Естественнонаучные модели происхождения и развития жизни

Содержание. Стр. I. Введение ................................................................... 3 II. Развитие пред ставлений о происхождении жизни : 1. Концепции воз никновения жизни ...................... 3 2. Отличие живог о от неживого .............................. 4 III. Возникновение жизни : 1. Вещественная основа жизни ............................... 5 2. Этапы эволюци и жизни ....................................... 8 3. Завоевание су ши ................................................... 9 4. Эволюция раст ений .............................................. 9 5. Эволюция живо тных ............................................10 IV. Заключение ........................................ ....................... 10 Список ратуры ....................................................... 11 I Введение. Естествознание всегда оказывало значите льное воздействие на разв и тие гумани тарных наук . Осо бенно мощным это воздействие стало сейчас - в эпоху научно-технической революции . Изучение естествознания способств у ет выработке ориентиров , установок , ценностей рационализаторского отн о шения к миру , природе , обществу , человеку . Это очень в ажно именно в наше время , когда накатывается но вая очередная историческая волна мифологиз а ции культуры , мас совое сознание реформируется , в нём всё ча ще ставятся под сомнение достижения , ценности и возможности научного познания мира , ког да происходит всплес к интереса к мист ицизму , расцвет оккультизма , м а гии , астрологии ; когда бегство от материализма к мистике , от науки к мифу стало модой . В этих условиях приоб ретает особую значимость утверждение идеалов научнорационализаторского отношения к действительнос ти, на к о торых построена вся наша цивилизация . Жизнь на Земле чрезвычайно многообразна . Она предст авлена яде р ными и доядерными одно - и многоклеточными суще ствами . Богатейший мир многоклеточных представлен тремя царствами - грибами , растения ми и ж и вотными . О дним из наиболее трудных и в то же время интересных в совр е менном естествознании является во прос о происхождении жизни . Учёные с е годня не в состо янии воспроизвести процесс возникновения жизни с такой же точностью , как это было несколько ми ллиардов лет назад . Вопрос о прои с хождени и жизни интересен не только сам по се бе , но и тесной связью с пр о блемой отличия живог о от неживого , а также связью с пробле мой эволюции жизни . II . Развитие представлений о происхожде нии жизни. 1.Концепции возникновения жизни. Происхождение жизни - одна из трёх важнейших мировоззренческих проблем наряду с проблемами происхождения нашей Вселенной и проблемой происхождения человека. Попытки понять , как возникла и развива лась жизнь на Земле , были предпр и няты ещё в г лубокой древности . Существует пять концепций возникновения жизни : 1) Креанизм - б ожественное сотворение живого. 2) Концепция м ногократного самопроизвольного зарожде ния жи зни из н е живого вещества. 3) Концепция с тационарного состояния , в соответствии с кото рой жизнь существовала всегда. 4) Концепция в неземного происхождения жизни. 5) Концепция п роисхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате пр оцессов , подчиня ющихся физическим и химическим законам. Рели гиозно-идеалистический подход исходил из того , что во з никн овение жизни на Земле не могло осуществит ься естественным , закон о мерным , объективным образом . Жизнь является след ствием божественного , творческ ого акта , и потому всем существам свойстве нна особая , независимая от материального мира , жизненная сила , которая направляет все п роцессы жизни. В основе второго , материалистического подхода , лежало пре д ставление о том , что под влия нием естественных факторов живое может во з никнуть из неживого , органическое из неорганического . Несм отря на свою примитивность , первые историческ ие формы концепции самозарождения сыграли про грессивную роль в борьбе с креанизмо м . Идея самозарождения получила широкое распро странение в средневековье и эпоху Возрождения , когда допускалась возможность самозарождения не только простых , но и д о вольно высокоорганизованных существ , даже млекопитающих (например , мышей из тряпок ).Невозмож ность произвольного зарождения жизни была доказана целым рядом опытов . Применение микроскопа в биологических и с следован иях способствовало открытию большого разнообрази я одноклето ч ных организмов . На этой основе вновь возродились старые идеи произвол ь ного са мозар ождения простейших существ . Окончательно версия о самоз а р ождении была развенчана Л.