Биология

Происхождение и развитие жизни на Земле
План урока:
Вопрос о происхождении жизни существует, пожалуй, столько же, сколько и само человечество. В мифологических представлениях и в трудах древних учёных есть представления о том, как появилась жизнь. В истории естествознания были разные теории происхождения жизни. До сих пор на эту тему ведутся споры, а ведущее место в современном естествознании занимают:
- теория химической эволюции (возникновение биоорганических молекул из неорганических);
- теория панспермии (жизнь была занесена на Землю из космоса).
Парадоксально, но теория креационизма (сотворение мира богом или богами) существует до сих пор, только в изменённом виде.
Теория химической эволюции
Суть теории химической эволюции (теория абиогенного происхождения жизни, теория первичного бульона, теория Опарина - Холдейна) заключается в том, что биоорганические молекулы, необходимые для образования клеток, появились из неорганических молекул. Органические молекулы изменялись и проходили своеобразный естественный отбор. Устойчивые молекулы сохранялись, а неустойчивые молекулы разрушались.
В начале XX века считалось, что естественные науки не в силах описать возникновение жизни на Земле. Также считалось, что органические вещества могут образовываться лишь в результате фотосинтеза. Однако советский учёный Александр Иванович Опарин утверждал, что в лаборатории можно воссоздать условия, которые были на древней Земле, и создать органические молекулы из неорганических. Свои взгляды он изложил 2 мая 1922 года на заседании Московского отделения Российского ботанического общества и в 1924 году в своей первой монографии «Происхождение жизни». Тех же идей придерживался английский биолог Джон Холдейн.
Александр Иванович Опарин
Более того, Опарин был уверен, что органические соединения будут найдены на космических телах, где они могли образоваться лишь сами по себе без участия живых организмов. Позже обнаружилось, что в космосе есть цианистый водород, формальдегид, муравьиная кислота, метиловый и этиловый спирты, аминокислоты, а также другие органические молекулы. Подробнее об этом будет сказано в обсуждении теории панспермии.
В начале 1950-х годов в различных лабораториях мира провели эксперименты, подтвердившие теорию Опарина. Например, Стэнли Миллер и Гарольд Юри воздействовали на смесь метана, аммиака, водорода и монооксида углерода электрическими разрядами. Это имитировало атмосферу и разряды молний на древней Земле. В результате образовались аминокислоты, сахара, липиды и предшественники нуклеиновых кислот.
Стэнли Миллер и оборудование для эксперимента
В 1970-х годах было организовано Международное общество по изучению происхождения жизни, Александр Иванович Опарин был избран его первым президентом.
Планета Земля формировалась примерно 4 миллиарда лет назад. Образовывались её ядро, мантия и кора. Атмосфера стала наполняться водяным паром, углеродом, азотом, сероводородом, серным и другими газами. Поверхность планеты была очень горячей, но со временем остывала. Когда её температура стала падать ниже 100°С, стали выпадать осадки и через 500 — 700 миллионов лет назад стали образовываться первые неглубокие океаны. В них 3,5 миллиардов лет назад образовывались первые прокариоты — одноклеточные организмы без ядра. Они и дали начало всему многообразию органического мира.
Для того, чтобы образовывались новые молекулы, нужна энергия. Её поставляли ультрафиолетовое излучение Солнца, радиация (ионизирующее излучение) и молнии. В океане появлялись новые органические молекулы, отграниченные от водной среды мембраной из жиров (липидов). Опарин называл такие образования «коацерватами» или «коацерватными каплями». Это были предшественники живых клеток. 430 миллионов лет назад появился озоновый слой, а значит, жизнь могла развиваться уже на суше.
Коацерватные капли в растворе
В конце 1960-х годов заговорили о роли РНК в образовании клетки. Эта молекула не только хранит наследственную информацию, но и катализирует (ускоряет) биохимические реакции — образование собственных копий.
Теория симбиоза объясняет сложный состав клеток. Хлоропласты в растительных и митохондрии в живых клетках могут делиться отдельно от самих клеток. Также у них есть свой собственный геном системы синтеза белков. Всё это натолкнуло исследователей на мысль, что хлоропласты и митохондрии были когда-то самостоятельными бактериями, но затем были поглощены клеткой-хозяином.
Митохондрия. У неё есть двойная мембрана (наружная и внутренняя), свои ДНК и рибосомы, как у самостоятельной клетки. АТФ-синтаза — фермент, который участвует в производстве энергии в виде АТФ. Кристы — складки внутренней мембраны. Матрикс заполняет внутреннее пространство митохондрии.
Теория панспермии
Теория панспермии утверждает, что органические вещества, генетический код, вирусы и бактерии (хотя бы один из этих элементов) были занесены на Землю из космоса в составе астероидов или метеоритов. А после этого происходило развитие органического мира в земных условиях. Сторонниками таких взглядов были В.И. Вернадский (1863 — 1945), Герман Гельмгольц, Сванте Аррениус
Владимир Иванович Вернадский
Действительно, некоторые бактерии могут сохраняться в экстремальных условиях. Они выдерживают действие кислот и щелочей, высокие концентрации солей, высокое давление и температуру.
Прокариоты выживают в открытом космосе, где не только воздуха нет, но и радиация смертельна. Споры современных Bacillus subtilis выживают в вакууме при давлении 3,6*10-10 мм рт. ст. Бактерия Streptococcus mitis перенёсла двухлетнее пребывание на Луне при давлении 10-10 мм рт. ст.
