Загальні висновки з теорії А.І.Опаріна. Життя виникло Землі абиогенным шляхом. Біологічній еволюції передувала тривала хімічна еволюція. Виникнення життя – це етап еволюції матерії у Всесвіті. Закономірність виникнення основних етапів виникнення життя може бути перевірена експериментально у лабораторії та виражена у вигляді схеми: атоми? прості молекули? макромолекули? коацервати? пробіонти? одноклітинні організми. Первинна атмосфера Землі мала відновлювальний характер. Внаслідок цього перші організми були гетеротрофами. Дарвінівські принципи природного відбору та виживання найбільш пристосованих можна перенести на передбіологічні системи. Нині живе походить лише з живого (біогенно), можливість повторного виникнення життя Землі виключена.

Слайд 7 із презентації «Гіпотеза А.І.Опаріна»до уроків біології на тему «Біохімічна еволюція»

Розміри: 960 х 720 пікселів, формат: jpg. Щоб безкоштовно скачати слайд для використання на уроці біології, клацніть правою кнопкою мишки на зображенні і натисніть «Зберегти зображення як...». Завантажити всю презентацію «Гіпотеза А.І.Опаріна.ppt» можна у zip-архіві розміром 148 КБ.

Завантажити презентацію

Біохімічна еволюція

«Поява живих організмів» - Виникнення водойм. Перші одноклітинні анаеробні гетеротрофні прокаріоти. Виділення речовин із краплі у зовнішнє середовище. Охолодження планети. Одноклітинні аеробні гетеротрофні еукаріоти. А – ароморфоз І – ідіоадаптація Д – дегенерація. Зливи. Коацерватні краплі – попередники живих істот.

"Теорія великого вибуху" - Теорія великого вибуху. Молекули органічних речовин поєднувалися один з одним, утворюючи ланцюжки нуклеїнових кислот. Теорію Великого вибуху запропонували вчені Фрідман та Леметр. Періодом Великого вибуху умовно називають інтервал часу від нуля до кількох сотень секунд. Біохімічна еволюція Мабуть, такі комплекси були прообразом майбутніх клітин.

«Теорія Опаріна» - Етапи виникнення та розвитку життя Землі. Сутність: життя виникло внаслідок надприродної події у минулому. Дані об'єднання забезпечували більшу стійкість та каталітичну ефективність. Основні теорії виникнення життя землі. Все живе та неживе створено богом. Теорія самозародження.

«Гіпотеза А.І.Опаріна» - Абіогенний синтез найпростіших органічних сполук із неорганічних. Життя виникло Землі абиогенным шляхом. Етапи виникнення життя Землі. Три відмінності первісної атмосфери Землі від сучасної: Гіпотеза походження життя А.І.Опаріна. Біологічній еволюції передувала тривала хімічна еволюція.

"Виникнення Землі" - Зниження температури. Поділ єдиного Всесвіту на частини. Освіта окремих галактик. Об'єднання деякої кількості електронів з протонами та нейтронами. Утворення планетної системи з газів, що залишилися, і пилу на периферії протозіркового диска. Еволюція газово-пилової туманності та утворення протопланетного диска.

Найбільше визнання та поширення у XX столітті отримала гіпотеза походження життя на Землі, запропонована відомим вітчизняним біохіміком академіком А. І. Опаріним (1894-1980) та англійським біохіміком Дж. Холдейном (1892-1964). Суть їхньої гіпотези, сформульованої ними незалежно один від одного в 1924-1928 рр. і розвивається у час, зводиться до існування Землі тривалого періоду абиогенного освіти великої кількості органічних сполук. Ці органічні речовини насичували води найдавніших океанів, сформувавши (за уявленнями Дж. Холдейна) так званий «первинний бульйон». Згодом через численні процеси локальних обмілень і висушень океанів концентрація «первинного бульйону» могла зростати в десятки і сотні разів. Ці процеси відбувалися на тлі інтенсивної вулканічної активності, частих грозових розрядів в атмосфері та потужного космічного випромінювання. У умовах могло відбуватися поступове ускладнення молекул органічних речовин, поява простих білків, полісахаридів, ліпідів, нуклеїнових кислот. Протягом багатьох сотень і тисяч років вони могли утворити потік органічних речовин (коацервати). У разі відновлювальної атмосфери Землі коацервати не руйнувалися, відбувалося їх поступове ускладнення, й у певний момент розвитку їх могли утворитися перші примітивні організми (пробіонти). Ця гіпотеза була прийнята і розвинена надалі багатьма вченими різних країн, і в 1947 англійський вчений Джон Бернал сформулював гіпотезу біопоезу. Він виділив три основні стадії формування життя: абіогенне виникнення органічних мономерів; 2) формування біологічних полімерів; 3) розвиток мембранних структур та перших організмів.

Розглянемо коротко процеси та стадії біопоезу.

Першим етапом біопоезу стала низка процесів, що отримали назву хімічної еволюції, що призвела до появи пробіонтів - перших живих істот. Тривалість його різними вченими оцінюється від 100 до 1000 млн років. Це передісторія життя на планеті.

