Вопрос происхождения жизни на Земле интересует учёных в области биологии и геологии уже много столетий, по их мнению, возраст планеты составляет более 5 млрд. лет. В 1923 году советским биохимиком Алексеем Опариным была разработана теория биохимической эволюции.
Основу этой теории составляла идея о том, что миллиарды лет назад при формировании планеты первыми органическими веществами были углеводороды, которые образовались в океане из более простых соединений.
Соединения углеводорода с азотом и простейших молекул аммиака, воды, метана и водорода с рядом других химических элементов образовывали сложные органические вещества. Энергию для осуществления этих процессов создавали частые грозовые электрические разряды и интенсивная солнечная радиация, выделявшая значительное количество ультрафиолетового излучения, падавшего на Землю до того, как образовался озоновый слой.
Органические вещества, постепенно накапливаясь в океане, создавали прочные молекулярные связи, которые были устойчивы к разрушающему действию ультрафиолетового излучения.
Позднее теория биохимической эволюции получила развитие в трудах английского учёного Джона Холдейна, который сформулировал гипотезу о том, что жизнь явилась результатом длительных эволюционных углеродных соединений. Вещества, близкие по своему химическому составу к белкам и другим органическим соединениям, составляющие основу живых организмов, возникли на основе углеводородов.
Белковые соединения в «первичном бульоне» притягивали и связывали молекулы жиров и воды, что позволяло жирам обволакивать поверхность белковых тел, структура которых напоминала мембрану клеток. Полученные в результате такого взаимодействия тела Опарин назвал коацерватами (коацерватными каплями), а сам процесс - коацервацией.
В дальнейшем поглощая из окружавшей среды белковые вещества, структура коацерватов усложнялась, и они стали похожи на примитивные, но уже живые клетки, а химические соединения внутреннего состава позволяли им расти, видоизменяться, осуществлять обмен веществ и размножаться.
Теория биохимической эволюции, важным этапом которой явилось формирование мембранной структуры, предполагала, что с появлением мембраны ускорился процесс упорядочения и усовершенствования метаболизма, а дальнейшее усложнение обмена веществ происходило с помощью катализаторов.
В 1953 году американский исследователь Стэнли Миллер провёл ряд экспериментов, в которых смоделировал возможные условия жизни на Земле, существовавшие в тот временной период, ему удалось получить соединения альдегидов, аминокислот, уксусную, молочную и ряд других органических кислот.
Теория биохимической эволюции
До середины XX в. многие ученые полагали, что органические соединения могут возникать только в живом организме. Именно поэтому их назвали органическими соединениями в противоположность веществам неживой природы - минералам, которые получили название неорганических соединений. Считалось, что органические вещества возникают только биогенно, а природа неорганических веществ совершенно иная, поэтому возникновение даже простейших организмов из неорганических веществ совершенно невозможно. Однако после того как из обычных химических элементов было синтезировано первое органическое соединение, представление о двух разных сущностях органических и неорганических веществ оказалось несостоятельным. В результате этого открытия возникли органическая химия и биохимия, изучающие химические процессы в живых организмах.
Однако в индивидуальных экспериментальных подходах из 20 протеиногенных аминокислот всегда составляло только максимум тринадцать, кроме того, существовал избыток веществ, которые не связаны в живой природе в связи с синтезом белка. Кроме того, анализ продуктов реакции выявил избыток моно - и полифункциональных молекул, которые являются значительным смешающим фактором для цепи отдельных аминокислот для белков.
Эксперименты Стэнли Миллера можно было рассматривать как первый шаг в формировании жизненно важных молекул. Однако этот шаг, очевидно, ведет к тупику. Поскольку во всех экспериментальных подходах возникает большое количество других веществ одновременно с желаемыми аминокислотами, которые серьезно затрудняют или даже делают невозможными следующие шаги.
Кроме того, данное научное открытие позволило создать концепцию биохимической эволюции, согласно которой жизнь на Земле возникла в результате физических и химических процессов. В основу этой гипотезы были положены данные о сходстве веществ, входящих в состав растений и животных, о возможности в лабораторных условиях синтезировать органические вещества, составляющие белок.
Некоторые из этих белков, ферментов, которые катализируют реакции, которые гарантируют выживание клетки и обеспечить, чтобы они удваиваются. Эксперименты Миллера не могли дать никаких правдоподобных доказательств для образования исходных материалов обеих макромолекул. Даже если бы упростительно предположить, что в качестве исходного материала для нуклеиновых кислот и нескольких аминокислот в качестве строительных блоков для белков потребуется только две основы, основная проблема останется: что было первым, белки или нуклеиновые кислоты.
Академик А.И. Опарин опубликовал в 1924 г. свой труд «Происхождение жизни», где была изложена принципиально новая гипотеза происхождения жизни. Суть гипотезы сводилась к следующему: зарождение жизни на Земле - длительный эволюционный процесс становления живой материи в недрах неживой. И произошло это путем химической эволюции, в результате которой простейшие органические вещества образовались из неорганических под влиянием сильнодействующих физико-химических факторов, и тем самым химическая эволюция постепенно поднялась на качественно новый уровень и перешла в биохимическую эволюцию.
Доказательства того, что были примитивные предшественники репликативной и метаболически активной системы, пока нет. Однако есть свидетельства того, что одна молекула-предшественник может сочетать обе функции, а именно хранение генетической информации и катализ или авторепликацию.
Оказалось, что на более поздних стадиях развития эти задачи полностью переносятся белками. Эти соображения долгое время оставались в сфере спекуляций. Эксперименты Миллера Урсуппена были относительно неспецифичны в поисках органических макромолекул как возможных исходных материалов для белков и нуклеиновых кислот. Некоторые из них будут представлены ниже.
Рассматривая проблему возникновения жизни путем биохимической эволюции, Опарин выделяет три этапа перехода от неживой материи к живой:
Синтез исходных органических соединений из неорганических веществ в условиях первичной атмосферы первобытной Земли;
Формирование в первичных водоемах Земли из накопившихся органических соединений биополимеров, липидов, углеводородов;
В дальнейшем, этот синтетический путь был исследован, и было обнаружено, что это был автокаталитический реакционный цикл, который был вызван небольшими количествами примесей формальдегида и вывел в качестве первого гликолевого продукта реакции. Если бы можно было направить реакцию Бутлерова на синтез рибозы, это может быть идеальным путем к сахарному компоненту нуклеотидов. Однако на этом пути были подготовлены только сахарные смеси, и рибозы всегда обнаруживались только в исчезающе малых количествах.
Однако вскоре стало очевидно, что катионы свинца катализируют синтез альдоптентозов, что приводит к предположению, что рибозы могут образовываться в пребиотических условиях. Химический синтез аденина пуринового основания до сих пор остается загадкой. Основой возможного синтеза пребиотического аденина является цианид водорода или синильная кислота. Джон Оро и его коллеги смогли извлечь небольшое количество аденина из цианида аммония в начале шестидесятых годов. Это побудило ученых искать другие возможные пути аденина.
Самоорганизация сложных органических соединений, возникновение на их основе и эволюционное совершенствование процесса обмена веществ и воспроизводства органических структур, завершающееся образованием простейшей клетки.
Несмотря на всю экспериментальную обоснованность и теоретическую убедительность, концепция Опарина имеет как сильные, так и слабые стороны.
Миякава предположил, что пурины в ранней земной атмосфере были сформированы независимо от цианистого водорода. Кристофер Чиба и Карл Саган еще более смело рассуждают о том, что пурины были произведены в других местах нашей солнечной системы и снесены на землю метеоритами. Роберт Шапиро, один из ведущих исследователей происхождения, критично относится к этим соображениям. Именно потому, что аденин играет важную роль в репликации всех известных живых существ, очевидно, что аденин был компонентом системы репликации в начале жизни.
Но химические свойства аденина говорят против такой роли. Это три веские причины, из-за которых Шапиро отвергает привлекательную возможность того, что аденин мог быть компонентом первой репликативной системы. Он также скептически относится к возможному пребиотическому синтезу пиримидинов. Они не были обнаружены ни в метеоритах, ни в экспериментах с электрическими разрядами. Химический синтез представляет собой такую сложность, что Шапиро также считает, что цитозин как возможный компонент ранней молекулы репликатора очень маловероятен.
Сильной стороной концепции является достаточно точное соответствие ее химической эволюции, согласно которой зарождение жизни есть закономерный результат добиологической эволюции материи. Убедительным аргументом в пользу этой концепции выступает также возможность экспериментальной проверки ее основных положений. Это касается лабораторного воспроизведения не только предполагаемых физико-химических условий первичной Земли, но и коацерватов, имитирующих доклеточного предка и его функциональное особенности.
Таким образом, следует отметить, что в настоящее время нет убедительных моделей для синтеза нуклеотидов при вероятных пребиотических условиях. Несколько реакционных ступеней, вероятно, можно имитировать, но всегда использовать чистые исходные материалы и нередко с очень низким выходом продукта. Обсуждаются мысли о внеземном происхождении основных строительных блоков нуклеиновых кислот, но они не могут способствовать решению актуальной проблемы. Сшивание активированных нуклеотидов до более длинных молекул обычно происходит не спонтанно, а только при добавлении внешних факторов активации к реакции.