Пастером в середине XIX в . Он показал , что не только в запаянном сосуде , но и в незакрытой колбе с S образной горловиной хорошо прокипячённый бульон остаётс я стерильным , потому что через т а кую горловину не могут проникнуть микробы . Так было д оказано , что новый организм в наше время может появиться от другого живого сущест ва. Появление жизни на Земле пытались объяснить и занесением её из других косми ческих миров. Естествознание XX в . Сделало шаг вперёд в изу чении жизни , её проявлений на Земле и за её пределами . Сейчас уже определённо вы яснено , что «азбука» живого сравнительно прос та . В любом существе , живущем на Земле , прису т ствует 20 аминокислот , 5 о снований , 2 углевода и оди н фосфат . Существов а ние небольшого числа одних и те х же молекул во всех живых организмах убеждает нас , что всё живое должно имет ь единое происхождение. Отрицание возможности самозарождения жизни в настоящее время не прот и воречит п редставления м о принципиальной возможности развития орган ич е ской при роды и жизни в прошлом из неорганической материи. Не исключается возможность занесения опре делённых пред посылочных факторов жизни на Земле из Космоса . Однако в изученной по ка человеком ча сти Вселенной , только н а Земле они привели к формированию и расцвету жизни. К концу XX в . Осталась наиболее перспективной пятая концепция. 2. От личие живого от неживого. В вещественном плане в состав живого обязательно вх одят выс о коупорядочные органические соеди нения : белки и нуклеиновые кислоты . В стру ктурном плане живое отличается от неживого клеточным строением . В функциональном плане для живых тел характерно воспроизводство с амих себя . Также живые тела отличаются от н еживых наличием обмена веществ , спос обностью к росту и развитию , способностью к движению , раздражим о стью и т . д . Неотъемлемой част ью живого являетличие воды , солей и т.д . Также и для возникновения жизни нужны определённые диапазоны темп е ратур , влажности , д авления , уровня радиации и время.«В некотором смы сле живые системы можно сравнить с хорошо налаженным производством : с одной стороны , они являются вместилищем многочисленных химиче ских превращений , с другой - демонстрируют великолепную пространст венно-врем енную организацию с весьма нера вномерным распределением биох и мического материала» (2). Ели бы возраст Вселенной был меньше , то жизнь также не могла бы возникнуть . Возникновение жизни явилось результатом процессов , протека вших сначала миллиарды лет во Всел енн ой , а затем ми л лионы 1) Селье Г . От мечты к открытию . М ., 1987 г ., С .32. 2)Пригожин И ., Стенгирс И . Порядок из хаоса . М ., 1986 г . С .211. лет на Земле . От неорганических сое динений к органическим , от органич е ских к биологиче ским - таковы последовате льные стадии , по которым ос у ществляется процесс зарождения жизни . « Специфичность жизни , отличие живых систем о т неорганического мира хорошо видны с точ ки зрения х и мии . В живых системах протекает множес тво отдельных химических реа к ций ..., многие из которы х давно и хорошо изучены . Для живо го специфичен определённый порядок этих реакц ий , их последовательность и объединение в целостную систему» (1). В сложном процессе возникновения жизни на Земле можно выделить н е сколько основных этапов : 1) образова ние простых органических соединений ; Происхожден ие жизни связано с протеканием определённых химических реакций на поверхности первичной планеты . На начальных этапах своей и с тории Земля представляла собой раскалённую планету . Вследст вие вращения при постеп енном снижении температуры в поверхностных слоях концентр и ровались атомы легких элементов ( водорода , углерода , азота и т.д .), из кот о рых и состоят тела живых органи змов . При дальнейшем охлаждении Земли появили сь химические соединения : вода , метан , водород и др . Физические и химические свойс тва воды и углерода определили то , что именно они оказ а лись у колыбели жизни . На Земле основой жизни является углерод , он спос о бен создава ть разнообразные , подвижные , низкоэлектропроводные , нас ы щенные водой , длинные цепе образные структуры . С оединения углерода с в о дородом , кислородом , азотом и д р . обладают каталитическими , строител ь ными , энергетическим и свойствами . На начальных этапах сложилась первичная атмосфера Земли , кот о рая носи ла не окислительный , как сейчас , а восстановительный характер . Первичн ая атмосфера