2 Теория возникновения жизни

Проблема происхождения жизни на Земле принадлежат к числу величайших проблем

естествознания. Эта проблема привлекала к себе внимание человека с незапамятных

времен. Однако в разные эпохи и на разных ступенях развития человеческой культуры

эта проблема решалась по-разному. Теории, касающиеся возникновения Земли, да и

всей вселенной разнообразны и далеко недостоверны. Вот основные из них:

1. Креационизм. Согласно этой идее жизнь была создана творцом (от лат. слова create –

2. создавать).

3. Гипотеза стационарного состояния. Жизнь, как и сама Вселенная, существовала не

4. всегда и будет существовать вечно, поскольку не имеет начала и конца.

3. Гипотеза самопроизвольного зарождения, согласно которой жизнь возникает

самопроизвольно из неживой материи.

5. Теория панспермии – идея о том, что жизнь была занесена на Землю извне, из

6. космоса. Надо сказать, что эта теория является популярной и до сих пор среди ученых.

Все эти теории по большей части умозрительны и не имеют прямых доказательств. В

настоящее время нет единого мнения по вопросу о происхождении жизни среди

ученых. Наиболее широкое признание в современной науке получила гипотеза,

сформулированная советским ученым акад. А. И. Опариным и английским ученым

Дж. Холдейном.

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 5
1.	Теория биохимической эволюции (Опарин, Холдейн). Начальные этапы развития жизни.
2.	Типы питания живых организмов.

Теория биохимической эволюции (Опарин, Холдейн). Начальные этапы развития жизни:

Теория биохимической эволюции

(биохимическая теория происхождения жизни)

В 1923 году советский ученый Опарин высказал мнение, что атмосфера Земли была не такой, как сейчас. Исходя из теоретических соображений, он предположил, что жизнь возникла постепенно из неорганических веществ путем длительной молекулярной эволюции.

1. Считают, что Земля и другие планеты солнечной системы образовались из газово-пылевого облака около 4,5 млрд лет назад. На первых этапах своего существования Земля имела очень высокую температуру. По мере остывания планеты тяжелые элементы перемещались к центру, а более легкие оставались на поверхности. Например, атомы железа концентрировались в центре (по мнению ученых, в настоящее время ядро земли состоит из расплавленного, разогретого до нескольких тысяч градусов Со железа, по размерам в 2 раза меньше Луны). Менее тяжелые атомы кремния и алюминия образуют земную кору. Самые легкие оставались во внешних слоях облака и формировали первичную атмосферу Земли. Она состояла из свободного Н2 и его соединений: воды, метана, аммиака и НСN и поэтому носила восстановительный характер (соединения водорода легко вступают в химические реакции, отдавая водород и при этом сами окисляются).

Компоненты атмосферы подвергались воздействию различных источников энергии:

 Жесткому, близкому к рентгеновскому коротковолновому излучению Солнца

 Грозовым разрядам

 Высокой температуры в области грозовых разрядов и вулканической деятельности (т.е. горячей лавы, горячих источников, гейзеров)

 Ударным волнам от метеоритов, попадающих в земную атмосферу.

В результате этих воздействий химически простые компоненты атмосферы вступали во взаимодействие, изменяясь и усложняясь. Возникли молекулы сахаров, аминокислот, азотистые основания, органические кислоты (уксусная, муравьиная, молочная) и другие простые органические соединения.Отсутствие в атмосфере кислорода и восстановительная среда являлись необходимым условием возникновения органических молекул небиологическим путем. Кислород взаимодействует с органическими веществами и разрушает их или лишает тех свойств, которые были бы полезны для предбиологических систем. Поэтому, если бы органические молекулы на первобытной Земле соприкасались с кислородом, то они существовали бы недолго и не успевали бы образовывать более сложные структуры.В 1953 году Стенли Миллер в ряде экспериментов моделировал условия, предположительно существовавшие на первобытной Земле. В герметичной колбе были созданы условия атмосферы (пары воды, аммиака, метана, синильной кислоты, углекислый газ). Бесцветное содержимое колбы подвергалось действию высоких температур, электрических разрядов и в результате приобретало красный оттенок, за счет образования жирных кислот, мочевины, сахаров и аминокислот.Другие ученые проводили подобные эксперименты, используя разные источники энергии. Во всех экспериментах при отсутствии кислорода удавалось получить широкий набор различных органических продуктов. Особое внимание у исследователей вызывала возможность образования аминокислот – ведь это строительный материал белковых молекул. В дальнейшем оказалось, что абиогенным путем могут быть синтезированы многие простые соединения, входящих в состав биологических полимеров – белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов.Возможность абиогенного синтеза органических соединений доказывается тем, что они обнаружены и в космическом пространстве. В космосе найдены цианистый водород, формальдегид, муравьиная кислота, метиловый и этиловые спирты и другие простые органические соединения. В некоторых метеоритах заключены жирные кислоты, сахара, аминокислоты. Эти соединения образуются и в настоящее время, когда газообразные продукты извержения вулканов и лава вступают в реакцию в водой.Все это свидетельствует о том, что органические соединения могли возникать чисто химическим путем в условиях, существовавших на Земле около 4 млрд лет назад. Необходимыми условиями этого являются:

 Восстановительный характер атмосферы (отсутствие О2)

 Высокая температура

 Источники энергии (УФ излучение Солнца, грозовые разряды и пр.)

2. Следующим этапом было образование полимеров из мономеров.

По мере охлаждения Земли, водяной пар, содержащийся в атмосфере, конденсировался, на поверхность Земли обрушивались дожди, образуя большие водные пространства. Реакция полимеризации первичных звеньев в водном растворе не идет, так как при соединении друг с другом двух аминокислот или двух нуклеотидов отщепляется молекула воды. Реакция в воде пойдет в обратную сторону. Скорость расщепления (гидролиза) биополимеров будет больше, чем скорость их синтеза. Ясно, что биополимеры не могли возникнуть сами в первичном океане.

Возможно, первичный синтез биополимеров шел при замораживании первичного океана или же при нагревании сухого его остатка.Американский исследователь Сидней Фокс, нагревая до 130С сухую смесь аминокислот, показал, что в этом случае реакция полимеризации идет (выделяющаяся вода испаряется) и получаются искусственные протеиноиды, похожие на белки, имеющие до 200 и более аминокислот в цепи. Растворенные в воде, они обладали свойствами белков, представляли питательную среду для бактерий и даже катализировали (ускоряли) некоторые химические реакции, как настоящие ферменты.Возможно, они возникали в предбиологическую эпоху на раскаленных склонах вулканов, а затем дожди смывали их в первичный океан. Есть и такая точка зрения, что синтез биополимеров шел непосредственно в первичной атмосфере и образующиеся соединения выпадали в первичный океан в виде частиц пыли.Так возникли прообразы современных белков и нуклеиновых кислот. Среди случайно образующихся полипептидов могли быть такие, которые обладали каталитической активностью и могли ускорять процессы синтеза полинуклеотидов.

3. Образование агрегатов-коацерватов

Опарин полагал, что в результате абиотического синтеза в океанах постепенно накапливались органические вещества и образовывался так называемый «первичный бульон».

Благодаря особым свойствам (амфотерности) белковых молекул они могли объединяться и образовывать более крупные структуры (коацерваты). Органические молекулы в водном растворе окружены водной оболочкой, толщина которой зависит от величины заряда молекулы.

Молекулы, окруженные водной оболочкой, могут объединяться, образуя коацерваты:

Такие агрегаты – коацерваты избирательно поглощают из окружающей среды вещества, так, что они накапливаются в них в определенных количествах, создавая внутри свою среду, отличную от окружающей. Некоторые коацерваты могли поглощать нуклеотиды – предшественники нуклеиновых кислот.На границе между коацерватами и внешней средой встраивались липиды, что приводило к образованию примитивной мембраны, обеспечивающей коацервату стабильность.Присутствие в агрегате молекул, катализирующих реакции, которые делали его более стабильным, обеспечивали ему более длительное существование.Так, по мере роста и ассоциации агрегатов, по мнению Опарина, могли возникнуть первые клетки. Каждая отдельная капелька не могла расти беспредельно как одна сплошная масса — она распадалась на дочерние капельки. Но каждая капелька в то же время была чем-то отлична от других и, отделившись, росла и изменялась самостоятельно. В новом поколении все неудачно организованные капельки погибали, а наиболее совершенные участвовали в дальнейшей эволюции материи. Так в процессе возникновения жизни происходил естественный отбор коацерватных капелек. Рост коацерватов постепенно ускорялся.Причем научные данные подтверждают, что жизнь возникла не в открытом океане, а в шельфовой зоне моря или в лагунах, где были наиболее благоприятные условия для концентрации органических молекул и образования сложных макромолекулярных систем.