Слабая сторона концепции - это невозможность объяснить сам момент скачка от сложных органических соединений к живым организмам - ведь ни в одном из поставленных экспериментов получить жизнь так и не удалось. Кроме того, Опарин допускает возможность самовоспроизведения коацерватов при отсутствии молекулярных систем с функциями генетического кода. Иными словами, без реконструкции эволюции механизма наследственности объяснить процесс скачка от неживого к живому невозможно. Поэтому сегодня считается, что решить эту сложнейшую проблему биологии без привлечения концепции открытых каталитических систем, молекулярной биологии, а также кибернетики не получится
Из-за очень низкой скорости реакции нуклеозидных фосфатов в водном растворе при умеренных температурах и значениях рН эту реакцию невозможно легко смоделировать в лаборатории. Таким образом можно синтезировать только полимеры нескольких нуклеотидов. Самой большой проблемой является источник свободной энергии, который может стимулировать полимеризацию нуклеотидов. Эту проблему можно решить с использованием глинистых минералов. Феррис еще не может объяснить, как глина может выполнить эту задачу, но интенсивно проводит исследования со своей командой, чтобы прояснить этот вопрос.
Основные Гипотезы происхождения жизни на земле.
Биохимическая эволюция
Среди астрономов, геологов и биологов принято считать, что возраст Земли составляет примерно 4,5 – 5 млрд. лет.
По мнению многих биологов, в прошлом состояние нашей планеты было мало похоже на нынешнее: вероятно температура на поверхности была очень высокой (4000 - 8000°С), и по мере того, как Земля остывала, углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались и образовали земную кору; поверхность планеты была, вероятно, голой и неровной, так как на ней в результате вулканической активности, подвижек и сжатий коры, вызванных охлаждением, происходило образование складок и разрывов.
Эта трудность часто наблюдалась и упоминалась как энантиомерное кросс-ингибирование. Это может поставить под сомнение все наиболее правдоподобные объяснения происхождения механизмов пребиотической репликации. Он фокусируется на следующих предположениях.
Пребиотические основания, сахара, фосфаты присутствовали в достаточном количестве и чистоте. Это образовавшиеся нуклеотиды, основные строительные блоки нуклеиновых кислот и накопленные в небольшом озере. На дне озера были глинистые минералы, которые катализировали образование длинноцепочечных одноцепочечных полинуклеотидов. Некоторые из них были преобразованы в двойные пряди с помощью шаблонного синтеза.
Полагают, что гравитационное поле еще недостаточно плотной планеты не могло удерживать легкие газы: водород, кислород, азот, гелий и аргон, и они уходили из атмосферы. Но простые соединения, содержащие среди прочих эти элементы (вода, аммиак, CO2 и метан). До тех пор, пока температура Земли не упала ниже 100°C, вся вода находилась в парообразном состоянии. Отсутствие кислорода, вероятно, было необходимым условием для возникновения жизни; как показывают лабораторные опыты, органические вещества (основа жизни) гораздо легче образуются в атмосфере бедной кислородом.
Копия рибозима приводит к дальнейшим рибозиму и так далее. Это привело к экспоненциально растущему населению. На этом этапе сценария естественный отбор продолжил бы этот процесс. По словам Дарвина, жизнь началась из первоначального организма. Согласно еще более радикальным идеям созерцания молекулярных биологов, вся биосфера будет происходить из нескольких самовоспроизводящихся полинуклеотидов, образовавшихся на примитивной почве.
Авторы этого утопического молекулярного зрелища вполне могут отметить, что еще предстоит решить многие нерешенные проблемы, прежде чем эта мечта может превратиться в серьезную и убедительную теорию. Кроме того, еще предстоит показать, как рибозимы удерживают продукты вместе в терминах их собственной активности, например, путем включения в мембранную систему, которая будет кратко рассмотрена.
В 1923 г. А.И. Опарин, исходя из теоретических соображений, высказал мнение, что органические вещества, возможно углеводороды, могли создаваться в океане из более простых соединений. Энергию для этих процессов поставляла интенсивная солнечная радиация, главным образом ультрафиолетовое излучение, падавшее на Землю до того, как образовался слой озона, который стал задерживать большую ее часть. По мнению Опарина, разнообразие находившихся в океанах простых соединений, площадь поверхности Земли, доступность энергии и масштабы времени позволяют предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества и образовался «первичный бульон», в котором могла возникнуть жизнь.
С помощью компьютерного моделирования они пытаются имитировать происхождение жизни, а также представлять молекулярную эволюцию в цифровом виде во времени. Все вышеупомянутые трудности и препятствия для саморазвития исходных материалов нуклеиновых кислот в этом случае не должны рассматриваться в этих экспериментальных подходах.
Шустер выбрал способ компьютерного моделирования, потому что он обеспокоен большими препятствиями обычного, г. час белый на основе экспериментальных исследований, основанных на лабораторных экспериментах. Явления, подобные адаптации, составляют от 10 3 до 10 6 поколений. Такие периоды времени слишком велики для экспериментов в обычном смысле. Кроме того, комбинация возможных генотипов становится неуправляемой. Наконец, сложная связь между генотипом и фенотипом затрудняет реалистичное моделирование.
Понять происхождение человека нельзя, не поняв происхождение жизни. А понять происхождение жизни можно, лишь поняв происхождение Вселенной.
Сначала был большой взрыв. Этот взрыв энергии произошел пятнадцать миллиардов лет назад.
Эволюцию можно представить себе в виде Эйфелевой башни. В основании - энергия, выше - материя, планеты, затем жизнь. И наконец на самой верхушке - человек, самое сложное и позже всех появившееся животное.
Единственной необходимой предпосылкой для молекулярной эволюции, контролируемой компьютером, являются молекулы, способные к размножению. Это может затем атаковать отбор и адаптацию при изменении условий окружающей среды. Времена генерации самореплицирующихся молекул чрезвычайно короткие. Явления, такие как адаптация, становятся наблюдаемыми. Оба свойства, последовательность и пространственная структура неразрывно связаны. Таким образом, этот подход предлагает простую модельную систему для изучения процессов адаптации в лаборатории.
Ход эволюции:
15 млрд лет назад: рождение Вселенной;
5 млрд лет назад: рождение Солнечной системы;
4 млрд лет назад: рождение Земли;
3 млрд лет назад: первые следы жизни на Земле;
500 млн лет назад: первые позвоночные;
200 млн лет назад: первые млекопитающие;
70 млн лет назад: первые приматы.
Согласно этой гипотезе, предложенной в 1865г. немецким ученым Г. Рихтером и окончательно сформулированной шведским ученым Аррёниусом в 1895 г., жизнь могла быть занесена на Землю из космоса. Наиболее вероятно попадание живых организмов внеземного происхождения с мётеоритами и космической пылью. Это предположение основывается на данных о высокой устойчивости некоторых организмов и их спор к радиации, глубокому вакууму, низким температурам и другим воздействиям.
Таким образом, исследователи Шустера могут создавать молекулы с оптимальными свойствами, которые впоследствии могут быть синтетически синтезированы. Этот «игрушечный мир», как называет сам Шустер, представляет собой простую, но эффективную модельную модель для моделирования событий молекулярной адаптации. Эта модель, безусловно, подходит для понимания микроэволюционных процессов.
На молекулярном уровне он думает о происхождении репликации в целом, о переводе или происхождении генетического кода, о сложном взаимодействии регуляции генов. На макроскопическом уровне это будет переход от прокариотов к эукариотам, от одноклеточных организмов до многоклеточных организмов или даже к развитию организмов, вплоть до людей.
В 1969 году в Австралии был найден метеорит "Мэрчисон". Он содержал 70 неповрежденных аминокислот, восемь из которых входят в состав человеческого белка!
Многие ученые могли возразить, что белки, окаменевшие при вхождении в атмосферу, были мертвы. Однако недавно был открыт прион, белок, который выдерживает очень высокие температуры. Прион сильнее вируса и способен гораздо быстрее передавать болезнь. Согласно теории Панспермии человек каким то образом берет начало от вируса внеземного происхождения, поразившего обезьян, которые в результате мутировали.
Вопрос о происхождении первых клеток еще предстоит решить с помощью необходимых шагов, упомянутых выше, для выяснения происхождения жизни. Многие ученые считают, что предки всех живых существ были своего рода одноклеточным существом, контейнером, в котором белки и нуклеиновые кислоты, кофакторы и другие были упакованы и окружены относительно непроницаемой оболочкой. Даже на этом следующем необходимом этапе пребиотической эволюции в настоящее время существуют только предположения о возможных механизмах формирования первых клеток.
Центральными компонентами клеточных мембран являются фосфолипиды, которые могут спонтанно собираться в бислоях для образования круговых структур. Хотя нет доказательств наличия синтетических возможностей в пребиотических условиях, существуют модельные системы относительно того, как липидные бислои могут впервые появиться в супе изначального сустава и как можно визуализировать примитивное деление клеток.
