолекули, є межею хімічної еволюції речовини. Наступний і принципово інший рівень складності в організації матерії в порівнянні з атомарно-молекулярному рівнем - це жива матерія, жива природа, Життя у всіх її формах є об'єктом біології, тому, маючи на увазі все живе, можна говорити про біологічному рівні організації матерії.
Жива природа (коротко - життя) - це така форма організації матерії на рівні макросвіту, яка різко відрізняється від інших форм відразу багатьма ознаками. Кожен з цих ознак може служити для розмежування живої та неживої природи, а відповідно - основою для визначення, що є життя. Суттєвими виявляються всі ці ознаки. Жодним із них не можна знехтувати.
Перш за все, будь-який живий об'єкт є системою - сукупністю взаємодіючих елементів, яка має властивості, відсутніми у елементів, які складають цей об'єкт.
Мікроскопічно живого означає, що будь-який живий організм, починаючи з бактерії, або ж його самостійно функціонуюча підсистема повинна містити велике число атомів. Інакше впорядкованість, необхідна для життя, зруйнувалася б флуктуаціями.
Гетерогенність означає, що організм утворений з безлічі різних речовин.
Відкритість живої системи проявляється в безупинному обміні енергією і речовиною з навколишнім середовищем. Самоорганізація можлива лише у відкритих сільнонеравновесних системах.
Елементний склад живого визначається головним чином шістьма елементами: кисень, вуглець, водень, азот, сірка, фосфор. Крім того, живі системи містять сукупність складних біополімерів, які для неживих систем не характерні (білки, нуклеїнові кислоти, ферменти та ін) Живі системи існують кінцевий час. Властивість самовідтворення зберігає біологічні види. Кінцівка живих систем створює умови їх змінюваності та вдосконалення.
Властивість всього живого - подразливість - проявляється у вигляді реакції живої системи на інформацію, вплив ззовні.
Жива система має дискретністю - складається з окремих (дискретних) елементів, що взаємодіють між собою. Кожен з них також є живою системою. Поряд з дискретністю живій системі властива цілісності - всі її елементи функціонують тільки завдяки функціонуванню всієї системи в цілому.
Розглянь докладніше критерії, що відрізняють живі системи від об'єктів неживої природи, і основні характеристики процесів життєдіяльності, що виділяють жива речовина в особливу форму існування матерії.
Особливості хімічного складу. До складу живих організмів входять ті ж хімічні елементи, що і в об'єкти неживої природи. Однак співвідношення різних елементів у живій і неживому неоднаково. Елементний склад неживої природи поряд з киснем представлений в основному кремнієм, залізом, магнієм,алюмінієм і т.д. У живих організмах 98% хімічного складу припадає на чотири елементи - вуглець, кисень, азот і водень. Однак у живих тілах ці елементи беруть участь в утворенні складних органічних молекул, поширення яких в неживій природі принципово інше за кількістю, як за кількістю, так і по суті. Переважна більшість органічних молекул навколишнього середовища являють собою продукти життєдіяльності організмів.
Метаболізм. Всі живі організми здатні до обміну речовин з навколишнім середовищем, поглинаючи з неї речовини, необхідні для живлення, і виділяючи продукти життєдіяльності. У неживій природі також існує обмін речовинами, однак при небіологічних круговороті речовин вони просто переносяться з одного місця на інше або змінюється їх агрегатний стан: наприклад змив грунту, перетворення води в пару або лід.
Живі організми поглинають з навколишнього середовища різні речовини. Внаслідок цілого ряду складних хімічних перетворень речовини з навколишнього середовища уподібнюються речовинами живого організму і з них будується його тіло. Ці процеси називаються асиміляцією, або пластичним обміном. Інша сторона обміну речовин - процеси дисиміляції, в результаті яких складні органічні сполуки розпадаються на прості, при цьому втрачається їх схожість з речовинами організму і виділяється енергія, необхідна для реакцій біосинтезу. Тому дисиміляцію називають енергетичним обміном.
