Контрольная по "Концепции современного естествознания"

i.1. гипотезы происхождения жизни. Эволюция живой материи

Выдающийся русский ученый А.И. Опарин разработал и в 1924 году опубликовал  свою теорию возникновения жизни  на планете. Когда-то атмосфера была сильно насыщена водяными парами и  содержала первичные органические соединения: кислородные производные  углеводородов, аммиак, циан и некоторые  другие. Эти соединения, образовавшиеся благодаря огромным температурам, обладали большой химической энергией, имели  способность преобразовываться. Когда  же температура верхних слоев  воздушной оболочки Земли снизилась  до 100 градусов Цельсия, на поверхность  планеты хлынули очень горячие  проливные дожди, в результате чего появились моря кипящей воды. Водные потоки принесли с собой на Землю  первые органические соединения. Попав  в горячие моря, вещества начали взаимодействовать и образовывать более сложные структуры. Тысячи лет протекали эти процессы, и, наконец, появились студенистые  сгустки органических веществ, можно  сказать, первичные организмы, имевшие  достаточно сложную структуру и  способность к поглощению веществ  из окружающей среды. Не прост был  и дальнейший путь эволюции, многие тысячелетия шло совершенствование  желеобразных кусочков, прежде чем  они стали первыми живыми существами, обладающими полным комплексом свойств, отличающих живую материю от неживой. Таким образом, полагал А.И. Опарин, органическое вещество превратилось в  живой организм со всеми присущими  ему особенностями в течение, по нашим меркам, бесконечно длинного временного отрезка.

До сегодняшнего момента  вышеизложенной теории уделялось очень  большое внимание, а вот оригинальная и весьма убедительно изложенная гипотеза величайшего ученого современности  Владимира Ивановича Вернадского  упоминалась редко. Владимир Иванович считал, что возникновение жизни  на Земле является результатом гигантской катастрофы, вызванной жестким столкновением  космических и земных сил. Именно такая катастрофа привела к появлению  в безжизненной среде несвойственных ей противоречий, которые, в свою очередь, и послужили причиной зарождения первичных организмов.

Конечно, эта интересная теория требует более подробного изложения. Любой живой организм существует на нашей планете не независимо от остальной живой материи, а  в тесной взаимосвязи с ней. Вернадский создал учение о биосфере - активной оболочке Земли, включающей в себя все  живые организмы и среду их обитания. Ученый сделал важный вывод: совокупная деятельность живых организмов проявляется как геохимический  фактор, влияющий на общее состояние  планеты. Как же возникла биосфера? Существует принцип Реди, жестко устанавливающий  правило: "Omne vivume vivo", то есть "все  живое происходит от живого". И  это сегодня справедливо. Однако Вернадский отмечает, что когда-то в  прошлом, а может быть, и когда-нибудь в будущем этот принцип мог  бы быть нарушен. Для этого потребовалось  бы наличие физико-химических явлений, не учтенных в современных условиях. Примером избирательности применения основополагающего принципа может служить широко известный закон постоянства вещества, гласящий: "Вещество постоянно в своей массе, не исчезает и не возникает вновь в пределах физико-химических явлений, нам известных". Мы продолжаем им пользоваться и сейчас в частных случаях, хотя уже давно открыта радиоактивность, опровергающая его. Таким образом, можно считать, что принцип Реди справедлив в условиях, когда жизнь уже появилась, то есть единожды зародившись, жизнь не может снова самопроизвольно возникнуть в биосфере.

Вернадский считал, что  биосфера включает в себя два типа вещества: косное и живое. Косные вещества - минералы не изменились за время своего существования. Ученый писал: "Нет  новых минералов, появившихся в  земной коре в течение геологического времени, если не считать ими созданий человеческой техники". Живое же вещество постоянно менялось в ходе эволюции. Вернадский Подчеркивал: "Живой  мир биосферы палеозоя, 550-230 миллионов  лет назад, и живой мир биосферы нашего времени резко различны, мир  косной материи один и тот же". Но косная и живая материи тесно  взаимосвязаны, значит, для того чтобы  сохранялась в прежнем виде косная материя, должны быть приблизительно одинаковыми  средний химический состав и средняя  масса живой части биосферы, то есть живая часть должна составлять строго определенную долю массы всей биосферы. Только тогда не даст сбоя важный природный механизм, называемый корой выветривания, сутью которого является образование горных пород на поверхности Земли в результате разложения коренных пород, накопления малоподвижных остаточных продуктов - таких как алюминий, железо, титан, выноса щелочей и кремнезема. Именно с этим процессом связано образование месторождений многих полезных ископаемых. Получается, что с самого начала своего существования биосфера должна была состоять из различных форм жизни с разнообразными геохимическими функциями, обеспечивающими существование явлению, именуемому корой выветривания. Вернадский подчеркивал: "Функции жизни в биосфере - биохимические функции - неизменны в течение геологического времени, и ни одна из них не появлялась вновь в ходе геологического времени. Они непрерывно существуют одновременно".