Теория самопроизвольного зарождения жизни
Эта теория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне и Египте в качестве альтернативы креационизму, с которым она сосуществовала.
Аристотель (384 – 322 гг. до н. э.), которого часто провозглашают основателем биологии, придерживался теории спонтанного зарождения жизни. На основе собственных наблюдений он развивал эту теорию дальше, связываю все организмы в непрерывный ряд – «лестницу природы». «Ибо природа совершает переход от безжизненных объектов к животным с такой плавной последовательностью, поместив между ними существа, которые живут, не будучи при этом животными, что между соседними группами, благодаря их тесной близости, едва можно заметить различия» (Аристотель).
Открытие архебактерий возлагало надежды на то, что эти микроорганизмы могут быть хорошими модельными системами, поскольку первыми предшественниками клеток могли быть. Однако вскоре стало очевидно, что архебактерии, в частности, содержат очень сложные метаболические системы, которые не являются «примитивными» и поэтому вряд ли могут быть использованы в качестве возможного архетипа примитивного одноклеточного живого организма.
Мечта о «стандартной модели» для создания жизни, сформулированной Джойсом и Оргелем, остается в сфере спекуляций. Ни для пребиотического происхождения строительных блоков нуклеиновых кислот и белков нет безопасных экспериментальных данных, ни для прототипа самовоспроизводящейся генетической системы, кроме того, вопрос об организации генетического материала на клеточном уровне невозможен. Также вопрос: курица или яйцо, д. час были ли белки или нуклеиновые кислоты в качестве первых предшественников жизни до сих пор неясно.
Согласно гипотезе Аристотеля о спонтанном зарождении, определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм. Аристотель был прав, считая, что это активное начало содержится в оплодотворенном яйце, но ошибочно полагал, что оно присутствует также в солнечном свете, тине и гниющем мясе.
«Таковы факты – живое может возникать не только путем спаривания животных, но и разложением почвы. Так же обстоит дело и у растений: некоторые развиваются из семян, а другие как бы самозарождаются под действием всей природы, возникая из разлагающейся земли или определенных частей растений» (Аристотель).
С распространением христианства теория спонтанного зарождения жизни оказалась не в чести: ее признали лишь те, кто верил в колдовство и поклонялся нечистой силе, но эта идея все продолжала существовать где-то на заднем плане в течение еще многих веков.
Теория стационарного состояния
Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно, она всегда способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень мало. Виды также существовали всегда.
Оценки возраста земли сильно варьировали – от примерно 6000 лет по расчетам архиепископа Ашера до 5000 10 в 6 степени лет по современным оценкам, основанным на учете скоростей радиоактивного распада. Более совершенные методы датирования дают все более высокие оценки возраста Земли, что позволяет сторонникам теории стационарного состояния считать, что Земля существовала вечно. Согласно этой теории, виды также никогда не возникали, они существовали всегда и у каждого вида есть лишь две альтернативы – либо изменение численности, либо вымирание.
Сторонники этой теории не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводят в качестве примера представителя кистеперых рыб – латимерию. Сторонники теории стационарного состояния утверждают, что только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми остатками, можно делать вывод о вымирании, да и в этом случае весьма вероятно, что он окажется неверным. Используя палеонтологические данные для подтверждения теории стационарного состояния, ее немногочисленные сторонники интерпретируют появление ископаемых остатков в экологическом аспекте (увеличение численности, миграции в места благоприятные для сохранения остатков и т. п.). Большая часть доводов в пользу этой теории связана с такими неясными аспектами эволюции, как значение разрывов в палеонтологической летописи, и она наиболее подробно разработана именно в этом направлении.
Креационизм
Креационизм (лат. сгеа - создание). Согласно этой концепции, жизнь и все населяющие Землю виды живых существ являются результатом творческого акта высшего существа в какое-то определенное время. Основные положения креационизма изложены в Библии, в Книге Бытия. Процесс божественного сотворения мира мыслится как имевший место лишь единожды и поэтому недоступный для наблюдения. Этого достаточно, чтобы вынести всю концепцию божественного сотворения за рамки научного исследования. Наука занимается только теми явлениями, которые поддаются наблюдению, а поэтому она никогда не будет в состоянии ни доказать, ни отвергнуть эту концепцию.
Теория водного происхождения человека
Она гласит: человек произошел прямо из воды. Т.е. мы когда то были чем-то вроде морских приматов, или гуманоидными рыбами.
«Водную теорию» происхождения человека выдвинул Алистер Харди (1960), а развивала Элейн Морган. После чего идею транслировали многие популяризаторы, например, Ян Линдблад и легендарный подводник Жак Майоль. По мнению Харди и Морган, одним из наших предков была большая обезьяна миоцена из семейства проконсулов, которая, прежде чем стать земной, много миллионов лет обитала в воде.
В пользу происхождения «водной обезьяны» приводятся такие особенности человека:
1. Способность задерживать дыхание, апноэ (в том числе во время вокализации) делает человека ныряльщиком.
2. Работа ловкими кистями и использование орудий сходно с поведением енота-полоскуна и калана.
3. Переходя вброд водоемы, приматы встают на задние конечности. Полуводный образ жизни способствовал развитию прямохождения.
4. Утрата волосяного покрова и развитие подкожного жира (у человека в норме он толще, чем у других приматов) - характерны для водных млекопитающих.
5. Большая грудь помогала удерживать в воде корпус и согревать сердце.
6. Волосы на голове помогали удерживаться младенцу.
7. Удлиненная стопа помогала плавать.
8. Между пальцами рук есть кожная складка.
9. Сморщив нос, человек может закрыть ноздри (обезьяны – нет)
10. Ухо человека меньше набирает воду
И еще например если новорожденного поместить в воду сразу после того как он покинет материнское лоно, он будет себя отлично чувствовать. Он уже умеет плавать. Ведь чтобы новорожденный перешел от стадии рыбы к стадии млекопитающего дышащего воздухом его нужно похлопать по спине.
50 млн лет назад дельфины вышли из воды и стали сухопутными животными. А потом по неизвестным причинам решили вернуться в воду. Нам остается лишь последовать их примеру.
Трансформизм
Выдвинута в 1815 году Жаном Батистом Ламарком
Изменения внешней среды влекут за собой изменение клеток.
Разлом вынудил(!!) первых доисторических людей жить в безлесной саванне. Они не могли более взбираться на деревья, спасаясь от хищников. Люди вынуждены были встать на задние лапы, чтобы издалека видеть врага в высокой траве. Постоянно опасаясь нападения, люди выпрямились и превратились из "животных, в основном живущих на деревьях и иногда принимающихвертикальное положение" в "прямоходящих животных иногда взирающихся на деревья".
Использование нижних конечностей освободило верхние лапы, теперь в руках можно было держать палку и использовать ее как оружие.
Прямохождение открыло эру и других изменений, в частности в костяке.Таз сделался корзиной для внутренностей. Раньше соединение позвоночного столба и черепа было горизонтальным. Теперь оно стало вертикальным, и объем черепа увеличился, так как спинной мозг больше не мешал ему.
За 2 млн лет объем мозга вырастает с 450 до 1000 кубических сантиметров, затем от 1000 до современных 1450.
У нас почти не осталось шерсти. Шерсть была нужна чтобы младенцы могли вцепиться в живот матери. Это стало ненужным, когда матери смогли взять детей на руки. И шерсть осталась на макушке черепа для защиты от солнца. Над глазами (брови) защита от дождя.
Отличие от дарвинизма в том что, дарвинисты считают, что люди - это животные, у которых случайно оказался ген, позволивший им встать на задние лапы. А ламаркисты считают, что любое животное если это необходимо, может трансформировать свои гены.
Идеи Ламарка дают каждому надежду на лучшее. А Дарвин, если ты представитель не самого удачного вида, не оставляет тебе шанса.
Развиваясь в течение 9 мес, зародыш человека проживают всю историю своего вида.
12-тидневный эмбрион напоминал крошечного удлиненного червяка с большими глазами. Похож на зародыш рыбы.
Когда человеческому эмбриону тридцать один день, он похож на ящерицу, в 9 недель - на детеныша землеройки, в 18 недель ничем не отличается от зародыша обезьяны.
Дарвинизм
Материалистическая теория эволюции (исторического развития) органического мира Земли, основанная на воззрениях Ч. Дарвина.
Два основных двигателя эволюции. Первое- случай, второе - отбор видов. Природа ставила одновременно тысячи эксперементов. А естественный отбор затем устраняет наименее приспособленных.
Картина истории предков человека.
70 млн лет назад: появление первых приматов. Они были насекомоядными и очень походили на землероек.
40 млн лет назад; появление первых лемуров.У этих животных уже были характерные для человека черты: отстоящий большой палец, поские ногти, плоское лицо. Расположенный под углом к ладони большой палец позволяет хватать предметы и пользоваться ими как инструментами. Плоские ногти вместо когтей дают возможность сжимать кулак. У лемуров у первых появилась кисть руки.Благодаря плоским лицам лемуры начали видеть объемно. Животные, у которых глаза расположены по бокам морды, не могут определять расстояние и различать рельеф. Улемуров морда перестала быть вытянутой, и глаза окаались на одной плоскости. Лемуры обрели возможность видеть мир в трех измерениях.