Земля як планета виникла близько 4,5 млрд. років тому (за іншими даними – близько 13 млрд. років тому, але вони не мають поки що вагомих доказів). Охолодження Землі почалося близько 4 млрд. років тому, а вік земної кори оцінюється приблизно 3,9 млрд. років. На цей момент утворюються також океан і первинна атмосфера Землі. Земля в цей час була досить розігрітою за рахунок виділення тепла при затвердінні та кристалізації компонентів кори та активної вулканічної діяльності. Вода тривалий час перебувала у пароподібному стані, випаровуючись із Землі, конденсуючись у верхніх шарах атмосфери і знову випадаючи на розпечену поверхню. Усе це супроводжувалося майже постійними грозами із потужними електричними розрядами. Пізніше починають формуватися водойми та первинні океани. Давня атмосфера Землі не містила вільного кисню та була насичена вулканічними газами, до складу яких входили оксиди сірки, азоту, аміак, оксиди та двоокису вуглецю, пари води та ряд інших компонентів. Потужне космічне випромінювання і випромінювання Сонця (озонового шару в атмосфері ще не було), часті та сильні електричні розряди, активна вулканічна діяльність, що супроводжувалася викидами великих мас радіоактивних компонентів, призвели до утворення органічних сполук, таких як формальдегід, мурашина молочна, кислота, гліцерин, гліцин, деякі прості амінокислоти і т. п. Оскільки вільного кисню в атмосфері не було, ці сполуки не окислялися і могли накопичуватися в теплих і навіть киплячих водоймах і поступово ускладнюватися по будові, формуючи так званий «первинний бульйон». Тривалість цих процесів становила багато мільйонів і десятки мільйонів років. Так здійснився перший етап біопоезу – утворення та накопичення органічних мономерів.

Етап полімеризації органічних мономерів

Значна частина мономерів, що утворюються, руйнувалася під дією високих температур і численних хімічних реакцій, що відбувалися в «первинному бульйоні». Летючі сполуки переходили в атмосферу та практично зникали з водойм. Періодичне підсихання водойм призводило до багаторазового збільшення концентрації розчинених органічних сполук. На тлі високої хімічної активності середовища відбувалися процеси ускладнення цих сполук, і вони могли вступати до сполук один з одним (реакції конденсації, полімеризації тощо). Жирні кислоти, з'єднуючись зі спиртами, могли утворювати ліпіди та формувати жирові плівки на поверхні водойм. Амінокислоти могли з'єднуватися один з одним, утворюючи дедалі складніші пептиди. Могли утворюватися й інші типи сполук - нуклеїнові кислоти, полісахариди та ін. Першими нуклеїновими кислотами, як вважають сучасні біохіміки, були невеликі ланцюги РНК, так як вони, як і олігопептиди, могли синтезуватися в середовищі з високим вмістом мінеральних компонентів спонтанно . Реакції полімеризації могли помітно активуватися при значному збільшенні концентрації розчину (пересихання водойми) і навіть у вологому піску або при повному висиханні водойм (можливість перебігу таких реакцій у сухому стані була показана американським біохіміком С. Фоксом). Наступні дощі розчиняли молекули, синтезовані на суші, і переміщали їх із струмами води у водоймища. Такі процеси могли мати циклічний характер, призводячи до ще більшого ускладнення органічних полімерів.

Формування коацерватів

Наступним етапом походження життя стало утворення коацерватів, тобто великих скупчень складних органічних полімерів. Причини та механізми цього явища багато в чому ще не зрозумілі. Коацервати цього періоду представляли ще механічну суміш органічних сполук, позбавлену будь-яких ознак життя. У якийсь період між молекулами РНК і пептидами виникли зв'язки, що нагадують реакції матричного синтезу білка. Однак досі незрозуміло, яким чином РНК почала кодувати синтез пептидів. Пізніше з'явилися молекули ДНК, які з наявності двох спіралей та можливості до більш точного (порівняно з РНК) самокопіювання (реплікації) стали головними носіями інформації про синтез пептидів, передаючи цю інформацію на РНК. Такі системи (коацервати) вже нагадували живі організми, проте ще були такими, оскільки мали упорядкованої внутрішньої структури, властивої живим організмам, і були здатні розмножуватися. Адже певні реакції синтезу пептидів можуть відбуватися і у неклітинних гомогенатах.

Поява біологічних мембран

Упорядковані біологічні структури неможливі без біологічних мембран. Тому наступним етапом в освіті життя стало формування саме цих структур, що ізолюють та захищають коацервати від навколишнього середовища, що перетворюють їх на автономні освіти. Мембрани могли утворитися з ліпідних плівок, що з'являлися на поверхні водойм. До молекул ліпідів могли приєднуватися пептиди, що приносяться дощовими потоками у водоймища або утворилися в цих водоймищах. При хвилюванні водойм або випадінні на їх поверхню опадів могли виникати бульбашки, оточені мембраноподібними сполуками. Для виникнення та еволюції життя важливими були бульбашки, які оточували коацервати з білково-нуклеїдними комплексами. Але й такі освіти ще були живими організмами.

Виникнення пробіонтів - перших організмів, що самовідтворюються.

