Возникновение и развитие жизни на Земле. Гипотезы возникновения жизни на Земле.

1. Гипотеза, отражающая креационистические взгляды. Креационизм предполагает возникновение Земли и жизни на ней под влиянием сверхъестественных сил. Эта идея находит отражение во всех мировых религиях. В христианстве предпринимались неоднократные попытки доказательства научным путем божественного происхождения жизни. Так, например, ирландский архиепископ Ашер в конце XVII века, произвел математические расчеты и подсчитал, что Земля была создана в октябре 4004 года до н.э., а создание человека было закончено 23 октября в 9 часов утра. Он складывал возраст всех упоминающихся в Библии людей от Адама и сроки, согласно которым Бог сотворил Землю. В соответствии с этим получалось, что Адам был создан тогда, когда на Древнем Востоке уже существовали города. Любая религия предполагает, что мир и жизнь сотворены одновременно и однажды. Так как достоверных свидетельств этому не осталось, не доказать правоту, не опровергнуть ничего нельзя, следовательно надо принимать на веру.

2. Гипотеза стационарного состояния. Земля существовала вечно, следовательно, жизнь на ней существует также вечно и очень мало изменяется. Поэтому определить момент создания Земли и возникновения жизни на ней нельзя. Данную точку зрения пытаются доказать следующими фактами: существуют виды-реликты, которые обнаруживаются человеком постоянно. Например, рыба латимерия, которая вымерла 70 млн. лет назад, была обнаружена в районе о. Мадагаскара в 40-ые годы. Таким образом, наличие или отсутствие палеонтологических останков не может достоверно свидетельствовать о вымирании вида или его появлении. Если не найдены палеонтологические останки и предположить, что где-то существуют живые представители этой систематической группы (Лох-Несское чудовище - предположительно плезиозавр). Сторонники этой теории объясняют возможность существования организмов долго, неизменно, то есть стационарно, с точки зрения экологических закономерностей.

Возможно, что в определенных участках Земли существуют благоприятные экологические условия, способствующие повышению численности представителей данной системы, группы. Вымирание может быть обусловлено экологической катастрофой в данной местности. Возможность обнаружения новых реликтов обусловлено также существованием большого количества «белых пятен» на Земле, то есть неисследованных участков.

3. Гипотеза панспермии. Жизнь была занесена на Землю в виде зачатков жизни на метеоритах или с другими космическими объектами. В останках метеоритов и комет находят вещества, которые, которые являются предшественниками живого, например, HCN и ее соли, многие органические вещества простого строения. Были также найдены объекты, напоминающие остатки примитивных форм жизни бактериальных или вирусных. Но биологическое происхождение этих частиц не доказано. Впервые слово панспермия встречается у древнегреческого философа Анаксагора 500-428 г.г. до н.э. Достаточно стройную теорию предложил Леон Пиво. По его мнению фрагменты звезд, заселенные зародышевой жизнью сталкивались с Землей. Позднее эта теория была развита Рихтером, Гельмгольцем, Кельвином. Подтверждением их предположений исследования Менделеева и других химиков и выводы о том, что углеводороды и их производные могут возникать в природных условиях неорганическим путем, в частности из широко распространенных в метеоритах минералов когенитов – карбиды железа, никеля, кобальта (FeNiCO)₃C. Из метеоритов были выделены также серосодержащие углеводороды типа C₄H₁₂S₅. Основоположником гипотезы панспермии считается (но не метеоритной радиопанспермии) Аррениуса – шведский физик и химик. Прямыми вычислениями он пытался доказать возможность переноса вещества одного небесного тела на другое. При этом главная действующая сила – давление световых лучей. Это явление было открыто еще в 1 половине XIX века английским физиком Максвеллом, но без доказательств это положение научная общественность не приняла. Доказать эту теорию смог в 1900 году отечественный физик Лебедев. Он изучил количественную величину этого давления. Она оказалась ничтожно малой, всего 0,5 мг/м², но и этого уже достаточно, чтобы заставить частицу двигаться в космосе. Аррениус описывает это явления так: через межпланетные неизвестные пространства частицы, в том числе и микроорганизмы, направленные вверх воздушные течения могут занести мельчайшие частицы вещества на большую высоту: до 100 км и более над поверхностью планеты. Аррениус рассматривает возможность перенесения жизни на другие планеты с Земли. В верхних слоях атмосферы планеты происходят электрические разряды, величина которых достаточна для того, чтобы выбросить частички из атмосферы планеты, преодолевая ее притяжение. Здесь частицы уносятся все дальше и дальше под давлением световых лучей (солнечных). Аррениус вычислил, что споры бактерий в поперечном сечении, имеющие 0,00015 мм, под влиянием давления солнечного света перемещаются в безвоздушном пространстве с большой скоростью и через 14 месяцев покидают пределы планетной системы, но лишь через 9 тысяч лет достигают ближайшей звезды – Альфа Центавра. Таким образом, если возможно перенесение спор жизни с Земли на другие планеты, то вполне возможно, что и на Землю жизнь была занесена таким путем.