20 млн лет назад лемуров обогнали обезьяны, их гораздо более ловкие мутировавшие кузены.
Примерно между 4,4 и 2,8 млн лет тому назад, появляется ветвь обезьян-австралопитеков, из которых позднее вышли люди. Человек стал отличаться от гориллы или шимпанзе благодаря изменениям климата. Обезьяны населяли Восточную Африку, где произошло землятресение, спровоцировавшее разлом почвы, так называемый рифт. Разлом вызвал образование трех особых климатических зон: зону густых лесов, гористую зону, зону саванн с редкой растительностью. В густых лесах выжили только предки шимпанзе, в горах предки горилл, а в зоне саванн с редкой растительностью - австралопитеки, то есть наши предки.
Основным различием между австралопитеком и доисторической гориллой или шимпанзе было исчезновение хвоста, необходимого для того, чтобы удерживать равновесие при прыжках с ветки на ветку. Дотронетесь до вашего копчика. Этот бесполезный маленький обрубок хвоста внизу спины - последний признак древесной обезьяны, которой человек был до появления разлома.
Отсутствие хвоста - не единственное различие между человеком и обезьяной. Постепенно распрямился торс, увеличился объем черепа, лицо сделалось плоским, и у человека повилось стереоскопическое зрение. Не забудем и опущение гортани. Раньше приматы издавали лишь орчание, опущение же гортани значительно расширело диапазон звуков.Исчезла шерсть, период детства удлиннился, то есть удлинилось время для обучения детей.Возникли более сложные социальные отношения.
И вот он, ХОМО САПИЕНС, то есть мы. Одна из совершенных форм творения природы.
Теорий возникновения протобиополимеров – основы жизни на Земле несколько. Рассмотрим наиболее важнейшие из них.
Теория Панспермии.
Данной точки зрения придерживались Аррениус, Гельмгольц, Берг, Вернадский, микробиолог Заварзин.
Согласно данной точки зрения жизнь зародилась в космосе и первые живые существа были привнесены на Землю из космоса вместе с космической пылью, метеоритами. Таким образом, жизнь на Земле существует столько, сколько существует сама планета.
Однако встает вопрос, где появилась первая жизнь? По мнению микробиологов, жизнь могла возникнуть в космосе, в пределах Солнечной системы (космо-химическая теория). Эта химическая, а затем биологическая эволюция происходила до образования Земли.
Доказательством является сравнительный анализ вещества космоса и Земли: основными химическими элементами везде являются О, Н, С, N.
Концентрация вещества в космосе очень мала, поэтому, вероятно, первые элементы жизни связаны с космической пылью, которая имеет следующее строение:
Под воздействием ультрафиолетовых лучей, которых в космосе очень много, могли протекать химические и биологические процессы. В метеоритах найдены углеводороды: пурины, пиримидины, аминокислоты. Впервые органические вещества в метеоритах выделены Берцелиусом. Жизнь на поверхность Земли могли доставлять и кометы. Химический состав комет не отрицает это. Органические вещества в «замороженном» состоянии в метеоритах и кометах могли оставаться неограниченно долгое время и, попав на Землю, при благоприятных условиях могли продолжить развитие.
Аргументы против данной теории:
· длительное пребывание в холоде должно быть губительно, но эксперименты подтверждают, что зародыши простейших микроорганизмов в течение 6 мес. переживают температуру –200оС;
· ультрафиолетовые лучи губительны для в сего живого, но в отсутствии кислорода сложные органические соединения могут существовать не разрушаясь при жестком ультрафиолетовом излучении;
· прохождение метеоритов через атмосферу вызывает значительное повышение температуры, метеориты оплавляются, но есть данные, что микроорганизмы могут переносить высокие температуры и они вполне могли сохраниться внутри метеоритов.
Таким образом, нет фактов, доказывающих полную несостоятельность этой теории.
Термическая теория .
Реакции конденсации, которые привели бы к образованию полимеров из низкомолекулярных предшественников, могут осуществляться путем нагревания. Наиболее хорошо изучен синтез полипептидов. Идея термического синтеза полипептидов принадлежит американскому ученому С. Фоксу, который длительно изучал возможности образования полипептидов в условиях, существовавших на первобытной Земле.
Если смесь аминокислот нагреть до 180-2000 С при нормальных атмосферных условиях или в инертной среде, то образуются продукты расщепления, небольшие олигомеры, в которых мономеры соединены пептидными связями, а также малые количества полипептидов. Полипептиды, полученные термическим путем из аминокислот, – протеиноиды – проявляют многие специфические свойства биополимеров протеинового типа. Однако, более сложные структуры получить не удалось. Не выдвинуты обоснованные теоретические пути данного процесса.
Низкотемпературная теория.
Холодная плазма широко распространена в природе. Некоторые ученые считают что 99% Вселенной находятся в состоянии холодной плазмы. На современной Земле она представлена в виде молний, северных сияний, ионосферы. На абиотической Земле этот вид энергии был способен превращать молекулы в свободные радикалы, активные в химическом отношении. В результате экспериментов с холодной плазмой авторами теории были получены отдельные мономеры, полимеры пептидного типа и липиды.
Теория адсорбции .
Основным контраргументом в спорах об абиогенном возникновении полимерных структур является концентрационный барьер и недостаток энергии для конденсации мономеров в разбавленных растворах. Действительно, по некоторым оценкам концентрация органических молекул в «первичном бульоне» составляла около 1%, что не могло обеспечить протекания реакций полимеризации или поликонденсации в быстрые сроки, как это произошло на Земле по оценкам некоторых ученых. Одно из решений этого вопроса, связанное с преодолеванием концентрационного барьера, было предложено Дж. Д. Берналом , считавшим, что концентрирование разбавленных растворов происходит путем «адсорбции в пресноводных или морских отложениях очень тонких глин».
В результате взаимодействия веществ в процессе адсорбции некоторые связи ослабляются и рвутся, другие возникают, что приводит к разрушению одних и образованию других веществ.
Коацерватная теория .
В 1924г. Выходит в свет книга А.И. Опарина «Происхождение жизни», в которой он выдвигает гипотезу, что происхождение жизни на земле есть результат длительного эволюционного процесса на самой Земле. Сейчас зарождение жизни не возможно, т.к. все экологические ниши заняты и есть кислород – сильный окислитель.
В 1929г. Выходит статья Дж. Холдейна, где он независимо от Опарина приходит к таким же результатам. Но приоритет открытия Опарина однозначен.
Опарин считает, что жизнь на Земле могла возникнуть абиогенным путем. Первые живые организмы были гетеротрофами. Это могло произойти при наличии определенных химических веществ, источников энергии, отсутствии газообразного кислорода и при наличии безгранично длительного времени.
Вероятность самозарождения жизни по Опарину 1/1000 случаев в год, но времени было достаточно от возникновения Земли до появления первых прокариотов (1 млрд лет).
Опарин выделил 4 этапа возникновения жизни на Земле.
1 этап. Образование органических веществ.
Вначале масса Земли была раскалена, постепенно она остывала. В это время углерод соединялся с металлами с образованием карбидов:
С + Ме (Ni, Fe) =карбиды (обнаружены в метеоритах).
В первичной атмосфере Земли были C, H, N.
O2 + 2H2 = 2 H2O
Спектральные исследования показали, что эти вещества присутствуют на солнце и других звездах. Свободный кислород отсутствовал. По мере остывания пары воды могли конденсироваться с образованием первичных водоемов.
Источниками энергии для первичной химической эволюции могли служить:
· распад К40;
· ультрафиолетовое излучение;
· вулканизм;
· удары метеоритов;
· молнии.
В водной среде под воздействием этих видов энергии могли появиться спирты, альдегиды, кислоты.
Гипотеза Опарина вызвала много споров и научных исследований.
В 1953г. Миллер сконструировал специальную установку и провел следующие эксперименты. Через смесь газов CH4, NH3, H2O и H2 он пропускал электрический ток. К концу недели были получены аминокислоты аланин и глутамин.
Оро провел подобный эксперимент, используя в качестве энергии ультрафиолетовое излучение при высокой температуре и получил урацил, рибозу и дезоксирибозу.
Теорию Опарина подтверждают и палеонтологические данные. Первые органические молекулы найдены в слоях, соответствующих возрасту 3,8 млрд лет назад.
2 этап. Полимеризация мономеров.
Доказать полимеризацию в естественных условиях трудно, т.к. полимеры легко разрушаются. Т.е. реакции полимеризации и поликонденсации могли идти только при мягких условиях реакции при наличии катализаторов. Ими могли быть цианиды.
Данные реакции по предложению Дж. Д. Бернала могли осуществляться на границе земля – вода, на скоплениях глин, которые являются прекрасными адсорбентами. Многие виды глин эффективно адсорбируют сахара, азотистые основания, кислоты. При высокой концентрации потенциальных мономеров при наличии внешней энергии могли протекать процессы полимеризации.
3 этап. Появление коацерватов.