На живі організми могли перетворитися лише ті коацервати, які були здатні до саморегуляції та самовідтворення. Як ці можливості виникли - також поки неясно. Біологічні мембрани забезпечили автономність та захист коацерватів, що сприяло появі суттєвої впорядкованості біохімічних реакцій, що протікають у цих тілах. Наступним кроком стала поява самовідтворення, коли нуклеїнові кислоти (ДНК та/або РНК) стали не тільки забезпечувати синтез пептидів, але й за його допомогою регулювати процеси самовідтворення та обміну речовин. Так виникла клітинна структура, що має обмін речовин і здатність до самовідтворення. Саме ці форми і змогли зберегтися у процесі природного відбору. Так коацервати перетворилися на перші живі організми – пробіонти.

Закінчився етап хімічної еволюції, і настав етап біологічної еволюції вже живої матерії. Сталося це 3,5-3,8 млрд років тому. Поява живої клітини – це перший найбільший ароморфоз у еволюції органічного світу.

Перші живі організми були близькими за будовою до прокаріотів, не мали ще міцної клітинної стінки та якихось внутрішньоклітинних структур (були покриті біологічною мембраною, внутрішні вигини якої виконували функції клітинних структур). Можливо, перші пробіонти мали спадковий матеріал, представлений РНК, а геноми з ДНК з'явилися пізніше у процесі еволюції. Існує думка, що подальша еволюція життя походить від загального предка, від якого походять перші прокаріоти. Саме це забезпечило велику схожість будови всіх прокаріотів, а згодом і еукаріотів.

Неможливість самозародження життя у сучасних умовах

Часто запитують: чому немає самозародження живих істот нині? Адже якщо живі організми не з'являються зараз, то на якій підставі ми можемо створювати гіпотези про походження життя в минулому? Де критерій ймовірності цієї гіпотези? Відповіді на ці питання можуть бути такими: 1) наведена вище гіпотеза біопоезу є багато в чому лише логічною побудовою, вона ще не доведена, містить багато протиріч і неясних моментів (хоча є дуже багато даних і палеонтологічних, і експериментальних, що дозволяють припустити саме такий розвиток біопоезу ); 2) дана гіпотеза при всій своїй незавершеності проте намагається пояснити виникнення життя, виходячи з конкретних земних умов, саме в цьому і полягає її цінність; 3) самоосвіта нових живих істот на сучасному етапі розвитку життя неможлива з таких причин: а) органічні сполуки довгий час повинні існувати у вигляді скупчень, поступово ускладнюючись та перетворюючись; в умовах окисної атмосфери сучасної Землі це неможливо, вони будуть швидко зруйновані; б) у сучасних умовах існує безліч організмів, здатних дуже швидко використовувати навіть незначні скупчення органічних речовин для свого харчування.

4. Виконайте самостійну роботуАналіз та оцінка різних гіпотез походження життя на Землі"

Результати занесіть у таблицю "Гіпотези походження життя Землі " .

Гіпотеза абіогенного походження життя у процесі біохімічної еволюції з наукової точки зору є найбільш розробленою. Однак невирішеним є питання, коли і де відбувався абіогенний синтез органічних сполук та, найголовніше, як стався стрибок від неживого до живого.

ОСНОВНІ ЕТАПИ РОЗВИТКУ ЖИТТЯ НА ЗЕМЛІ.

1. Заповніть таблицю " Основні етапи розвитку життя Землі з позицій теорії біопоезу " .

2. Які є гіпотези походження еукаріотів?

Більшість вчених вважають, що еукаріоти виникли від прокаріотів. Існують дві гіпотези походження еукаріотів:

1. Еукаріотична клітина та її органоїди утворювалися шляхом вп'ячування клітинної мембрани;
2. Симбіотична гіпотеза, згідно з якою мітохондрії, пластиди, базальні тільця вій і джгутиків були колись вільними прокаріотами. Органелами вони стали у процесі симбіозу.

3. Які факти свідчать на користь гіпотези симбіотичного походження еукаріотичної клітини?

Відповідь: На користь цієї гіпотези свідчить наявність власних РНК та ДНК у мітохондріях та хлоропластах. За своєю будовою РНК хлоропластів подібні до РНК ціанобактерій, РНК мітохондрій подібні до РНК пурпурових бактерій. УСКЛАДНЕННЯ ЖИВИХ ОРГАНІЗМІВ НА ЗЕМЛІ В ПРОЦЕСІ ЕВОЛЮЦІЇ.

1. Дайте визначення понять.

• Епоха - це ділянка геохронологічної шкали, велика Землі.
• Період - це ділянка геохронологічної шкали, що розділяє епоху кілька частин.

2. Які основні причини різноманіття видів організмів Землі?

Відповідь: Причини різноманіття видів - результат взаємодії рушійних сил еволюції: спадкової мінливості, боротьби за існування, природного відбору На Землі існують різні довкілля. У зв'язку з цим кожен вид пристосувався до умов життя кожен у своєму середовищі. Велика різноманітність видів у природі зменшує шанси вимирання.

3. Заповніть таблицю "Ускладнення живих організмів Землі".