Аррениус предположил, что падающая на Землю частица пыли необязательно должна разогреваться в атмосфере земли и сгорать, как метеорит. Световое давление будет тормозить падение и повышать температуру возможно лишь на несколько десятков градусов.

Сторонники панспермии пытаются доказать различными способами ее правдивость. Так, например, анаэробные бактерии прекрасно чувствуют себя без доступа кислорода. Лишенные влаги некоторые микроорганизмы и их споры длительно сохраняют жизнеспособность, то есть ни отсутствие влаги, ни кислорода, ни холод мирового пространства не могут препятствовать перенесению зачатков жизни в космосе. На Земле они поглощаются атмосферой. В безводном пространстве ему ни препятствует ничто. Поэтому вполне возможна гибель зачатков жизни от ионизирующего излучения. Аррениус возражал этому доводу тем, что губительным для организма оказывается не само излучение, а активизированный кислород и образующиеся при окислении свободные радикалы. Противники теории панспермии говорили о том, что если облучить культуру бактерий рентгеновскими лучами или ртутной лампой через кварцевую пластинку, то микроорганизмы погибают. Сейчас установлено, что даже совершенно высушенные культуры, помещенные в вакууме, тем не менее остаются радиочувствительны. В основном ионизирующее излучение действует непосредственно на нуклеиновые кислоты и белки организма, в некоторых случаях вызывая необратимое разрушение денатурацию. Тем не менее, теория панспермии со счетов не сбрасывается, не смотря на то, что не дает ответа на вопрос о первичности зарождения жизни в космосе.

Гипотеза самопроизвольного зарождения жизни.

Аристотель, Ван Хельмонт, Франческо Реди. После проведения опытов Франческо Реди сторонники этой теории объяснили отсутствие признаков жизни в закрытых сосудах тем, что в них не проникала жизненная сила. Еще более остроумный эксперимент – Л. Спалланциани. Он взял несколько склянок с различными бульонами и кипятил их на огне и сразу же запечатывал. Затем он откупоривал сосуды, и начиналось активное образование колоний микроорганизмов. Сторонники теории самозарождения объяснили это тем, что, как только был открыт доступ жизненной силе и началось формирование живых организмов. Левенгук рассматривал возможность размножения бактерий. Эти размышления давали пищу как сторонникам теории самозарождения жизни, так и сторонникам биогенеза.

Споры велись до того времени, когда в 1860 году парижская академия объявила конкурс на достоверное доказательство или опровержение самозарождения жизни. В этом же году другой химик Луи Пастер по результатам своего эксперимента стал лауреатом премии. Опыт: реторта с бульоном, оттянул и прогнул горлышко S-образно так, что колено ниже уровня бульона, который подвергался кипячению. Пары бульона осаждались в колене вместе со спорами микроорганизмов. Горлышко этой колбы Пастер не закрывал и не запаивал, но, тем не менее, бульон в колбе не зацветал в течение 10 дней. Затем Пастер ополоснул изогнутое колено бульоном, и через 3 дня на поверхности бульона сформировались многочисленные колонии микроорганизмов.

Следовательно, вывод о том, что живое происходит от живого, соответственно концепция биогенеза оказывается верной.

Гипотеза биохимической эволюции.

Основные предположения были предложены в 1924 году. Автор – А.И. Опарин. Возраст Земли составляет примерно 4,5 млрд. лет. В то время, по мнению Опарина, атмосфера состояла из NH₃, CH₄, CO₂, H₂O(пар). Из этих компонентов под воздействием электричества атмосферы, высокой температуры поверхности Земли (4-8 тыс ^оС) могли появиться первые простейшие органические вещества, необходимые для последующего возникновения биологических полимеров и в последствии живых организмов в первом океане.

Позднее предположения Опарина были подтверждены американскими учеными из Чикагского университета: Г. Юри и С. Миллером. На специально сконструированной установке им удалось получить простейшие жирные кислоты, мочевину, некоторые аминокислоты, СН₃СО₂Н и НСО₂Н.

Они пропускали электрические разряды до 60 тыс. вольт через смесь Н₂, NH₃, CH₄, CO₂, H₂O (пар) под давлением в несколько Паскалей при температуре 80^оС. Подобные эксперименты получения органических веществ из неорганических проводились еще в XIX веке. Так в 1828 году немецкий химик Ф. Веллер, выпаривая раствор NH₄NCO₃, неожиданно для себя получил мочевину. Хотя проведенная реакция представляла собой простую перегруппировку атомов, открытие Веллера имело принципиальное значение: органическое вещество было получено искусственно.