Молекулы первых органических соединений, в т.ч. и белков, находились в растворах. Они образовывали коллоидный раствор. При смешивании различных коллоидных растворов возникали фазово-обособленные органические системы – капли белков, отличающиеся друг от друга – коацерватные капли, имеющие некую структурную оболочку, образованную определенным образом ориентированными молекулами. Эта оболочка отделяет каплю от внешней среды, превращая ее в дискретную единицу, содержащую набор химических веществ, отличный от внешней среды. Через эту оболочку возможен обмен веществ между коацерватом и внешней средой по типу открытых систем. Внутри коацерватов под действием катализаторов могла происходить самосборка полимерных молекул в многомолекулярные фазово-обособленные образования – видимые под оптическим микроскопом капли. В них сосредотачивается большинство полимерных молекул, тогда как окружающая среда почти их лишена. Коацерваты могут объединяться, образуя более сложные структуры, поглощать меньшие, делиться на дочерние образования. Таким образом, возникает простейший метаболизм. Вещество входит в каплю, полимеризуется, обуславливая рост системы, а при его распаде продукты этого распада выходят во внешнюю среду, где их раньше не было.
Важно то, что в зависимость от совершенства внутренней организации капель одни из них могут расти быстро, тогда как другие, находясь в той же среде, замедлены в своем росте или подвергаются распаду. Таким образом, на модели коацерватных капель А.И Опарину и его сотрудникам удалось экспериментально показать предбиологический отбор, т.е. зачатки естественного отбора, который в дальнейшем явился движущей силой всего эволюционного процесса.
Исследования Опарина подтверждены другими учеными. Это «пузырьки» Гольдейкера, «микросферы» Фокса, «джейвану» Бахадура. «пробионты» Эгами и многие другие.
4 этап. Возникновение матричного синтеза.
Грань, отделяющая преджизнь от жизни – возникновение матричного синтеза. До этого момента существовали индивидуумы, с появлением матричного синтеза можно говорить о популяциях.
Синтез белков претерпевал эволюционные изменения.
Изначально сборка белков шла на РНК, находящихся в цитоплазме клеток. Это самый простой способ, но при нем не гарантировалось равномерное деление информации между дочерними клетками, т.е. часть признаков могла исчезнуть из популяции.
Более прогрессивный способ возник с появлением ДНК. ДНК были более устойчивыми молекулами, поскольку имели двуцепочечное строение. На первом этапе РНК и ДНК конкурировали и возможно эволюция пошла по дивергентному пути. ДНК стала специализироваться на самовоспроизведении, РНК – синтезе белков. ДНК обосновалась в ядре, РНК – в цитоплазме. Образовались 2 системы синтеза:
– синтез полипептидов – относительно не точный;
– синтез белков – очень точный.
Постепенно возникла система генетического кода, когда триплет нуклеотидов кодировал аминокислоту. С появлением примитивного генетического аппарата обладавшие им протоклетки смогли передавать всем своим потомкам способность синтезировать специфические полипептиды. Образующиеся из них линии давали семейства родственных протоклеток с наследуемыми свойствами, которые подвергались естественному отбору.
Первые живые организмы были гетеротрофными и использовали готовые органические вещества первичного бульона. Автотрофы скорее всего произошли от гетеротрофов на следующем этапе эволюции. Причиной явилось уменьшение количества готовых органических веществ в первичном бульоне, т.к. увеличилось количество протобионтов, а позднее первых живых организмов. Это обострило конкуренцию преимущество стали иметь живые организмы, использующие альтернативные источники энергии. Таким неисчерпаемым источником энергии стал солнечный свет. Сначала это была ультрафиолетовая часть спектра, позднее, с появлением кислорода, в атмосфере начал формироваться озоновый экран – препятствие для ультрафиолетового излучения и преимущество получили организмы, имеющие катализаторы, позволяющие использовать видимую часть спектра для осуществления окислительно-восстановительных реакций. Возник фотосинтез. Это привело к еще большему увеличению содержания кислорода в атмосфере и возникновению процесса дыхания. Накопление кислорода в атмосфере также привело к окончанию абиогенного синтеза.
В современной биологии существует два методологических подхода к описанию процесса зарождения жизни:
Голобиоз – подход, основанный на первичности структур типа клеточной, способных к элементарному обмену веществ при участии ферментативного механизма;
Генобиоз – подход, основанный на убеждении в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода.
Оба они основываются на идее биохимической эволюции: жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам.
Гипотеза биохимической эволюции была высказана еще в 1923 г. нашим соотечественником – биохимиком А.И. Опариным (1894-1980) и английским ученым Д.Б. Холдейном (1892-1964). Они выделили несколько этапов биохимической эволюции.
1. Геохимическая эволюция Земли; формирование подходящих физико-химические условий – температуры, давления, радиации; синтез простейших неорганических соединений (СО 2 , Н 2 О, NН 3 и др.), переход воды из парообразного состояния в жидкое в процессе охлаждения Земли. На это ушло десятки, если не сотни миллионов лет. Исследование пузырьков газа в древнейших отложениях показывает, что первичная атмосфера Земли не содержала свободного О, в ней присутствовали: диоксид углерода, пары воды соединения серы, аммиака – т.е. соединения которые образуются при дегазации лав. Это была разреженная восстановительная среда.
2. Несколько сотен миллионов лет ушло на эволюцию атмосферы и гидросферы и создание условий для синтеза простейших органических веществ (аминокислот). По предположению А.И.Опарина и Д.Холдейна это происходило под воздействием грозовых разрядов. В насыщенной парами воды первичной атмосфере Земли грозы происходили гораздо чаще, чем сейчас, и были гораздо мощнее. В каналах молний температуры могут достигать нескольких сотен тысяч градусов. Это стало важнейшим фактором синтеза аминокислот.
3. Накопление их в водах океанов способствовало постепенному усложнению органических соединений, образованию блоков-мономеров и простых полимеров, что в конечном итоге привело к формированию белковых структур и первичного водно-белкового «бульона».
4. Благодаря амфотерности белковых молекул (способности к образованию коллоидных гидрофильных комплексов, притягивающих к себе молекулы воды) стало возможным создание вокруг белковых структур водной оболочки. Образовались водно-белковые комплексы.
5. Образование сложных полимеров: нуклеиновых кислот, обладающих свойством самовоспроизведения и производства белковых структур.
6. Слияние водно-белковых комплексов и образование коацерваций (лат. сoacervatio – накопление; накопление в растворах высокомолекулярных соединений), способных обмениваться веществом и энергией с окружающей средой. Включение в их структуру нуклеиновых кислот.
7. Поглощение коацерватами металлов и образование ферментов, способных ускорять биохимические процессы.
8. Выстраивание гидрофобных липидов на границе между коацерватами и внешней средой способствовало образованию примитивной мембраны, обеспечивающей стабильность функционирования коацервата.
9. В процессе эволюции у этих образований появились простейшая саморегуляция и самовоспроизведение.
Так, по мнению авторов гипотезы, появилось примитивное живое вещество. На его создание природа потратила около полутора миллиардов лет. Таким образом, чисто качественно, без математических уравнений, еще не зная о существовании автокаталитических реакций, биохимики указали основные этапы предбиологической эволюции вещества. Одно из слабых мест их теории – механизмы перехода от неживого к живому, появление функций саморегуляции и самовоспроизведения.
Эту проблему попытался разрешить М.Эйген, используя методы математического моделирования. Поздний этап предбиологической эволюции по его модели связан с сопряжением множества химических процессов, поисками оптимального соотношения их скоростей, согласованности их отдельных этапов и способности к внутренней перестройке под действием факторов внешней среды. Это потребовало совершенствования информационных связей между отдельными компонентами коацерваций. По всей вероятности, именно на этом этапе возникает многоконтурная обратная связь. Для достижения высокого уровня регуляции процессов необходимо ограничение влияния флуктуаций параметров внешней среды. Для этого потребовалась избирательно проницаемая мембрана – клеточная оболочка. Очевидно, одновременно совершенствуется процесс самовоспроизведения и передачи структурной (наследственной) информации, появляется способность к регенерации. Возникает примитивная, пространственно обособленная область низкой энтропии, отделенная от внешней высокоэнтропийной среды и способная к саморегуляции и самовоспроизведению.
Опыты, проведенные американским ученым Стенли Миллером в условиях, приближенных к тем, которые некогда существовали на Земле, полностью подтвердили возможность предбиологической эволюции по сценарию, описанному А.И. Опариным, Д.Б.Холдейном. Однако воспроизвести процесс самоорганизации биополимеров до клеточного уровня в искусственных условиях пока не удалось, и будет ли это возможно в обозримом будущем, неизвестно.