Тема 4.2. Сучасне еволюційне вчення Тема 4.4. Походження людини

Питання КСЄ 42

Гіпотези походження життя землі

1. Креаціонізм

2. Мимовільне (спонтанне) зародження

3.Гіпотеза панспермії

4.Гіпотеза біохімічної еволюції

5. Стаціонарний стан

1. Креаціонізм. Відповідно до цієї концепції, життя і всі види живих істот, що населяють Землю, є результатом творчого акту вищої істоти в якийсь певний час. Основні положення креаціонізму викладені у Біблії, у Книзі Буття. Процес божественного створення світу мислиться як той, що мав місце лише один раз і тому недоступний для спостереження. Цього достатньо, щоб винести всю концепцію божественного створення за межі наукового дослідження. Наука займається тільки тими явищами, які піддаються спостереженню, а тому вона ніколи не зможе ні довести, ні відкинути цю концепцію.

2. Мимовільне (спонтанне) зародження. Ідеї ​​походження живих істот з неживої матері були поширені в Давньому Китаї, Вавилоні, Єгипті. Найбільший філософ Стародавньої Греції Аристотель висловив думку про те, що певні «частинки» речовини містять якийсь «активний початок», який за сприятливих умов може створити живий організм.

Ван Гельмонт (1579-1644), голландський лікар та натурфілософ, описав експеримент, у якому він за три тижні нібито створив мишей. Для цього потрібні були брудна сорочка, темна шафа та жменя пшениці. Активним початком у процесі зародження миші Ван Гельмонт уважав людський піт. І до появи в середині Х століття робіт засновника мікробіології Луї Пастера це вчення продовжувало знаходити прихильників.

Розвиток ідеї самозародження відноситься, по суті, до тієї епохи, коли в суспільній свідомості панували релігійні уявлення. Ті філософи та натуралісти, які не хотіли приймати церковного вчення про «створення життя», за тогочасного рівня знань легко приходили до ідеї його самозародження. Тією мірою, якою, на противагу вірі у створення, підкреслювалася думка про природне виникнення організмів, ідея самозародження мала певному етапі прогресивне значення. Тому проти цієї ідеї часто виступали Церква та теологи.

3. Гіпотеза панспермії.Згідно з цією гіпотезою, запропонованою в 1865р. німецьким вченим Г. Ріхтером і остаточно сформульованою шведським ученим Арреніусом в 1895 р. життя могло бути занесене на Землю з космосу. Найімовірніше попадання живих організмів позаземного походження з метеоритами та космічним пилом. Це припущення ґрунтується на даних про високу стійкість деяких організмів та їх суперечку до радіації, глибокого вакууму, низьких температур та інших впливів. Проте досі немає достовірних фактів, що підтверджують позаземне походження мікроорганізмів, знайдених у метеоритах. Але якби навіть вони потрапили на Землю і дали початок життя на нашій планеті, питання про первісне виникнення життя залишалося б без відповіді.

4. Гіпотеза біохімічної еволюції. У 1924 р. біохіміком А. І. Опаріним, а пізніше англійським вченим Дж. Холдейном (1929) була сформулювала гіпотеза, що розглядає життя як результат тривалої еволюції вуглецевих сполук.

Нині у процесі становлення життя умовно виділяють чотири етапи:

1. Синтез низькомолекулярних органічних сполук (біологічних мономерів) з газів первинної атмосфери.

2. Утворення біологічних полімерів.

3. Формування фазовідокремлених систем органічних речовин, відокремлених від довкілля мембранами (протобіонтів).

4. Виникнення найпростіших клітин, що мають властивості живого, у тому числі репродуктивним апаратом, що забезпечує передачу дочірнім клітинам властивостей батьківських клітин.

«ПЕРВИННИЙ БУЛЬЙОН» (не обов'язково)

У 1923 р. російський вчений Олександр Іванович Опарін припустив, що в умовах первісної Землі органічні речовини виникали з найпростіших сполук - аміаку, метану, водню та води. Енергія, необхідна для подібних перетворень, могла бути отримана або від ультрафіолетового випромінювання, або від частих електричних грозових розрядів - блискавок. Можливо, ці органічні речовини поступово накопичувалися у Стародавньому океані, утворюючи первинний бульйон, у якому й зародилося життя.

За гіпотезою А. І.

Опарину, в первинному бульйоні довгі ниткоподібні молекули білків могли згортатися в кульки, «склеюватися» один з одним, укрупняючись. Завдяки цьому вони ставали стійкими до руйнівної дії прибою та ультрафіолетового випромінювання. Відбувалося щось подібне до того, що можна спостерігати, вилив на блюдце ртуть з розбитого градусника: ртуть, що розсипалася на безліч дрібних крапельок, поступово збирається в краплі трохи більше, а потім - в одну велику кульку. Білкові «кульки» у «первинному бульйоні» притягували себе, пов'язували молекули води, і навіть жирів. Жири осідали на поверхні білкових тіл, обволікаючи їх шаром, структура якого віддалено нагадувала клітинну мембрану. Цей процес Опарин назвав коацервацією (від латів. соасеrvus - «потік»), а ті тіла, що виходять, - коацерватними краплями, або просто коацерватами. З часом коацервати поглинали з навколишнього розчину все нові порції речовини, їх структура ускладнювалася доти, поки вони не перетворилися на дуже примітивні, але вже живі клітини.