Вот эти биохимические  функции:

1. Газовая функция, тесно  связывающая все газы биосферы  с жизнью. Создание и уничтожение  этих газов осуществляется биогенным  способом.

2. Кислородная функция  - выделение свободного кислорода  из углекислого газа, воды и  тому подобное.

3. Окислительная функция  - происходящее в биосфере окисление  бедных кислородом соединений.

4. Кальциевая функция  - выделение кальция в виде  чистых солей, углекислых, фосфорокислых,  щавелевокислых.

5. Восстановительная функция  - образование из сульфатов соединений.

6. Концентрационная функция,  переводящая некоторые элементы  из рассеянного состояния в  скопления благодаря воздействию  живых организмов. Это, например, азот, углерод, кальций, железо  и другие.

7. Функция сгорания органических  соединений - разложение тел умерших  организмов с выделением воды, углекислого газа, азота. 

8. Функция восстановительного  разложения органических соединений, дающая сероводород, метан, водород. 

9. Функция метаболизма  и дыхания организмов, связанная  с поглощением кислорода и  воды, выделением углекислого газа  и миграцией органических соединений.

        Эти биохимические функции выполняются самыми разными живыми организмами: бактериями, водорослями, мхами, простейшими одноклеточными, но организма, способного осуществить все эти функции сразу, в природе нет. Мало того, невозможна замена одного функционального исполнителя другим, так как это привело бы к обязательному преобразованию самой функции. И хотя человек может одновременно вызывать разнообразные химические процессы, этого он достигает, как писал Вернадский, умом и техникой, а не физиологической работой своего организма.

Итак, В.И. Вернадский выделил  три основных условия зарождения жизни:

1. При образовании биосферы  на земной коре происходили  физико-химические явления и процессы, которые сейчас в ней отсутствуют,  но которые были необходимы  для самопроизвольного возникновения  жизни. Однако к ним не могут  относиться обычные физические, химические и геохимические процессы.

2. Жизнь не могла возникнуть  и длительно существовать как  один какой-либо вид организмов, из которого в дальнейшем обычным  эволюционным путем появились  все остальные. Имеющиеся данные  о постоянстве биохимических  функций живого вещества в  биосфере заставляют предположить  одновременное или почти одновременное  образование группы простейших  одноклеточных организмов, выполнявших  различные биогеохимические функции.  Эти функции в свою очередь  и сформировали биосферу Земли.  Впоследствии путем эволюции  из простейших развились все  остальные организмы, существовавшие  в дальнейшем только в пределах  биосферы.

3. В соответствии с  выводами, сделанными Пастером, и  принципом Кюри этот необычный  процесс, не укладывающийся в  рамки обычных физико-химических  явлений, должен обладать правой  диссимметрией. 

Происхождение жизни связано  с длительной эволюцией углеродных соединений на поверхности первичной  планеты.

На начальных этапах своей  истории Земля представляла собой  раскаленную планету. Вследствие вращения при постепенном снижении температуры  атомы тяжелых элементов перемещались к центру, а в поверхностных  слоях концентрировались атомы  легких элементов (водорода, углерода, кислорода, азота), из которых и состоят  тела живых организмов. При дальнейшем охлаждении Земли появились химические соединения: вода, метан, углекислый газ, аммиак, цианистый водород, а также  молекулярный водород, кислород, азот. Благодаря физическим и химическим свойствам воды (высокий дипольный  момент, вязкость, теплоемкость и т. д.) и углерода (трудность образования  окислов, способность к восстановлению и образованию линейных соединений) они оказались у колыбели жизни.

На этих этапах сложилась  первичная атмосфера Земли, которая  носила не окислительный, как сейчас, а восстановительный характер. Кроме  того, она была богата инертными  газами (гелием, неоном, аргоном). Первичная  атмосфера утрачена, а на ее месте  образовалась вторая атмосфера Земли, состоящая на 20% из кислорода —  одного из наиболее химически активных газов. Эта вторая атмосфера —  продукт развития жизни на Земле, одно из его глобальных следствий.