Єдиний принцип структурної організації. Всі живі організми, до якої б систематичної групи вони не ставилися, мають клітинну будову.
Репродукція. На організменному рівні самовідтворення або репродукція, проявляється у вигляді безстатевого або статевого розмноження особин. Завдяки репродукції не тільки цілі організми, а й клітини, органели клітин (мітохондрії, пластиди та ін) після поділу подібні зі своїми попередниками.
Спадковість. Спадковість полягає у здатності організмів передавати свої ознаки, властивості і особливості розвитку з покоління в покоління.
Мінливість Це властивість як би протилежно спадковості, але разом з тим тісно пов'язане з нею, так як при цьому змінюються спадкові задатки - гени, що визначають розвиток тих або інших ознак. Мінливість створює різноманітний матеріал для природного відбору, тобто відбору найбільш пристосованих особин до конкретних умов існування в природних умовах, що у свою чергу, призводить е появи нових форм життя, нових видів організмів.
Ріст і розвиток. Здатність до розвитку - загальна властивість матерії. Під розвитком розуміють необоротне спрямоване закономірна зміна об'єктів живої та неживої природи
Подразливість. Будь-який організм нерозривно пов'язаний з навколишнім середовищем: дістає з неї поживні речовини, піддається впливу несприятливих факторів середовища, вступає у взаємодію з іншими організмами і т.д. У процесі еволюції у живих організмів виробилося і закріпилося властивість вибірково реагувати на зовнішні впливи. Це властивість носить назву подразливості. Організми, що не мають нервової системи, наприклад найпростіші або рослини, позбавлені і рефлексів. Їх реакції, що виражаються в зміні характеру руху або зростання, прийнято називати таксисом або тропізм, додаючи при їх позначенніназва подразника. Наприклад, фототаксис - рух у напрямі до світла; хемотаксис - переміщення організму по відношенню до концентрації хімічних речовин. Кожен рід Таксис може бути позитивним чи негативним в залежності від того, діє подразливість на організм притягає або відразливим чином. Під тропізму розуміють певний характер росту, який властивий рослинам. Так, геліотропізму (від грец. «Helios» - Сонце) означає зростання наземних частин рослин (стебла, листя) у напрямку до Сонця, а геотропізм (від грецьк «geo» - Земля) - зростання підземних частин (коренів) у напрямку до центру Землі.
Дискретність. Саме слово дискретність походить від латинського «discretus», що означать переривчастий, розділений. Дискретність - загальна властивість матерії. Так, з курсу фізики і загальної хімії відомо, що кожен атом складається з елементарних частинок, що атоми утворюють молекулу. Життя на Землі також проявляється у вигляді дискретних форм. Це означає, що окремий організм або інша біологічна система (вид, біоценоз і ін) складається з окремих ізольованих, тобто відокремлених або відмежованих в просторі, але, тим не менш, тісно пов'язаних і взаємодіючих між собою частин, що утворюють структурно-функціональну єдність.
Авторегуляції. Це здатність живих організмів, що мешкають в безупинно мінливих умовах навколишнього середовища, підтримувати сталість свого хімічного складу та інтенсивність перебігу фізіологічних процесів - гомеостаз.
Ритмічність. Періодичні зміни в навколишньому середовищі надають глибоке вплив на живу природу і на власні ритми живих організмів. Енергозалежність. Живі тіла представляють собою «відкриті» для надходження енергії системи. Це поняття запозичене з фізики. Під «відкритими» системами розуміють динамічні, тобто не знаходяться в стані спокою системи, стійкі лише за умови безперервного доступу до них енергії і матерії ззовні. Таким чином, живі організми існують до тих пір, поки в них надходять енергія і матерія у вигляді їжі з навколишнього середовища.