содержала водород , соединения уг лерода (метан ) и азота (аммиак ). Отсутствие к ислорода было вероятно необходимым условием в озникновения жизни . Лабораторные опыты показывают, что органические вещества легче создаются в восстановительной среде , чем в атмосфере . Дальнейшее снижение температуры обу словило переход ряда газообразных соединений в жидкое и твёрдое состояние , а также образование земной коры. Когда темп ература Земли опустил ась ниже 100 град . С , произошло сгущение водя ных паров . Длительные ливни привели к обра зованию бол ь ших водоёмов . В результате активной ву лканической деятельности из вну т ренних слоёв Земли на поверхность выносилось много раскалённой мас сы , в т.ч . карбидов , которые вступали в химические реакции с растворёнными в воде веществами . Так на поверхности молодой планеты Земля в большом к о личестве накапливались пр остейшие органические соединения . А.И.Опарин полага л , что органические вещества могл и соз даваться и в океане из более простых соединений . Энергию для этих реакций синтеза доставляла солне ч ная радиация . __________________________________________________________________ 1) Мир вокруг нас . М ., 1983 г ., с , 101. « Органический синтез осущес твлялся в период , предшествовавший образ о ванию Солнечной системы и во время её образования , он имел место уже на том этапе , когда Зем ля ещё окончательно не сформировалась» (1). Механизм отбора действовал на самых р анних стадиях зарождения органич е ских вещ еств - из множества образующихся веществ сохранялись у стойчивые к дальнейшему усложнению. 2) возникновение сложных органических соединений. Благодаря высокой температуре , грозовым разрядам , усиленн ому ультрофи о летному излучению , относительно простые м о лекулы органических соед и нений при взаимодействии с другими веществами усложнялись и образ ов ы вались у глеводы , жиры , аминокислоты , белки , нуклеиновые кислоты . Во з можность такого синтеза доказана опытами А.М.Б утлерова , который ещё в середине прошлого столети я получил из формальдегида - углево ды (сахар ). А в 1953-1957 г.г . химиками различных стран в целом ряде экспериментов были синтезированы органические кислоты , в т.ч амин окислоты , которые являются материалом для обр азования белковых молекул . Эксперименты в этом направлении оказались перспективными , совершенно определённо показали возможность образования белковых молекул в условиях отсу тствия жизни . С определённого этапа в процессе химической эво люции на Земле , активное участие стал прин имать кислород , с на коплением которого в атмосфере во с становленные соединения стали окислятьс я . При окислении метана образ о вывались метиловый спирт , формальдегид , муравьиная кислота и т.д ., ко т о рые с дождевой водой попадали в первичный океан . Эти вещества вступая в реакции с аммиаком и цианистым водородом , дали начало аминокислотам . Так воды первичного океана постепенно насыщались разнообразными орг а ническими веществам и , образуя «первичный бульон» . 3) « первичн ый бульон» и образование коацерватов. Посл е того , как углеро дистые соединения об разовали « первичный бульон» , могли уже ор ганизоваться биополимеры - белки и нуклеиновые кислоты , о б ладающие свойством самовоспроизводства себе подобных . В водах перви ч ного океана концентрация органических веществ увеличивалась , происхо д и ло их смешивание , взаимодействие и объединение в мелкие обособленные структуры раствора . Э ти структуры русский учёный А.И.Опарин назвал «к о ацерват ными каплями или коацерватами» (2). Коацерваты и меют достаточно сложную организацию и обладаю т рядом свойств , которые сближают их с простейшими живыми системами ( способны по глощать из окружающей ср е ды разные вещества и увели чиваться в размерах , в них могут происходи ть процессы распада и выделяться продукты распада ). Однако всё это не даёт основан ия для отнесени я их к живым систе мам , но предпосылки живого уже содержались . 1) Холдейн Дж . Происхождение предбиологических систем . М ., 1966 г ., С .167. ся деятельность , активность . « Все живые существа должны или де й ствовать или пог ибнуть . Мышь должна находиться в п осто янном движении , птица летать , рыба плавать и даже растение должно расти» .