Условия, необходимые для появления жизни:

 Наличие определенных химических веществ (первичного бульона)

 Наличие источника энергии (солнечное излучение)

 Отсутствие кислорода

 Безгранично долгое время

При наличии фермента то или иное превращение вещества завершается за 1-2 секунды, но в отсутствии ферментов, для того же превращения могут потребоваться миллионы лет. Однако при наличии достаточного времени, даже самые маловероятные события могли бы произойти рано или поздно.

С точки зрения теории вероятности, возможность синтеза сверхсложных биомолекул при условии случайных соединений их составных частей крайне низка.

Костычев (который сам был приверженцем теории панспермии и критиковал Опарина) писал:

«Вероятность самопроизвольного возникновения жизни из неорганических молекул, равна вероятности возникновения фабрики – с трубами, котлами, машинами из неорганических веществ путем естественных процессов! А любой простейший организм много сложнее всякой фабрики, значит его случайное возникновение еще менее вероятно».

Начальные этапы развития жизни

Первые живые организмы жили без доступа кислорода (то есть имели анаэробный тип обмена), в качестве источника пищи и энергии использовали органические соединения, растворенные в водах первичного океана (гетеротрофные организмы). По строению они напоминали современные бактерии. Появление все большего количества гетеротрофных организмов (вследствие деления клеток) приводило к постепенному истощению питательных веществ в океане, все меньше оставалось органических веществ, которые можно было бы использовать в пищу.1. В условиях жесткой конкуренции преимущество получили организмы, приобретшие способность использовать энергию света для синтеза органических веществ из неорганических (а именно СО2 и N2 атмосферы), а именно способность к фотосинтезу. Но СО2 и N2 находятся в инертном, окисленном состоянии, для участия в химических реакциях их нужно восстановить, т.е. передать им энергию от других соединений. Эту функцию выполняет пигментный комплекс. Источниками электронов был сероводород или другие соединения, в том числе органические.Таким образом, фотосинтез у анаэробных организмов развился на очень раннем этапе истории жизни (такие анаэробные фотосинтезирующие организмы сохранились до наших дней. Это серные пурпурные бактерии)2. Следующим этапом эволюции было приобретение фотосинтезирующими организмами способности использовать воду в качестве источника водорода. В процессе их фотосинтеза, путем усвоения СО2 и расщепления Н2О выделялся свободный кислород.С тех пор в атмосфере Земли, благодаря деятельности фотосинтезирующих организмов, постепенно стал накапливаться кислород. Первыми фотосинтезирующими организмами, выделяющими кислород были цианобактерии.Таким образом, переход от первичной восстановительной атмосферы к среде, содержащей кислород – важнейшее событие в эволюции живых существ:

 Кислород, выделявшийся в атмосферу, в верхних слоях под влиянием УФ излучения Солнца превращался в активный озон, способный поглощать большую часть жестких коротковолновых УФ лучей, разрушающих сложные органические соединения (защитный экран)

 Возникла возможность возникновения кислородного типа обмена веществ, т.е. появлению аэробных бактерий (дышащих кислородом)

Эти факторы привели к возникновению большого количества новых форм организмов и их широкому распространению.

3. Накопление молекулярного кислорода поставило в невыгодное положение анаэробные микроорганизмы: одни из них вымерли, другие вынуждены были искать бескислородные места обитания или вступать в симбиоз с аэробными клетками. Так возникли эукариотические клетки: Более сложно устроенные клетки вышхихорганизмов, имеющие сложные внутриклеточные структуры.

2. Типы питания живых организмов

Питание – это процесс потребление энергии и вещества. По типу питания все организмы делятся на две большие группы:

1. Автотрофы – это организмы, способные создавать органические вещества из неорганических. Основную массу автотрофных организмов составляют растения, способные синтезировать органические вещества из углекислого газа и воды, используя энергию света (фотосинтез).

2. Гетеротрофы – это организмы, использующие готовые органические соединения.