5. Стаціонарний стан

Відповідно до теорії стаціонарного стану, Земля будь-коли виникала, а існувала вічно; вона завжди була здатна підтримувати життя, а якщо змінювалася, то дуже незначно. Відповідно до цієї версії, види також ніколи не виникали, вони існували завжди, і кожен вид має лише дві можливості - або зміну чисельності, або вимирання.

Проблема походження та еволюції життя належить до найцікавіших і водночас найменш досліджених питань, пов'язаних із філософією та релігією. Практично протягом майже всієї історії розвитку наукової думки вважалося, що життя - явище, що самозароджується.

Основні теорії:

1) життя було створено Творцем у певний час – креаціонізм (від лат. creatio -створення);

2) життя виникло мимоволі з неживої речовини;

3) життя існувало завжди;

4) життя було занесено Землю з Космосу;

5) життя виникло внаслідок біохімічної еволюції.

Відповідно до теорії креаціонізму , Виникнення життя відноситься до певної події в минулому, яку можна обчислити. Організми, що населяють сьогодні Землю, походять від створених окремо основних типів живих істот. Створені види були від початку чудово організовані і наділені здатністю до певної мінливості у певних межах (мікроеволюція).

Теорія спонтанного зародження життяіснувала у Вавилоні, Єгипті та Китаї як альтернатива креаціонізму. Вона перегукується з Емпедоклу і Аристотелю: певні «частинки» речовини містять якесь «активне початок», яке за певних умов може створити живий організм. Аристотель вважав, що активний початок є в заплідненому яйці, сонячному світлі, м'ясі, що гниє. У Демокріта початок життя був у мулі, у Фалеса — у воді, у Анаксагора — у повітрі.

З поширенням християнства ідеї самозародження було оголошено єретичними, і тривалий час про них згадували. Але Гельмонт придумав рецепт отримання мишей із пшениці та брудної білизни. Бекон вважав, що гниття – зачаток нового народження. Ідеї ​​самозародження життя підтримували Коперник, Галілей, Декарт, Гарві, Гегель, Ламарк, Гете, Шеллінг.

Л. Пастер у 1860 р. остаточно показав, що бактерії можуть з'являтися в органічних розчинах лише тоді, коли вони були туди занесені раніше. І для позбавлення від мікроорганізмів необхідна стерилізація, що отримала назву пастеризації . Звідси зміцнилося уявлення, що новий організм може лише від живого.

Прихильники теорії вічного існування життя вважають, що у вічно існуючої Землі деякі види змушені були вимерти чи різко змінити чисельність у тих чи інших місцях через зміни зовнішніх умов. Чіткої концепції на цьому шляху не вироблено, оскільки в палеонтологічному літописі Землі є деякі розриви та неясності.

Гіпотеза про появу життя Землі внаслідок перенесення з інших планет деяких зародків життя отримала назву панспермії (Від грец. pan- весь, всякий і sperma- Насіння). Теорія панспермії не пропонує механізму для пояснення первинного виникнення життя та переносить проблему в інше місце Всесвіту. Зародившись у космосі, життя довго зберігалося в анабіозі майже при Т= ОК і була занесена на Землю метеоритами. На початку XX ст. з ідеєю радіопанспермії виступив Арреніус. Він описував, як із населених планет йдуть у світовий простір частинки речовини, порошинки та живі суперечки мікроорганізмів. Вони, зберігаючи життєздатність, літають у Всесвіті за рахунок світлового тиску і, потрапляючи на планету з відповідними умовами, починають нове життя.

В останнє століття щодо речовини метеоритів і комет було виявлено багато «попередників живого» — органічні сполуки, вода, формальдегід, ціаногени. Сучасні прихильники концепції панспермії вважають, що життя на Землю занесене випадково чи навмисно космічними прибульцями. До гіпотези панспермії примикає думка астрономів Ч.

Вікрамасінгха (Шрі-Ланка) та Ф. Хойла (Великобританія). Вони вважають, що в космічному просторі, в основному в газових та пилових хмарах, у великій кількості є мікроорганізми, де вони, на думку вчених, і утворюються. Далі ці мікроорганізми захоплюються кометами, які потім, проходячи поблизу планет, «сіють зародки життя».

Першу наукову теорію щодо походження живих організмів Землі створив радянський біохімік А.І. Опарін. У 1924 р. він опублікував роботи, в яких виклав уявлення про те, як могло виникнути життя на Землі. Згідно з цією теорією, життя виникло в специфічних умовах древньої Землі, і розглядається як закономірний результат хімічної еволюції сполук вуглецю у Всесвіті. Відповідно до цієї теорії, процес, що призвів до виникнення життя на Землі, може бути поділений на три етапи:

1) Виникнення органічних речовин.

2) Утворення з найпростіших органічних речовин біополімерів (білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів, ліпідів та ін.).

3) Виникнення примітивних організмів, що самовідтворюються.