(1). К важным свойствам живых систем относятся : 1) компактность ; 2) способность создавать порядок из хаотического теплового движения молекул . Чем более сложно устроено живо е вещество , тем более в нём скрытой энергии ; 3) обмен с окружающей средой веществом , энергией , информац ией ; 4) жизнь каче ственно превосходит другие формы существования материи в плане многообразия и сложности химических компонентов и динамики протека ющих в живом превращений ; 5) в самоорга низации живых систем , схемы реакций просты , а молекулы - сложны ; 6) у живых систем есть прошлое , у неживых его нет ; 7) жизнь орга низма зависит от двух факторов - наследственно сти , опред е л яемой генетическим ап паратом , и изменчиво сти , зависящей от условий окружающей среды и реакции на них индивида . Интересно , чт о сейчас жизнь не могла бы возникнуть из-за кислородной атмосферы и против о действия других организмов . Раз зародившись , жизнь находится в процессе постоя нной эволюции ; 8) способность к избыточному само производству . III. Возникновение жизни. 1. Вещественная основа жизни. В 1924 г . в книге А.И.Опарина впервые была сформул ирована ест е ственнонаучная концепция , согласно котор ой возникновение жизни - резул ь тат длительной эволюции на Земле : сначала химической , затем биоло гич е ской . С позиций современной науки жизнь возникла из неживого вещества в результате эволюции материи , являющейся результатом естественных пр о цессов , п ро исходивших во Вселенной . Жизнь - это свойство материи , кот о рое ранее не существовало и появилось в особый момент истории нашей п л а неты Земл я . Жизнь возможна только при определённых физических и хим и ческих условиях : температура , на 2) Опарин А.И . Мате рия - жизнь - интеллект . М ., 1977 г. 2. Эт апы эволюции жизни. Жизнь возникла не тогда , когда образовались очень сложные органич е ские соединения , а тогда , когда н ачал действовать механизм редупликации . Нача ло жизни на Земле - появление нуклеиновых кислот , способных к во с производству белков . На границе между коацерватами - сгустками органич е ских веществ -мо гли выстраиваться молекулы сложных углеводородов , что приводило к образованию примитивно й клеточной мембраны , обеспечива ю щей коацерватам стабильно сть . В результате включения в коацерват мо лек у лы , спос обной к самовоспроизведению , могла возникнуть клетка , способная к росту. Таким образом , завершение процесса биогенеза св язано с возникновением у более стойки х коацерватов способности к самовоспроизведению составных частей , с переходом к матричном у синтезу белка . Это было величайшим к а чественным ска чком в эволюции материи . Однако механизм такого перехода пока не ясен . Основ ная трудность здесь состоит в том , что дл я удвоения ну к леиновых кислот нужны белки , а для создания белков - нуклеиновые кисл о ты . По этому поводу существуют разные гипотезы , но все они так или иначе не полны . В настояще е время наиболее перспективными являю тся гипотезы , которые опираются на принципы т еории самоорганизации , синергетики . С и нергетика изменила представление о мире , развитие понимается как процесс становления качественно нового , того , что ещё не существовало в природе и предсказать которое невозм ожно . Как показывает синергетика энергия имела для возникновения жизни не меньшее значение , че м вещество . Следующим шагом в организации долж но быть образование мембран , которые отделяли смеси органичес ких веществ от окружающей среды . С и х появлением и получается клетка - «единица жизни» , главное структурное отличие живого от неживого . В проблеме возникновения жизни ещё много неопределённого , она ещё далека от своего окончательного ра з решения . Знание условий , которые способствовали возни кновению жизни на Земле , позволяют понять почему в н аше время невозможно появление живых существ из неорганических систем . В нашу эпоху отсутствуют условия для синтеза . Теперь жив ые существа появляются только вследствие разм ножения. Состав клетки : 70% кисл орода , 17% углерода , 10% водорода , 3% азота . Си н тез белка осуществляется в цитоп лазме клетки . Почти в каждой из клеток ч е ловека синтезируется свыше 10000 разных белков . Первичные живые орг а низмы были анаэробными ( жили без кисл орода ) питались и воспроизв од и лись за счёт «органического бульона» , возникшего из неоргани ческих систем . С « кислородной революцией» связан переход от прокариотов (клетки у к о торых н ет ядра ) к эукариотам ( есть ядро , где с осредоточены хромосомы ). Прокариоты - это простые , выносливы е организмы , обладающие высокой способностью к быстрому размножению , легко приспосабливающиеся к и з меняющимся условиям природной среды . Клетки без ядра напоминают н ы нешние бактерии и сине-зелёные водоросли . Возраст самых древни х орг а низмо в около 3 млрд . л