Организмы, которые могут синтезировать органические вещества из неорганических и при этом питаться готовыми органическими соединениями, называются миксотрофы.

Как правило, в любой экосистеме можно выделить три функциональные группы организмов:

1. Продуценты (производители) – это автотрофные организмы, способные производить органические вещества из неорганических (растения, некоторые бактерии).

2. Консументы (потребители) – это гетеротрофные организмы, потребляющие органическое вещество растений (растительноядные – консументы 1-го порядка) или других животных (плотоядные – консументы 2-го порядка). К ним относятся животные, грибы, и большинство бактерий.

3. Редуценты (разрушители) – гетеротрофные организмы, питающиеся органическими остатками и разлагающие их до минеральных веществ (некоторые бактерии и грибы).

Эти три группы организмов существуют, как правило, в любом сообществе. В каждую группу входит множество популяций, населяющих экосистему.

Питаясь друг другом, живые организмы образуют пищевые цепи. Каждое звено цепи соответствует определенному трофическому уровню. В основе цепи питания (первый уровень) лежат зеленые растения – продуценты. Второй составляют растительноядные животные – первичные консументы, третий – плотоядные животные – вторичные консументы. Замыкают цепь микроорганизмы – редуценты – переводящие органические остатки в неорганические вещества, доступные для растений. В сообществах пищевые цепи сложно переплетаются и образуют пищевые сети. Благодаря сложности пищевых связей выпадение какого-то одного вида часто не нарушает равновесия в экосистеме.

Таким образом, в экосистеме происходит непрерывный круговорот веществ с участием живых организмов. Поскольку в этот круговорот вовлечена и неживая среда, говорят о биогеохимических циклах.

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 6
1.	Химический состав клетки. Строение и функции углеводов.
2.	Экологические факторы. Действие температуры на живые организмы.

Химический состав клетки. Строение и функции углеводов:

Химический состав клетки

В земной коре встречается около 100 химических элементов, но только 16 из них необходимы для жизни. Наиболее распространены в живых организмах четыре элемента: водород, углерод, кислород и азот (на их долю приходится около 98% массы клеток. Важные функции в клетке выполняют такие элементы, как натрий, кальций, хлор, фосфор, сера, железо, магний. На их долю приходится около 1% массы клетки – это макроэлементы. Остальные элементы, такие как цинк, медь, йод, фтор содержатся в живых организмах в очень малых количествах (не более 0,02%) и относятся к группе микроэлементов.Все химические элементы в организме находятся в виде ионов или входят в состав неорганических или органических веществ.

Углеводы Углеводы построены всего из трех элементов – О, С, Н.В животных клетках углеводы составляют всего 1-5%, тогда как в растительных их содержание может достигать 90% сухой массы (клубни картофеля).Углеводы подразделяются на простые и сложные. Простые углеводы называются моносахаридами. Если в одной молекуле объединяются два моносахарида, то такое соединение называют дисахаридом. К дисахаридамотносится сахар, состоящий из двух молекул – глюкозы и фруктозы. Сложные углеводы, образованные многими моносахаридами, называются полисахаридами. Мономером таких полисахаридов как крахмал, гликоген, целлюлоза, является моносахарид – глюкоза.

Функции углеводов:

1. Строительная. Например, целлюлоза образует стенки растительных клеток, сложный полисахарид хитин – структурный компонент наружного скелета членистоногих.

2. Энергетическая. Углеводы играют роль основного источника энергии в клетке (при окислении 1 г углеводов освобождается 17,6 кДж энергии). Такие полисахариды как крахмал и гликоген откладываются в клетках в качестве запасных веществ и служат энергетическим резервом.

Общая функция	Углевод		Функция углевода
Энергетическая	Глюкоза		Служит источником энергии для клеточного дыхания.
Мальтоза		Служит источником энергии в прорастающих семенах.
Сахароза		Основной продукт фотосинтеза в растениях (источник энергии).
Фруктоза		Обеспечивает энергией многие биологические процессы, протекающие в организме.
Структурная (пластическая)	Целлюлоза		Обеспечивает устойчивость оболочек растительных клеток.
Хитин		Обеспечивает прочность покровных структур грибов и членистоногих.
Рибоза и дезоксирибоза		Являются структурными элементами нуклеиновых кислот ДНК, РНК.