У уявленнях про зародження життя внаслідок біохімічної еволюції Важливу роль грає еволюція самої планети. Земля існує майже 4,5 млрд. років, а органічне життя – близько 3,5 млрд. років. Молода Земля була гарячою планетою з температурою 5…8 103 К. У міру остигання тугоплавкі метали та вуглець конденсувалися, утворюючи земну кору. Атмосфера первинної Землі дуже відрізнялася від сучасної. Легкі гази - водень, гелій, азот, кисень, аргон та ін - не утримувалися ще недостатньо щільною планетою, а більш важкі сполуки залишалися (вода, аміак, двоокис вуглецю, метан).

Коли температура Землі опустилася нижче 100ºС, водяна пара почала конденсуватися, утворюючи Світовий океан. У цей час відбувався абіогенний синтез, тобто у первинних земних океанах, насичених різними простими хімічними сполуками, «у первинному бульйоні» під впливом вулканічного тепла, розрядів блискавок, інтенсивної ультрафіолетової радіації та інших факторів середовища почався синтез складніших органічних сполук, а потім біополімерів. Утворенню органічних речовин сприяла відсутність живих організмів – споживачів органіки – та головного окислювача – кисню. Складні молекули амінокислот випадково поєднувалися в пептиди, які, своєю чергою, створили початкові білки. З цих білків синтезувалися первинні живі істоти мікроскопічних розмірів.

Найбільш складною проблемою в сучасній теорії еволюції є перетворення складних органічних речовин на прості живі організми. Опарін вважав, що вирішальна роль у перетворенні неживого на живе належить білкам. Очевидно, білкові молекули, притягуючи молекули води, утворювали колоїдні гідрофільні комплекси. Подальше злиття таких комплексів один з одним призводило до відокремлення колоїдів від водного середовища (коацервація). На межі між коацерватом (від лат. coacervus- Згусток, купа) і середовищем вибудовувалися молекули ліпідів - примітивна клітинна мембрана. Передбачається, що колоїди могли обмінюватися молекулами з довкіллям (прообраз гетеротрофного харчування) і накопичувати певні речовини.

Перші організми землі були одноклітинні – прокаріоти. Через кілька мільярдів років утворювалися еукаріоти, і з їхньою появою намітився вибір рослинного або тваринного способу життя, різниця між якими полягає у способі харчування та пов'язана з процесом фотосинтезу. Він супроводжується надходженням в атмосферу кисню, сучасний вміст кисню в атмосфері 21% було досягнуто 25 млн років тому в результаті інтенсивного розвитку рослин.

⇐ Попередня12

Дата публікації: 2015-11-01; Прочитано: 99 | Порушення авторського права сторінки

studopedia.org - Студопедія. Орг - 2014-2018 рік. (0.001 с) ...

"Введення у загальну біологію та екологію. 9 клас". А.А. Кам'янський (гдз)

Гіпотеза Опаріна-Холдейна. Експериментальні докази абіогенного походження життя

Запитання 1. Основні положення гіпотези Опаріна-Холдейна
Відповідно до теорії виникнення життя Землі, створеної А.І. Опаріним та Дж. Холдейном у 1924-1927 рр., живі тіла виникли з речовин неорганічної природи у три етапи:
1. На першому етапі відбувалося утворення органічних речовин із неорганічних. У сучасних умовах виникнення живих істот із неживої природи неможливе. Абіогенне (тобто без участі живих організмів) виникнення живої матерії можливе було лише в умовах давньої атмосфери та відсутності живих організмів. До складу давньої атмосфери входили метан, аміак, вуглекислий газ, водень, пари води та інші неорганічні сполуки. Під дією потужних електричних розрядів, ультра-фіолетового випромінювання та високої радіації цих речовин могли виникати органічні сполуки, які накопичувалися в океані, утворюючи «первинний бульйон».
2. На другому етапі – утворення з простих органічних сполук у водах первинного океану білків, жирів, вуглеводів та нуклеїнових кислот. У «первинному бульйоні» з біополімерів утворювалися багатомолекулярні комплекси – коацервати. У коацерватні краплі із зовнішнього середовища потрапляли іони металів, які виступали першими каталізаторами. З величезної кількості хімічних сполук, що були у «первинному бульйоні», відбиралися найефективніші в каталітичному відношенні комбінації молекул, що, зрештою, призвело до появи ферментів. На кордоні між коацерватами та зовнішнім середовищем вибудовувалися молекули ліпідів, що призводило до утворення примітивної клітинної мембрани.
3. Третій етап – це етап розвитку життя. На цьому етапі коацервати (лат. coacervo – збираю, накопичую), тобто колоїдні краплі, в яких концентрація речовин була вищою, ніж в навколишньому розчині, почали укрупнюватись та взаємодіяти один з одним та з іншими речовинами. В результаті взаємодії коацерватів з нуклеїновими кислотами утворилися здатні до самовідтворення протобіонти(білкові частинки, які включали нуклеїнові кислоти), що призвело до виникнення самовідтворення, збереження спадкової інформації і передача її наступним поколінням; з цього моменту розпочався період органічної еволюції. Слід наголосити, що живі організми - це відкриті здатні до самовідтворення системи, в які енергія надходить ззовні. У зв'язку з цим очевидно, перші живі організми були гетеротрофами, отримували енергію з допомогою анаеробного розщеплення органічних сполук. Виникнення сучасної атмосфери прямо пов'язане з появою та розвитком автотрофних організмів та фотосинтезу. З моменту виникнення життя виник і зв'язок між біологічними, геологічними та геохімічними процесами, які вивчає створений академіком В.І. Вернадським Наука «Біогеохімія».