Опережающее отражение
Как известно, многие абиотические факторы (температура, мощность излучения, напряженность электромагнитного поля, естественный радиационный фон и другие) изменяются циклично под влиянием космических ритмов (вращение Земли вокруг собственной оси, вокруг Солнца, цикличность солнечной активности). Вероятно, воздействие этой цикличности на первичные коацерваты в течение миллионов лет привело к тому, что химические процессы, протекающие внутри них, сделались цепными. Некоторые стали носить опережающий характер. Если у коацерватов каждый из факторов вызывает «свою» биохимическую реакцию, то у примитивного живого изменение всего лишь одного фактора запускает весь комплекс реакций. А это значит, что у примитивной живой системы появилось опережающее отражение . С усложнением систем усложняется и характер отражения. На уровне живого опережающее отражение изучено нашим соотечественником - физиологом П.К. Анохиным (1896-1974). Схема этих процессов представлена в таблице 2.
Таблица 2
Биологические процессы у коацерватов и примитивного живого
У простейших организмов сохраненные следы былых воздействий начинают использоваться в виде сигналов, оповещающих о воздействиях, аналогичных былым. При этом отмечаются слабые признаки целенаправленной деятельности и обучаемости. Например, инфузории под воздействием падающего света пытаются найти более оптимальное положение тела по отношению к источнику. У планарий световое раздражение закрепляется на биохимическом уровне и проявляется в опережающих поведенческих реакциях при повторном действии раздражителя через длительный промежуток времени. С усложнением организмов сохранение былых воздействий выходит на генетический и более высокие уровни и закрепляется в виде инстинктивных «знаний» и безусловных рефлексов, в системе различных форм общения (феромонное, звуковое, знаковое, смысловое).
Проявление опережения наблюдается не только на биохимическом уровне, но и на уровне социальной жизни. Например, планирование деятельности отдельного человека, предприятия, государства, «преждевременные» идеи и открытия, творчество писателей-фантастов - это все проявления важнейшего свойства сложноорганизованных систем - опережающего отражения.
Биологический эволюционизм
Современный эволюционизм – теория, понимающая развитие как периодическую смену этапов медленных постеменных (эволюционных) количественных изменений и быстрых качественных (революционных) скачков.
Ключевое понятие этой теории - эволюция - (лат. evolutio - развертывание) - целенаправленный процесс усложнения системы, связанный с ее переходом на более высокий иерархический уровень. Ее атрибуты - самопроизвольность, необратимость, направленность.
Процессы эволюции организмов были изучены и качественно описаны Ч. Дарвином (1809-1882) и А. Уоллесом (1823-1913). Предтечей к появлению их учения стали:
Классификация биологических видов К.Линнея (1707-1778), положившего в ее основу принцип иерархичности;
Концепция исторического развития органического мира, созданная Ж. Ламарком (1744-1829), согласно которой все виды постоянно изменяются под влиянием внешних условий;
Теория катастроф Ж.Кювье (1769-1832), построенная на основе палеонтологических исследований и объясняющая смену видов как результат катаклизмов и катастроф.
В 1859 году выходит работа Ч.Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора», в которой он изложил теорию эволюции. Изменчивость, наследственность, отбор – три основных фактора эволюции в выдвинутой им теории.
Опираясь на огромный фактический материал и практику селекционной работы, он пришел к выводу, что любой вид стремится к размножению в геометрической прогрессии. Однако число взрослых особей каждого вида остается практически постоянным. Это утверждение обусловлено фактами:
В природе невозможно найти два совершенно идентичных организма; все многообразие природы обусловлено изменчивостью видов, их способностью приобретать новые качества;
Борьба за существование, в результате которой у вида накапливаются полезные признаки, образуются новые признаки и разновидности; она бывает межвидовой, внутривидовой и борьбой с внешними неблагоприятными условиями; но при этом организмы сохраняют наследственные качества и черты, присущие виду;
Происходит естественный отбор; выживают только наиболее сильные, адаптивные и мобильные.
Его теория основывается на следующих принципах.
1. Мир находится в постоянном развитии. Вектор его направлен от простого к более сложному.
2. Усложнение происходит непрерывно и постепенно.
3. Усложнение оставляет возможность существованию разнообразия более простого.
4. Механизмом эволюции служит естественный отбор, основой которого является способность организмов адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды, выжить в условиях конкуренции с другими видами и подняться на более высокую ступень развития.
5. В процессе усложнения накапливаются новые признаки, сохраняются и передаются по наследству.
Однако теория Дарвина не смогла ответить на многие вопросы и подвергалась жесточайшей критике. И лишь в ХХ веке, благодаря развитию генетики, некоторые из них удалось разрешить.
Концепция генетики
Загадку накопления новых признаков и передачи их по наследству удалось частично раскрыть только благодаря современной молекулярной генетике. Становится все более очевидным, что эволюция живого вещества теснейшим образом связана с совершенствованием механизмов регистрации, кодирования и сохранения информации о космических ритмах и цикличности изменения параметров окружающей среды на уровне клеточной (носитель РНК), генетической (носитель ДНК), иммунологической (носитель антитела) и нейрологической (носитель мозг) памяти.
Большие надежды в разрешении проблем, связанных с пониманием самоорганизации живого, возлагаются на возможности расшифровки информации, закодированной в структурах ДНК и РНК. Проблема системы записи наследственной информации в макромолекулах живого впервые была поставлена в книге одного из основоположников квантовой механики Э. Шредингера «Что такое жизнь с точки зрения физики». Но ее решение стало возможным, когда была установилена пространственная структура ДНК. А в 1954г. Г. Гамов поставил и в значительной степени разрешил задачу по расшифровке генетического кода, вслед за которой последовал целый каскад открытий в области генетики и теоретической биологии.
По современным представлениям, эти биополимеры состоят из мономеров, называемых нуклеотидами. В состав РНК входят: рибоза - пятиуглеродный сахар, азотистые основания (аденин, гуанин, цитозин, урацил) и остаток фосфорной кислоты (Н 3 РО 4). Различают информационную (и), транспортную (т) и рибосомную (р) РНК. В структуру ДНК входят азотистые основания (аденин гуанин цитозин тимин - АГЦТ), дезоксирибоза и остатки фосфорной кислоты. Порядок расположения нуклеотидов в молекулах ДНК (генетическая программа) определяет порядок расположения аминокислот в первичных структурах белков. ДНК состоит из двух комплементарных цепей. При этом А соединяется только с Т другой цепи, а Г – с Ц. Молекулы ДНК в соединении с молекулами белков структурируются в хромосомы, которые можно увидеть лишь в момент деления клетки.
Порядок расположения нуклеотидов в молекулах ДНК (генетическая программа) определяет порядок расположения аминокислот в первичных структурах белков. Сегодня мы знаем, что ДНК состоит из двух взаимодополняющих цепочек, в которых каждый нуклеотид одной цепочки с помощью водородных связей может обратимо соединяться с комплементарным ему нуклеотидом противоположной цепочки. Когда клетка делится, цепи расходятся и каждая из них становится матрицей для синтеза новой цепи ДНК. Аналогичное расхождение противоположных цепочек ДНК происходит и в том случае, когда необходимо синтезировать и-РНК - матрицу для последующей сборки из аминокислот какого-либо белка. Каждая и-РНК способна отпечатать в рибосоме синтез сотни и тысячи молекул белка. Ранее считалось, что закодированная информация передается в одном направлении - ДНК®РНК®белок. Но в 70-е годы Темин и Балтимор открыли обратную транскриптазу - некоторые ферменты используют РНК в качестве матрицы для синтеза ДНК.
По современным представлениям в процессе перехода от неживого к живому первичной была РНК. Доказательства:
В структуру многих вирусов входит лишь РНК;
Наделена той же генетической памятью что и ДНК;
Возможен перенос информации от РНК к ДНК;
У геномной РНК аденовирусов открыты способности к процессингу – т.е. «вырезанию» нуклеотидных последовательностей (интронов) и сплайсингу – «сшиванию» оставшихся активных последовательностей в активные экзоны;
Способность РНК к саморедупликации в отсутствии белковых ферментов;
Открытие функций фермента катализирующего вырезание интронов из предшественников и-РНК;
Открытие у РНК автокаталитических функций.
Древняя РНК совмещала в себе черты фенотипа и генотипа.
Однако современный «геном биосферы» основан на ДНК и связано это с тем, что С-Н связи дезоксирибозы ДНК прочнее связей С-ОН рибозы РНК.
Важнейшие функции нуклеиновых кислот - хранение и передача наследственной информации, обеспечение процессов редупликации, транскрипции, трансляции.
Участок ДНК – ген - единица наследственной информации. Совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом образует геном. У высокоорганизованных животных геном содержит сотни тысяч генов. Это своеобразный генетический текст, в котором заключены все свойства организма. Система «записи» наследственной информации нуклеиновых кислот генетический код заключена в виде последовательности нуклеотидов. Единица генетического кода – кодон. Кодон состоит из трех нуклеотидов в молекулах ДНК и РНК. Т.к. ДНК состоит из 4 нуклеотидов, то число коднов будет 4 в третьей степени, т.е 64.
Реализация генетического кода в клетке происходит в 2 этапа:
- транскрипция заключается в синтезе информационной РНК на соответствующих участках ДНК; при этом последовательность нуклеотидов ДНК переписывается в нуклеотидную последовательность и-РНК;
- трансляция протекает в цитоплазме клетки на синтезирующих белок клеточных частицах – рибосомах; при этом последовательность нуклеотидов и-РНК переводится в последовательность аминокислот в синтезирующемся белке.