ет . У эука риотов ДНК уже собраны в хромосомы , такие клетки появляются примерно 2 млрд . лет том у назад . Такая клетка воспроизводится без каких либо существенных изменений . В неизменн ой природной среде «дочерние» клетки имеют столько же шансов на выживани е , ско лько и « материнская» . Дальнейшая эволюция эукариотов была связа на с разделением на растител ь ные и животные клетки. Следующим важным этапом развития жизни было возникновение примерно 900 млн . лет назад полового размножения , слияния ДНК двух и ндивид ов . Это значительно повысило видово е разнообразие и резко ускорило эвол ю цию . Значительным шагом в дальнейшем усложнении организации живых существ было появление многоклеточных организмов (кишечно-полостные и т.д .). Эволюция многоклеточных шла в направлении соверше нствования сп о собов передвижения , лучшей координации де ятельности клеток , соверше н ствование способов дыхания и др . Первые позвоночные , по-видимому , во з никли в мелковод ных пресных водоёмах . Это мелкие существа , покрытые чешуёй , которая помогала защи щат ься от крупных хищников . Эволюция п о звоночных шла в направлении образования челюстных рыбообразных . 3. Зав оевание суши. Важнейши м событием в эволюции форм живого являетс я выход растений и живого из воды и последующее образов ание большого многоо б разия назем ных растений и животных . Содержание кислорода в воздухе в ы ше , чем в воде , что предполагало выработку соответствующих приспособл е ний . Растения , пе реселившиеся на сушу , получали значительные п реимущ е ства : солнечной энергии зде сь больше , фотосин тез становится более сове р шенным . Первые наземные растени я - псилофиты ; они занимали промеж у точное положение между наземными сосудистыми и водорослями. Вслед за растениями из воды на сушу последовали различные виды член и стоногих , первые о битатели су ши напоминали по виду современных скорп и онов . 4. Эво люция растений. Растительные клетки покрыты жёсткой целлюлозно й оболочкой , которая их защищает , но однов ременно не даёт им перемещаться и получат ь пищу в процессе передвижения . Первый важный результат растительной де я тельности - фотосинте з - создание органического вещества из углекис лоты и воды при использовании солнечной э нергии , улавливаемой хлорофилом . Продукт фотосинте за - кислород в атмосфере . Растительные к летки сове р шенствовались в направлении использования фотоси нтеза для накопления питательных веществ . Пос ле выхода растений на сушу эволюция была связ а на с усилением компактности тела , развитием ко рневой системы , тканей , кл е ток , проводящей си стемы и т.д. Переход от трахеид к сосудам обеспечи вал приспособление к засушливым условиям . В наземных условиях оказались непригодными для размножения свободно плавающие половые клетки ; здесь для целей размножения форм и руются разносимые ветром споры или се мена . Постепенно происходит ди ф ференциация тела на корень , стебель , л ист . Дальнейшая эволюция шла по п у ти совершенствовани я семян. 5. Эволюция животных. Животн ые клетки имеют эластичные оболо чки и потому не теряют способности к передвиже нию , это им даёт возможность самим искать пищу . Животные клетки эволюционировали в направлении совершенствования сп о собов передвижения и способов поглощать и выделять крупные частицы ч е рез оболочку . Вышедшие на сушу рептилии оказ ались перспективной фо р мой . Возникло множество видов ; нек оторые рептилии становятся хищными , другие - ра стительноядными . В условиях похолодания исключите льные пр е им ущества получают теплокровные животные - птицы и млекопитающие . От древни х хищных происходят копытные . От некоторых видов насек омоядных обособляется отряд приматов . Некоторые виды приматов переходят к прямо хождению . Так в биологическом мире вызревали предпос ылки возникнов е ния Человека и мира Культуры . IV . Заключение. Биолог ия XX в . Углубила понимание существенных черт живого , раскрыв молекулярные основы жизни . В основе современной биологической картины мира лежит представление о том,что мир живого - это грандио з ная Система высоорганизованных систем. Несомненно , в модели происхождения жизни , будут включаться новые зн а ния , и они будут в сё более обоснованными . Но чем более качес твенно новое отличается от старого , тем тр уднее объяснить его возникновени е . Список литературы : 1. Найдыш В.М . Концепция современного естествознания . «Гардарик и» ., Москва , 1999 г. 2. Горелов А.А . Концепция современного естествознания . Изд . « Центр» , Москва , 1997 г .