Запитання 2. Які експериментальні докази можна навести на користь цієї гіпотези?
У 1953 р. ця гіпотеза А. І. Опаріна була експериментально підтверджена дослідами американського вченого С. Міллера (за експериментальне отримання амінокислот йому було присуджено Нобелівську премію з хімії). У створеній ним установці були змодельовані умови, які, ймовірно, існували в первинній атмосфері Землі. В результаті дослідів було отримано амінокислоти. Подібні досліди багаторазово повторювалися в різних лабораторіях і дозволили довести принципову можливість синтезу в таких умовах практично всіх мономерів основних біополімерів. Надалі було встановлено, що за певних умов з мономерів можливий синтез складніших органічних біополімерів: поліпептидів, полінуклеотидів, полісахаридів та ліпідів. Опаріним було вперше проведено Дослідження хімічних реакцій, які могли б викликати без участі живих організмів утворення вуглеводів, жирів та амінокислот, було проведено Опаріним та продовжено Кальвіном та ін. Хоча, отримання органічних речовин було проведено значно раніше, ніж Опаріним та його прихильниками сечовину в 1828, Кольбе синтезував оцтову кислоту в 1845, Бертло синтезував жир в 1854, Бутлеров отримав цукристу речовину в 1861), але ніхто з цих вчених не проводив експерименти в умовах, за аналогією подібних до тих, які існували в історичні часи Землі (атмосфера без О2, сильне ультрафіолетове випромінювання, гігантські електричні розряди).

Питання 3. У чому відмінності гіпотези А. І. Опаріна від гіпотези Дж. Холдейна?
Дж. Холдейн також висунув гіпотезу абіогенного зародження життя, але, на відміну А. І. Опаріна, він віддавав першість не білкам - коацерватним системам, здатним до обміну речовин, а нуклеїновим кислотам, т. е. макромолекулярним системам, здатним до самовідтворення.

Питання 4. Які аргументи наводять опоненти, критикуючи гіпотезу А. І. Опаріна?
Гіпотеза А. І. Опаріна за своєю суттю не пояснює механізму якісного стрибка від неживого до живого.

Найбільш повно розробленою, аргументованою та має широке визнання слід визнати гіпотезу походження життя шляхом біохімічної еволюції,або « гіпотеза Опаріна-Холдейна».

А. І. Опарін, російський біохімік, академік, ще 1924 р. опублікував свою першу книгу з цієї проблеми. Дж. Холдейн, англійський генетик і біохімік, з 1929 р. розвивав ідеї, співзвучні уявленням А. І. Опаріна.

Вона постулює, що життя виникло на Землі саме з неживої матерії, в умовах, що мали місце на планеті мільярди років тому. Ці умови включали наявність джерел енергії, певного температурного режиму, води та інших неорганічних речовин – попередників органічних сполук. Атмосфера тоді була безкисневою (джерелом кисню в даний час є рослини, а тоді їх не було).

У межах цієї теорії можна назвати п'ять основних етапів шляху до виникнення життя, які у табл. 1.

Таблиця 1

Етапи розвитку життя на Землі з гіпотезиОпаріна-Холдейна

		Охолодження планети (нижче за температуру +100 °С на її поверхні); конденсація парів води; утворення первинного океану; розчинення у його воді газів та мінеральних речовин; грози Синтез простих органічних сполук - амінокислот, цукрів, азотистих основ - внаслідок дії потужних електричних розрядів (блискавок) та ультрафіолетової радіації
		Освіта найпростіших білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів, жирів; коацерватів
3 млрд років тому		Утворення протобіонтів, здатних до самовідтворення та регульованого обміну речовин, внаслідок виникнення мембран з виборчою проникністю та взаємодій нуклеїнових кислот та білків.
3 млрд років тому		Виникнення організмів, що мають клітинну будову (первинних прокаріот-бактерій)

Ідеї ​​про формування та склад первинної атмосфери Землі базуються на об'єктивних даних різних наук, на вивченні газових оболонок інших планет Сонячної системи. Дуже переконливі докази можливості здійснення 2-го та 3-го етапів розвитку життя отримані в результаті численних експериментів із штучного синтезу біологічних мономерів. Так, вперше у 1953 р. С. Міллер (США) створив досить просту установку, на якій йому вдалося із суміші газів та парів води під дією ультрафіолетового опромінення та електричних розрядів синтезувати ряд амінокислот та інших органічних сполук (рис. 1).

Мал. 1.Установка Стенлі Міллера, де він синтезував амінокислоти з газів, створивши умови, імовірноіснували у атмосфері первісної Землі. Гази та водяніпари, що циркулювали в установці під високим тиском,піддавали протягом тижня дії високої напруги.Після цього речовини, зібрані у «пастці», досліджувалиметодом хроматографії на папері. Загалом буловиділено 15 амінокислот, у тому числі гліцин, аланінта аспарагінова кислота

У досвіді С. Міллера у його встановленні були відтворені умови, що існували Землі у гаданий час. У приладі була присутня суміш газів: водню, аміаку, метану та пари води. В одну з камер були введені електроди для отримання розрядів, що імітували блискавки, як джерело енергії для хімічних реакцій. В іншій камері була налита вода, і ця камера підігрівалася (для насичення газової суміші парами води). Ще одна камера піддавалася охолодженню, і вода конденсувалася («дощові опади»). Вже за тиждень у конденсаті і було виявлено різні органічні речовини.