Свойства генетического кода : триплетность, вырожденность, однозначность, универсальность, отсутствие «знаков препинания» между триплетами.
Молекулы ДНК в соединении с молекулами белков структурируются в хромосомы, каждая из которых имеет специфическую форму и размер. Эти структуры можно увидеть только в момент деления клетки. Каждому биологическому виду соответствует свой набор хромосом, определяемый их количеством и генным составом. Например, в соматических клетках человека 46 хромосом, у шимпанзе - 48, у дрозофилы - всего 8. В хромосомный набор соматической клетки входят две половые хромосомы. У женских особей это две х хромосомы, у мужских - х и у. Рост и развитие организма связаны с делением соматических клеток - митозом и удвоением количества хромосом. При достижении половой зрелости в организме образуются половые клетки - гаметы . Их образование связано со специфическим процессом, который называют мейозом, в результате которого происходит разделение хромосом и в гамете их оказывается в два раза меньше, чем в соматической клетке. В процессе мейоза возможны случайные искажения хромосом (перекресты, разрывы, укорочения или удлинения), что приводит к нарушению генетической программы потомства (т.н. хромосомные мутации). При слиянии гамет и образовании зиготы происходит объединение хромосом в пары ХХ или ХУ. Из зиготы организм развивается благодаря митозу и другим очень сложным процессам, которые изучает морфогенез.
Установлено, что элементарным кирпичиком наследственности является ген - участок ДНК длиной около 1000 пар чередующихся нуклеотидов. ДНК вирусов содержит всего несколько десятков генов, у одноклеточного организма - несколько тысяч. Геном (совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом) высокоорганизованных животных содержит сотни тысяч генов, при этом каждая хромосома включает несколько сотен или тысяч взаимодействующих между собой генов. Совокупность всех генов организма составляет его генетическую конституцию - генотип. Часть генов называют «структурными», они несут ответственность за структурные признаки организма. Есть гены - регуляторы. Они влияют на начало, скорость и сроки окончания синтеза белков, на растормаживание или блокировку синтеза отдельных продуктов или звеньев метаболизма. Есть гены - определители фермента. Под генетическим контролем находится функционирование каждой отдельной клетки и всего организма в целом. Все гены находятся в сложном взаимодействии друг с другом. Очевидно, в основе этого механизма лежат сложные физико-химические, а возможно, и квантовые процессы. Генотип несет все наследственные свойства организма. В результате взаимодействия генотипа с окружающей средой формируются индивидуальные признаки и свойства организма - его фенотип ; говорят, генотип реализуется в фенотип.
Под влиянием факторов окружающей среды (химическое загрязнение, высокая радиация), изменения температуры или кислотности среды возможны изменения в структуре самого гена (генные мутации) или хромосом (хромосомные).
Вероятность появления случайных мутаций мала, но они могут накапливаться из поколения в поколение, при случайном стечении обстоятельств становиться устойчивыми и передаваться по наследству в виде фенотипических признаков.
В процессе самоорганизации живых систем под воздействием факторов окружающей среды идет изменение и усложнение видов вследствие генетических мутаций. В результате межвидовой и внутривидовой конкуренции выживают особи с генотипом, наиболее приспособленным к сложившимся условиям. При этом естественный отбор играет двоякую роль. С одной стороны, предотвращает накопление ошибок (ослабленные особи вымирают), а с другой - допускает усовершенствование организмов. Все происходит по тем же законам, как и при самоорганизации открытых нелинейных диссипативных систем.
Совершенно очевидно, что эволюционный путь развития - это не широкая столбовая дорога, а лабиринт со множеством тупиков. Проигрывая множество вариантов, природа на пути эволюции отсекает нежизнеспособные виды и структуры и в то же время оставляет многие простые, но хорошо приспособленные к внешним условиям виды. Благодаря этому накапливается и сохраняется огромное количество биологических видов, каждый из которых выполняет определенную функцию в биосфере. И исчезновение хотя бы одного из них нарушает сложившиеся пищевые цепи, что неизменно ведет к вымиранию других. И в то же время неуправляемое размножение некоторых видов и выход их за пределы своей экологической ниши чреваты разрушительными последствиями, ибо ущемляют полноценную жизнь других видов. За миллионы лет эволюции в биосфере выработались механизмы саморегуляции. Однако активное вмешательство человека в природные процессы неизбежно ведет к их нарушению и снижению биоразнообразия.
Современная теория эволюции
Cовременная теория эволюции носит синтетический характер и представляет сплав идей Дарвина, результатов молекулярной биологии и принципов синергетики. Ее основы начали закладываться в рамках хромосомной теории наследственности американского биолога Т. Моргана (1866-1945), популяционной генетики, разработанной в трудах крупнейших российских ученых С.С. Четверикова (1880-1959), Н.В. Тимофеева-Ресовского (1900-1981), Н.П. Дубинина (1906-1998), в работах Н.И. Вавилова (1887-1943) по гомологичеким рядам и других. Однако и синтетическая теория не является окончательной. В теории эволюции живой материи есть еще много темных пятен и загадок, раскрыть которые современной науке пока не удалось.
Структурно синтетическая теория эволюции состоит из теорий:
- микроэволюции , которая изучает необратимые преобразования генетико-экологической структуры популяции, изменения, которые происходят за короткий период и доступны непосредственному наблюдению;
- макроэволюции, которая изучает происхождение надвидовых таксонов (семейств отрядов классов), изменения, которые происходят на протяжении длительного исторического периода и могут быть только реконструированы.
Элементарной единицей эволюции (эволюционной структурой) считается популяция. Ее элементарный наследственный материал - генофонд (совокупность всех генов входящих в нее организмов).
К основным факторам эволюции, выдвинутых Дарвином добавляются:
Мутационные процессы;
Популяционные волны численности;
Изоляция.
Элементарным проявлением эволюции является устойчивое изменение генотипа популяции (совокупности генов локализованных в хромосомах).
С точки зрения генетики дарвиновская триада эволюции получает следующий вид:
· Наследственность
Признаки и свойства организма, передающиеся по наследству фиксируются в генах. Совокупность всех признаков организма – фенотип . Совокупность всех генов организма – генотип . Фенотип представляет собой результат взаимодействия генотипа с окружающей средой.
· Изменчивость
Элементарное явление эволюции – изменение генофонда популяции вследствии способности хромосом или генов к перестройке и изменению, связанным с изменением факторов окружающей среды.
Различают:
Наследственную или генотипическую изменчивость;
Ненаследственную или модификационную.
· Естественный отбор
Выделяют:
- движущий – при котором в результате мутаций или перекомбинаций генов возникают новые генотипы; в этом случае может возникнуть новый вектор отбора и генофонд популяции изменяется как единое целое;
- стабилизирующий – роль которого сводится к тому что в конкретных условиях на основе разных генотипов в популяции становится преобладающим фенотип оптимальный для этих условий;
- дизруптивный – ответственный за появление внутри популяции отчетливо различающихся форм.
Факторами видообразования являются мутации, дрейф генов, различные формы изоляции, дивергенция (лат. divergentia - расхождение).
Формирование биосферы
Этот процесс рассматривают как последовательную смену трех этапов:
Восстановительный этап начался в космических условиях и завершился появлением гетеротрофов. Это были анаэробы и прокариоты. Все биохимические процессы были основаны на брожении.
Слабоокислительный. Гетеротрофная биосфера просуществовала недолго. Ей на смену пришла автотрофная, основанная на фотосинтезе и производстве кислорода (О), губительного для гетеротрофов.
Окислительный. Он наступил после перехода через «точку Пастера» (когда увеличивается концентрация О, а кислородное дыхание становится более эффективным способом использования солнечной энергии), По некоторым оценкам он наступил около 3,5 млрд. лет назад.
Первые примитивные одноклеточные организмы, по всей вероятности, были гетеротрофами (греч heteros - другой, trophe - пища; организмы, которые используют для своего питания готовые вещества), так как только они могли воспользоваться имевшимися в морском бульоне готовыми запасами вещества и энергии. Это были анаэробы – организмы, способные жить в отсутствии кислорода.
Автотрофы (греч. autos - сам, организмы, синтезирующие органические вещества, необходимые для обеспечения своей жизнедеятельности)появились значительно позднее, когда природой были отработаны механизмы хемо- и фотосинтеза. С момента возникновения живых организмов, способных к фотосинтезу, геохимическая и биологическая эволюции стали неотделимы друг от друга. Жизнедеятельность живого вещества стала оказывать формирующее влияние на геохимический состав поверхности Земли, гидросферы и атмосферы. С обогащением атмосферы кислородом появляются аэробы - организмы, которые могут существовать только при наличии достаточного количества кислорода.
Появляются прокариоты – организмы, не имеющие оформленного ядра (вирусы, бактерии, сине-зеленые водоросли), а затем и эукариоты – высшие организмы, клетки которых имеют оформленное ядро.