Лёд комет Солнечной системы содержит метан, циановодород (HCN), ацетонитрил (CH3CN), ацетилен (C2H2), диацетилен (C4H2). В атмосфере спутников планет Солнечной системы обнаружены азот, метан (CH4), этан (C2H6), ацетилен, этилен (C2H4), циановодород, этилцианид (CH3CH2CN), винилцианид (CH2CHCN), цианоацетилен (HCCCN).
Однако скептики не спешат радоваться. Ведь «космическая» вода и органические молекулы содержат много дейтерия (D или H-2)— тяжёлого радиоактивного водорода, который губителен для живого. В земной молекуле воды H2O находится «безопасный» изотоп кислорода O-16, в космической воде много радиоактивных изотопов O-17 и O-18.
13 000 лет назад в Антарктиде упал метеорит ALH 84001. Учёные американского космического агентства NASA (D.S. McKay) обнаружили в нём структуры размером до 0,1 мкм (100 нм) и приняли их за окаменелые бактерии. Сам метеорит они назвали пришельцем с Марса: когда-то он был частью Марса, но откололся и упал на Землю.
Метеорит ALH 84001
Скептики с ними не согласны по следующим причинам:
- Объём в несколько нанометров слишком мал для бактерий, в нём не всегда могут поместиться молекулы ДНК и РНК.
- Метеорит ALH 84001 относится к хондритам — самым распространённым метеоритам из пояса астероидов между Марсом и Юпитером, а не к Марсу.
- В хондритах часто встречается углеводородное вещество (алканы, ароматические углеводороды, аминокислоты, жирные кислоты), которое по форме напоминает волокна или стебли, а учёные NASA приняли их за следы бактерий.
- В молекулах хондритов много дейтерия и тяжёлого радиоактивного кислорода, что препятствует зарождению жизни.
Теория панспермии отвечает на вопрос, откуда появилась жизнь на Земле. Но как она зародилась где-то в космосе, объяснить не может. Кроме того, жизнь — это не просто вещество особого состава и формы. Жизнь — это особое качество материи, для которого нужны строгие условия (температура, давление, влажность, уровень радиоактивного излучения).
Теория креационизма
Теория креационизма утверждает, что жизнь создана богом-творцом. И казалось бы, успехи естественных наук уже давно должны её опровергнуть. Однако некоторых исследователей смущает потрясающая сложность клетки и других организмов. По их мнению, она не могла возникнуть сама по себе, а за её появлением стоит разумное начало. С развитием науки меняется и теория креационизма. Теперь говорят не о боге, а об информации.
Действительно, информация существует и её сложно потрогать. Например, вы слышите музыку вдалеке справа. Вы улавливаете не только звук, но и получаете информацию о том, что это за музыка и в каком месте она звучит. Или вы прочитали электронное письмо и выключили компьютер. Где сейчас это письмо? Оно хранится на каком-то сервере, но его невозможно взять в руки или хотя бы прочитать без компьютера. Кроме того, у вас в памяти сохранилась информация о том, что написано в этом письме.
Получается, что реальный мир состоит из вещества, энергии и информации. Предполагают, что носителями информации являются элементарные частицы. Современные креационисты считают, что живая материя появилась под влиянием внешней реальности, настолько трудноуловимой, что её ещё нельзя исследовать с помощью эксперимента.
Существует и противоположная версия. Новая материальная структура обладает новыми качествами. Например, сформировались ДНК и РНК, у них появилось новое качество — генетический код, которого раньше не было. А генетический код дал возможность сохранять, перерабатывать и передавать информацию следующему поколению. Иными словами, не информация создала материю, а материя создаёт информацию.
Развитие органического мира на Земле
Развитие жизни на Земле заняло миллиарды лет. Это время делят на эры, а эры на периоды. Границей между периодами и эрами являются значимые события, например, появление кислорода в атмосфере Земли, массовое вымирание рептилий и появление млекопитающих.
Легче всего история развития органического мира воспринимается в таблицах.
Таблица 1. Архейская эра.
Таблица 2. Протерозойская эра
Таблица 3. Палеозойская эра (начало)
Таблица 4. Палеозойская эра (окончание)
Таблица 5. Мезозойская эра
Таблица 6. Кайнозойская эра
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
Сторонники теории химической эволюции
1) Опарин 2) Холдейн 3) Миллер 4) Юри 5) Все ответы правильные
Согласно теории химической эволюции:
1) Биоорганические молекулы появились в результате эволюции неорганических молекул 2) Астероиды принесли на Землю биоорганические молекулы 3) Образование биоорганических молекул началось по воле непознанной мистической силы 4) Образование органических веществ началось под воздействием информации 5) Образование биоорганических молекул началось на Марсе
Согласно теории панспермии:
1) Первые бактерии занесены на Землю из космоса по воле бога 2) Генетический код создали и принесли на Землю инопланетяне 3) Жизнь с Земли была занесена на Марс и другие планеты 4) Биологические молекулы, генетический код, бактерии или вирусы занесены на Землю с астероидами и кометами 5) Астероид ALH 84001 принёс на Землю первые бактерии с Марса 6) Все ответы правильные
В космических условиях:
1) Есть органические вещества 2) Способны выжить некоторые земные микроорганизмы 3) Молекулы воды и органических веществ содержат тяжёлый радиоактивный водород дейтерий 4) Органические молекулы содержат радиоактивный кислород 5) Все ответы правильные
Коацерваты или коацерватные капли:
1) Содержат биоорганические молекулы 2) Окружены мембраной из липидов (жиров) 3) Стали предшественниками клеток 4) Их упоминал Опарин в своей теории 5) Все ответы правильные