У наступні десятиліття у багатьох лабораторіях світу було здійснено штучний синтез різних амінокислот, нуклеотидів, простих цукрів, та був і складніших органічних сполук. Усе це підтверджує можливість утворення органічних речовин Землі у віддалені часи без участі живих організмів. За відсутності вільного кисню (який руйнував їх) і живих організмів (які могли б використовувати їх у вигляді їжі) ці речовини накопичувалися в первинному океані у високих концентраціях.

На наступному етапі відбувалося утворення більш складних сполук – білковоподібних речовин (ланцюжка з амінокислот) та коротких полінуклеотидних молекул. Імовірність цього багаторазово підтверджена: сьогодні таке отримують експериментально. При досягненні певної концентрації органічних речовин у первинному океані могли виникати складні агрегати різноманітних сполук. коацервати, дрібні кулясті утворення.

Вивчення штучно створюваних коацерватів (дуже широко досліджених А. І. Опаріним та його співробітниками) показало, що вони виявляють деякі властивості живих систем. Маючи ущільнений зовнішній шар, якесь подібність клітинної мембрани, коацервати здатні вибірково поглинати різні речовини з навколишнього середовища, які беруть участь у хімічних реакціях усередині коацерватних крапель, а частина продуктів цих реакцій виділяється назад у середу. Нагромаджуючи речовини, коацервати «зростають» і, збільшившись у розмірах, можуть розпадатися на кілька частин – «розмножуватися».

Коацервати, різні за своїм складом, характеризуються різним ступенем стійкості. Більше стійкі зберігаються, інші зникають, руйнуються.

Ці спостереження дали підставу А. І. Опаріну припустити можливість дії природного відбору(див. Нижче) вже на цій стадії становлення живого.

Тим не менш, коацервати при всій складності їх організації не можуть вважатися живими істотами насамперед тому, що у них немає стабільного самовідтворення.

На наступному етапі у коацерватах утворилися взаємозв'язки нуклеїнових кислот та білків. Синтез білків певного складу почав здійснюватися на основі інформації, укладеної в нуклеїнових кислотах.

Виникає здатність нуклеїнових кислот до самовідтворенняза участю специфічних білків – ферментів. Тобто можна говорити вже про появу протобіонтів- первинних форм життя, які мають ще клітинної організації, але здатних до самовідтворення та обміну речовин.

Подальший розвиток протобіонтів, ускладнення їх організації призвели до появи організмів, що мають клітинну будову, - первинних прокаріотівбактерій. З цього моменту розпочинається біологічна еволюція. Очевидно, спочатку існували гетеротрофні організми (оскільки у первинному океані містилося багато різних органічних речовин). У міру збільшення їхнього числа відбувалося зменшення харчових ресурсів і з-поміж них зростала конкуренція. Це спричинило появу автотрофів - організмів, синтезують необхідні їм органічні речовини з неорганічних.

Спочатку з'явилися організми, які використовували енергію, одержану внаслідок окислення мінеральних речовин. Цей процес відомий як хемосинтез, а організми отримали назву хемосинтетиків. Потім, у ході подальших еволюційних перетворень, виникли автотрофні організми, що використовують енергію сонячного світла, - це фотосинтезуючі організми. фотосинтетики). Подальша біологічна еволюція зумовила формування того різноманітного світу живої природи, що ми бачимо сьогодні.

Різноманітність видів як результат біологічної еволюціїції.Еволюційне вчення (теорія еволюції) - біологічна дисципліна, що досліджує причини та рушійні сили, закономірності та механізми розвитку живих організмів.

Під біологічною еволюцієюрозуміють незворотний та закономірний процес історичного розвитку живого від простого до більш складного, починаючи з виникнення перших живих організмів на Землі.

У ході еволюції одні види змінювалися іншими, відбувалося ускладнення та підвищення організації живих організмів, збільшувалася їхня різноманітність, з'явилася людина.

Велике світоглядне значення еволюційного вчення: воно стверджує ідею єдності походження всього живого, пояснює причини різноманіття видів,що мешкають на Землі, доцільність організації живих істот(тобто відповідність будови та функціонування всіх їх систем та органів умов існування), одночасна наявність у природі і простих, і високоорганізованих організмів.

Еволюційне вчення є теоретичною основою сучасної біології, поєднуючи, узагальнюючи результати, отримані численними приватними біологічними науками.

Очевидно його значення і для людини під час вирішення проблем взаємодії з біосферою.

Нарешті, знання законів і механізмів еволюції - основа у розвиток селекції - науки, що розробляє методи створення та поліпшення сортів культурних рослин і порід свійських тварин.

Історія розвитку уявлень про природне походження життя та еволюції організмів може бути поділена на три етапи: додарвінівський, дарвінівський та післядарвінівський (сучасний).