Дальнейшее снижение температуры  обусловило переход ряда газообразных соединений в жидкое и твердое  состояние, а также образование  земной коры. Когда температура поверхности  Земли опустилась ниже 100 °С произошло  сгущение водяных паров. Длительные ливни с частыми грозами привели  к образованию больших водоемов. В результате активной вулканической  деятельности из внутренних слоев Земли  на поверхность выносилась раскаленная  масса, в том числе карбиды  — соединения металлов с углеродом. При взаимодействии карбидов с водой  выделялись углеводородные соединения. Горячая дождевая вода как хороший  растворитель имела в своем составе  растворенные углеводороды, газы (аммиак, углекислый газ, цианистый водород), соли и другие соединения, которые  могли вступать в химические реакции. С особым успехом, видимо, протекали  процессы роста молекул при наличии  группы — N = С = N —. Эта группа имеет  большие химические возможности  к росту за счет присоединения  к атому углерода атома кислорода и реагирования с азотистым основанием. Так постепенно на поверхности молодой планеты Земля накапливались, причем в больших количествах, простейшие органические соединения.

Второй этап биогенеза  характеризовался возникновением более  сложных органических соединений (в  частности, белковых веществ нуклеиновых  кислот) в водах первичного океана. Благодаря высокой температуре, грозовым разрядам, усиленному ультрафиолетовому  излучению относительно простые  молекулы органических соединений при  взаимодействии с другими веществами усложнялись, полимеризировались и  образовывались углеводы, жиры, аминокослоты, белки и нуклеиновые кислоты.

Возможность такого синтеза  была доказана опытами А.М. Бутлерова, который еще в середине XIX в. получил  из формальдегида углеводы (сахар). В 1953—1957 гг. химиками различных стран (США, СССР, Германии) в целом ряде экспериментов из смеси газов (аммиака, метана, водяного пара, водорода) при 70—80 °С и давлении несколько атмосфер под воздействием электрических  разрядов напряжением 60 000 В и ультрафиолетовых лучей были синтезированы органические кислоты, в том числе аминокислоты (глицин, аланин, аспарагиновая и  глутаминовая кислоты), которые служат материалом для образования белковой молекулы. Таким образом, были смоделированы  условия первичной атмосферы  Земли, при которых могли образовываться аминокислоты, а при их полимеризации  — и первичные белки.

Эксперименты в этом направлении  оказались перспективными. В дальнейшем (при использовании других соотношений  исходных газов и видов энергии) путем реакции полимеризации  из простых молекул получали более  сложные молекулы — белки, липиды, нуклеиновые кислоты и их производные, а позже была доказана возможность  синтеза в условиях лаборатории  и других сложных биохимических  соединений, в том числе белковых молекул (инсулина), азотистых оснований  нуклеотидов. Особенно важно то, что  лабораторные эксперименты совершенно определенно показали возможность  образования белковых молекул в  условиях отсутствия жизни.

С определенного этапа  в процессе химической эволюции на Земле активное участие стал принимать  кислород. Он мог накапливаться в  атмосфере Земли в результате разложения воды и водяного пара под  действием ультрафиолетовых лучей  Солнца. (Для превращения восстановленной  атмосферы первичной Земли в  окисленную потребовалось не менее 1—1,2 млрд лет.) С накоплением в  атмосфере кислорода восстановленные  соединения начали окисляться. Так, при  окислении метана образовались метиловый  спирт, формальдегид, муравьиная кислота  и т.д., которые вместе с дождевой водой попадали в первичный океан. Эти вещества, вступая в реакции  с аммиаком и цианистым водородом, дали начало аминокислотам и соединениям  типа аденина. Важно и то, что более  сложные органические соединения являются более стойкими, чем простые соединения, перед разрушающим действием  ультрафиолетового излучения.

Интересной закономерностью  тех органических молекул, из которых  состоит живое вещество, является их асимметричность. Так, углеводы представлены только правыми формами симметрии, а аминокислоты — только левыми. В этой асимметрии содержится «ключ» к разгадке конкретных условий возникновения  жизни. Пока нет единой точки зрения, объясняющей происхождение этой асимметричности. Ее объясняют и  магнитным полем Земли; и воздействием поляризованного света; и тем, что  синтез органических веществ проходил на поверхности асимметрических  кристаллов (кварца и др.) и т.д.

Анализ возможных оценок количества органического вещества, которое накопилось неорганическим путем на ранней Земле, впечатляет: по некоторым расчетам за 1 млрд. лет над каждым квадратным сантиметром земной поверхности образовалось несколько килограммов органических соединений. Если их все растворить в мировом океане, то концентрация раствора была бы приблизительно 1%. Это довольно концентрированный «органический бульон». В таком «бульоне» мог вполне успешно развиваться процесс образования более сложных органических молекул. Таким образом, воды первичного океана постепенно насыщались разнообразными органическими веществами, образуя «первичный бульон». Насыщению его в немалой степени способствовала и деятельность подводных вулканов.