В XX веке синтез органических веществ стал мощным направлением в химической науке и в промышленности в последствии. До Юри и Миллера проводились эксперименты по получению органических соединений под воздействием различных физических факторов из веществ, входящих в состав первичной атмосферы, предположительно описанной Опариным. Так М. Кальвин из Калифорнийского университета обнаружил, что при облучении смеси СО₂ и Н₂О (пара) -частицами образуются некоторые простейшие органические соединения НСО₂Н и НСОNН₄.

Наши соотечественники показали, что органические соединения образуются при воздействии на газовую смесь, использованную Юри и Миллером, ультрафиолетового излучения. Таким образом, эти эксперименты подтверждают возможность образования простейших органических соединений из неорганических соединений, составляющих первичную атмосферу Земли, которая имела резко восстановительный характер.

Позднее приобрела популярность гипотеза, согласно которой первичная атмосфера Земли имела не резко восстановительный, а нейтральный характер и в основном состояла из СО₂, СО, N₂, Н₂О (пара).

До сегодняшнего момента достоверно не доказано, какой характер имела атмосфера Земли, а в конце 60 годов американцем Эгельсоном было показано, что из любой смеси, содержащей водород, кислород, азот и углерод могут быть получены аминокислоты.

Для исследователей до сих пор является загадкой, каким образом на Земле смогли появиться биологические полимеры: ДНК и РНК. Между ДНК, полученными в лабораторных условиях, и ДНК природными существует большая разница. На основе ДНК получить в лабораторных условиях белковую молекулу пока не удалось. Предполагают, что на ранних этапах развития Земли ДНК-подобные молекулы несли информацию в виде бессмысленного потока нуклеотидов, но в какой-то момент случайно, образовалась молекула ДНК, кодирующая белки, ставшие основой первых живых организмов – ПРОТОБИОНОТОВ.

Теория Опарина получила название гипотезы биохимической эволюции. В соответствии с этой теорией развитие жизни на Земле проходило в несколько этапов, до возникновения протобионтов эволюция носила химический характер (синтез простейших органических веществ из неорганических, синтез биополимеров). С появлением первых живых организмов –протобионтов начинается этап биологической эволюции.

Химическая эволюция.

На ее начальной стадии произошло образование атомов химических элементов. Основным состоянием вещества, составляющего звезды, является плазма. На поверхности Солнца с помощью спектрального анализа обнаружено около 60 химических элементов, среди которых преобладают водород и гелий, наиболее устойчивые к высоким температурам. В ходе термоядерных реакций из этих элементов и их изотопов возникают новые элементы. Так, например, три ядра гелия образуют изотоп ¹²С. При присоединении к ядру других частиц гелия возникают другие изотопы кислорода и азота, магния и т.д. Водород, углерод, кислород, азот, фосфор – биогенные элементы. Они широко распространены в космосе и активно реагируют друг с другом с образованием простейших неорганических соединений. Этому способствовало наличие в космосе энергии в виде электромагнитных излучений и тепла, испускаемого звездами. Преобладание в живых системах именно этих элементов не случайно.

Водород – хороший восстановитель, легко образует с кислородом и азотом связи; кислород – сильный окислитель; а для фосфора характерно образование макроэргических связей. Эта наиболее распространенная гипотеза образования химических элементов и простых неорганических соединений. Образование самой Земли началось примерно 4,5 млрд. лет назад из газа пылевого воздуха, как и другие планеты солнечной системы. Постепенное уплотнение изначально холодного облака привело к его разогреванию и расплавлению всей его массы. Затем наступило постепенное вторичное охлаждение Земли, которое вызвало ее затвердение и образование коры. В атмосфере в это время шло образование простейших неорганических веществ. Это вторая стадия химической эволюции. В атмосфере Земли помимо СО₂, NН₃, СН₄, Н₂О содержались инертные газы и выделяющиеся при вулканических извержениях вещества: HCl, H₂S, HF. В этот период масса Земли по сравнению с современной была значительно меньше, следовательно, ниже была сила притяжения и легкие газы: водород и гелий улетучивались в космическое пространство.

Кислород постоянно расходовался на реакции окисления, поэтому его содержание в атмосфере было крайне низким. Фактически первичная атмосфера быстро расходовалась. По мере охлаждения планеты стала образовываться вторичная атмосфера. Земля становилась более тяжелой.

Во вторичной атмосфере, по-прежнему, практически отсутствовал кислород. Азот стал образовываться