Таким чином, живі організми різко відрізняються від об'єктів фізики і хімії - неживих систем - своєю винятковою складністю і високою структурноюфункціональної впорядкованістю. Ці відмінності надають життю якісно нових властивостей. Живе представляє собою особливу ступінь розвитку матерії.
Численні визначення сутності життя можна звести до двох основних. Відповідно до першого, життя визначається субстратом - носієм її властивостей, наприклад білком. Друга група визначень оперує сукупністю специфічних фізико-хімічних процесів, характерних для живих систем.
2. Концепція виникнення життя
В даний час існує декілька концепцій розглядають походження життя на землі. Зупинимося лише на деяких головних теоріях, що допомагають скласти достатньо повну картину цього складного процесу: Креацінізм; Мимовільне (спонтанне) зародження; Гіпотеза панспермії; Гіпотеза біохімічної еволюції.
Креаціонізм (лат. сгеа - створення). Відповідно до цієї концепції, життя і все що населяють Землю види живих істот є результатом творчого акту вищої істоти в якесь певний час. Основні положення креаціонізму викладені в Біблії, в Книзі Буття. Процес божественного створення світу мислиться як мав місце лише раз і тому недоступний для спостереження. Цього достатньо, щоб винести всю концепцію божественного створення за рамки наукового дослідження. Науказаймається тільки тими явищами, які піддаються спостереженню, а тому вона ніколи не буде в змозі ні довести, ні відкинути цю концепцію.
Мимовільне (спонтанне) зародження. Ідеї ​​походження живих істот з неживої матерії були поширені в Стародавньому Китаї, Вавилоні, Єгипті. Найбільший філософ Стародавньої Греції Аристотель висловив думку про те, що певні «частки» речовини містять деякий «активний початок», який при відповідних умовах може створити живий організм. Ван Гельмонт (1579-1644), голландський лікар і натурфілософ, описав експеримент, в якому він за три тижні нібито створив мишей. Для цього потрібні були брудна сорочка, темна шафа і жменя пшениці. Активним початком у процесі зародження миші Ван Гельмонт вважав людський піт.
У ХVII-ХVIII століттях завдяки успіхам у вивченні нижчих організмів, запліднення і розвитку тварин, а також спостереженням та експериментів італійського натураліста Ф. Реді (1626-1697), голландського мікроскопісту А. Левенгука (1632-1723), італійського вченого Л. Спалланцані (1729-1799), російського мікроскопісту М.М. Тереховського (1740-1796) та інших віра в мимовільне зародження була грунтовно підірвана. Однак аж до появи в середині Х століття робіт основоположника мікробіології Луї Пастера це вчення продовжувало знаходити прихильників. [5]
Розвиток ідеї самозародження відноситься, по суті, до тієї епохи, коли в суспільній свідомості панували релігійні уявлення. Ті філософи і натуралісти, які не хотіли приймати церковного вчення про «створення життя», при тодішньому рівні знань легко приходили до ідеї її самозародження. У тій мірі, в якій, на противагу вірі в створення, підкреслювалася думка про природне виникнення організмів, ідея самозародження мала на певному етапі прогресивне значення. Тому проти цієї ідеї часто виступали Церква і теологи.
Гіпотеза панспермії. Відповідно до цієї гіпотези, запропонованої в 1865р. німецьким вченим Г. Ріхтером і остаточно сформульованої шведським вченим Арреніусом в 1895р., життя могло бути занесене на Землю з космосу. Найбільш ймовірно потрапляння живих організмів позаземного походження зметеоритами і космічним пилом. Це припущення грунтується на даних про високу стійкість деяких організмів і їх суперечка до радіації, глибокому вакууму, низьких температур і інших впливів. Проте до цих пір немає достовірних фактів, що підтверджують позаземне походження мікроорганізмів, знайдених в метеоритах. Але якщо б навіть вони потрапили на Землю і дали початок життя на нашій планеті, питання про первинному виникнення життя залишався б без відповіді.
Гіпотеза біохімічної еволюції. У 1924р. біохіміком А.І. Опаріним, а пізніше англійським вченим Дж. Холдейна (1929) була сформулювала гіпотеза, яка розглядає життя як результат тривалої еволюції вуглецевих сполук.
Сучасна теорія виникнення життя на Землі, звана теорією біопоеза, була сформульована в 1947 р. англійським вченим Дж. Берналом.
В даний час у процесі становлення життя умовно виділяють чотири етапи:
1. Синтез низькомолекулярних органічних з'єднанні (біологічних мономерів) з газів первинної атмосфери.
2. Освіта біологічних полімерів.
3. Формування фазообособленних систем органічних речовин, відокремлених від зовнішнього середовища мембранами (протобионтов).
4. Виникнення найпростіших клітин, що володіють властивостями живого, в тому числі репродуктивним апаратом, який забезпечує передачу дочірнім клітинам властивостей клітин батьківських.
Перші три етапи відносять до періоду хімічної еволюції, а з четвертого починається еволюція біологічна.
Розглянемо більш детально процеси, в результаті яких на Землі могло виникнути життя. Згідно сучасним уявленням, Земля сформувалася близько 4,6 млрд. років тому. Температура на поверхні була дуже високою (4000-8000 ° С), і в міру остигання планети і дії гравітаційних сил відбувалося утворення земної кори із з'єднань раз особистих елементів.
Процеси дегазації призвели до створення атмосфери, збагаченої, можливо, азотом аміаком, парами води, вуглекислого та чадним газами. Така атмосфера була, мабуть, відновної, про що свідчить наявність в самих древніх породах металів у відновленій формі, таких, як, наприклад, двовалентне залізо. Важливо зазначити при цьому, що в атмосфері були атоми водню, вуглецю, кисню та азоту, складові 99% атомів, що входять в м'які тканини будь-якого живого організму.
Однак, щоб атоми перетворилися на складні молекули, простих зіткнень їх було недостатньо. Потрібна була додаткова енергія, яка була на Землі як результат вулканічної діяльності, електричних грозових розрядів, радіоактивності, ультрафіолетового випромінювання Сонця.
Відсутність вільного кисню було, ймовірно, недостатньою умовою для виникнення життя. Якщо б вільний кисень був присутній на Землі в добіотіческій період, то, з одного боку, він окислюється б синтезуються органічні речовини, а з іншого - утворюючи озоновий шар у верхніх горизонтах атмосфери, поглинав би високоенергетичне ультрафіолетове випромінювання Сонця. У розглянутий період виникнення життя, який тривав приблизно 1000 млн. років, ультрафіолет був, ймовірно, основним джерелом

Повідомлення на тему:

"Різноманіття органічного світу"

Підготував студент

Групи МС-12

Комаренко Богдан

Різноманіття органічного світу

Дата добавления: 2015-05-24