Однако возможности одноклеточной структуры весьма ограничены в плане энергетики, устойчивости и оптимальности. Возникают ассоциации клеток, отрабатываются механизмы их согласованного взаимодействия, разделяются функции, происходит специализацияотдельных клеток, появляются прообразыорганных систем. Многоклеточные структуры лучше, чем одноклеточные, защищены от внешних воздействий и более надежны, благодаря возможности дублировать функции.
Но вся жизнь была сосредоточена в водной среде. Около 400 млн. лет назад, когда концентрация кислорода достигла 2-3% и возник озоновый экран, жизнь вышла на сушу. Первыми ее начали осваивать растения. Около 300 млн лет назад был достигнут современный уровень содержания кислорода в атмосфере. Появляются папоротники хвощи а позднее хвойные леса и цветковые растения. Это создало предпосылки для выхода животных на сушу.
В результате жизнедеятельности организмов образовалась примитивная биосферы, которая стала:
Обеспечивать круговорот биогенных элементов;
Регулировать газовый состав атмосферы;
Обеспечивать вертикальный и горизонтальный перенос веществ;
Обеспечивать почвообразование;
Выполнять геологическую функцию.
Проблема возникновения жизни на Земле и возможность существования ее внеземных форм является фундаментальной не только для биологии, но и для естествознания в целом. Среди основных гипотез, пытающихся объяснить возникновение жизни, наиболее известны следующие:
креационизм - жизнь была создана сверхъестественным существом в определенное время;
происхождение жизни из неживой природы - жизнь возникала самопроизвольно из неживого вещества;
панспермия - жизнь занесена на нашу планету извне;
биохимическая эволюция - жизнь возникла в ходе закономерного, самоусложняющегося развития природы в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам.
Креационизм. Согласно креационизму жизнь возникла в результате какого-то сверхъестественного события в прошлом. Эта концепция признает неизменность видов живых существ, е е придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религиозных учений.
Происхождение жизни из неживой природы. Эта гипотеза была распространена в Древнем Китае, Вавилоне и Египте в качестве альтернативы креационизму. Согласно гипотезе жизнь возникла спонтанно из неживого вещества под воздействием некоего «активного начала». Приверженцами гипотезы о самопроизвольном зарождении живых организмов из неживой природы были Аристотель, Галилей, Декарт, Гегель, Ламарк.
Панспермия (от греч. pan - все и sperma - семя). В XIX веке была выдвинута гипотеза вечного, повсеместного существования жизни в Космосе в виде «зародышей жизни», и ее космического происхождения на Земле. Эта гипотеза, как и гипотеза о самозарождении жизни, не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, поэтому ее нельзя считать теорией возникновения жизни как таковой. Гипотеза панспермии утверждает, что жизнь могла возникнуть один или несколько раз в разное время и в разных частях Вселенной. Для обоснования этой гипотезы используется информация о многократных появлениях НЛО, наскальные изображения объектов, похожих на ракеты и «космонавтов», а также сообщения о встречах с инопланетянами. В начале XX века идею панспермии развивал русский ученый В.И.Вернадский.
Биохимическая эволюция. В современной науке принята гипотеза абиогенного (небиологического) происхождения жизни в результате процессов абиогенеза. Абиогенез - длительный процесс космической, геологической и химической эволюции. Основоположниками этой гипотезы являются русский ученый А. И. Опарин и английский естествоиспытатель Дж. Холдейн.
Согласно абиогенезу нужны четыре основных условия для появления живого из неживого:
Наличие определенных химических веществ,
Наличие источника энергии,
Отсутствие газообразного кислорода,
Длительное время.
Выделяют три основных этапа абиогенеза.
Первый этап связан с химической эволюцией . После возникновения (5 млрд. лет назад) Земля представляла собой раскаленный шар. Температура поверхности в начальный период была 4000-8000°С, и по мере остывания тяжелые химические элементы перемещались к центру Земли, а легкие скапливались на поверхности. Углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались и впоследствии стали основой земной коры. Химические элементы взаимодействовали друг с другом и образовали молекулы неорганических веществ (воды, азота, углекислого газа, аммиака, метана, сероводорода). По мере остывания происходила конденсация водяных паров, что привело к формированию водоемов, в которых растворялись различные неорганические соединения.
Второй этап возникновения жизни связан с появлением белковых веществ (биополимеров) . Земная жизнь имеет углеродную основу (см. химию). А. И. Опарин в своей работе «Происхождение жизни» (1924 г) высказал мнение, что органические вещества - основа жизни - могли возникнуть из более простых углеродных соединений при их концентрации в первичном океане. Подобную идею в 1927 году предложил английский естествоиспытатель Дж. Холдейн. Источником энергии для реакции синтеза органических веществ были солнечная радиация и тепло Земли. Излучение беспрепятственно проникало на Землю, поскольку озонового слоя в первичной атмосфере еще не было. В первичной атмосфере не было и кислорода. Кислород, будучи сильным окислителем, моментально разрушил бы органические соединения, поэтому его отсутствие облегчало синтез биополимеров.
В 1953 г. Стэнли Миллер (США) предпринял попытку экспериментальной проверки гипотезы Опарина–Холдейна. В установке он смоделировал условия, предположительно существовавшие на ранней Земле. Смесь газов (водяные пары, метан, аммиак и водород) в течение недели подвергали воздействию электрических разрядов высокого напряжения, после чего в «ловушке» было обнаружено 15 аминокислот. Позднее в подобных экспериментах были синтезированы простые нуклеиновые кислоты.
Органические вещества, накапливаясь в океане, образовали «первичный бульон», затем они стали объединяться в студнеобразные сгустки - коацерваты (от лат. coacervus - сгусток). За счет физико-химических процессов, происходивших в «первичном бульоне», коацерватные капли увеличивались в размерах, получили способность делиться на части, поглощать вещества из окружающей среды, т.е. приобрели признаки роста, размножения и обмена веществ. Однако коацерваты не были способны к самовоспроизводству и саморегуляции.
Третий этап возникновения жизни связан с формированием у органических соединений способности к самовоспроизводству . Началом жизни следует считать возникновение стабильной самовоспроизводящейся органической системы с постоянной последовательностью нуклеотидов. Поглощение коацерватами металлов привело к образованию ферментов, ускоряющих биохимические процессы, а появление границ между коацерватами и окружающей средой (полупроницаемых мембран) обеспечило стабильность коацерватов.
Возникновение жизни объясняется взаимодействием нуклеиновых кислот (ДНК) и белков. В результате включения их в коацерват могла возникнуть примитивная клетка, способная к росту и размножению. Нуклеиновые кислоты являются носителями генетической информации, а белки служат катализаторами химических реакций, протекающих внутри коацервата. Таким образом, сложная открытая органическая система приобрела основные признаки живого – способность к самоорганизации, саморегуляции и самовоспроизводству, и стала прообразом единицы живого - клетки.
Биологическая эволюция . Биологическая эволюция начинается с возникновения клеточной организации и идет по пути совершенствования строения и функций клетки, образования многоклеточных организмов, разделения живого на царства растений, животных, грибов с последующей их дифференциацией на виды.
Жизнь на Земле возникла 3,5 млрд. лет назад. В это время появились первые живые клетки – прокариоты. Прокариоты – это безъядерные клетки. Они представлены бактериями и сине-зелеными водорослями. Прокариоты могли жить без кислорода и в качестве питательных веществ использовали вещества «первичного бульона». «Первичный бульон» истощался, и в процессе эволюции преимущества получали те клетки, которые могли использовать солнечный свет для самостоятельного синтеза необходимых веществ (фотосинтез). Так появились автотрофы, а в первичную атмосферу стал поступать кислород.
1,5 - 2 млрд. лет назад появляются эукариоты – организмы, клетки которых содержат ядро. Примерно 1 млрд. лет назад произошло разделение эукариотов на растительные и животные клетки.
Следующим существенным шагом в биологической эволюции стало появление 900 млн. лет назад полового размножения . Половое размножение значительно повышает видовое разнообразие, приспособляемость и способствует ускорению эволюции.
Появление первых многоклеточных организмов произошло примерно 800 млн. лет назад. У них развиваются органы и ткани, происходит дифференциация их функций.
500 – 440 млн. лет назад появляются первые плотоядные и позвоночные, а примерно 410 млн. лет назад живые организмы выходят на сушу.
Важным моментом биологической эволюции является появление и развитие нервной системы и мозга, что позволило организмам увеличить разнообразие реакций на воздействие окружающей среды.
В условиях похолодания в начале кайнозоя значительное эволюционное преимущество получили теплокровные животные.
Примерно 8 млн. лет назад начали формироваться современные семейства млекопитающих. В этот период появились разнообразные виды приматов и тем самым сложились предпосылки для начала антропогенеза. Антропогенез - часть биологической эволюции, которая привела к появлению вида Homo sapiens.
2 – 3 млн. лет назад началось очередное вымирание лесов. Одна из групп антропоидных обезьян постепенно стала осваивать открытые пространства. Предположительно от этих обезьян произошли люди.
Сейчас жизнь на земле представлена клеточными и доклеточными формами. Доклеточные организмы - это вирусы и фаги, клеточные разделяют на четыре царства: микроорганизмы, грибы, растения и животные.
