Биология – наука о происхождении и развитии живого, его строении, формах организации и способах активности. Современная биология представляет собой динамичное знание, меняющееся буквально на глазах. Лавинообразное накопление новых экспериментальных данных подчас опережает возможности его теоретической интерпретации и объяснения. Стремительно растет число междисциплинарных исследований на стыке биологии и химии, биологии и физики, биологии и антропологии и т. п. Это в свою очередь требует использования методов и средств, которые прежде были совершенно чужды биологии. Насчитывается уже более 50 наук внутри комплекса биологического знания, среди них: ботаника и зоология, генетика и молекулярная биология, анатомия и морфология, цитология и биогео-ценология, биофизика и биохимия, палеонтология и эмбриология, эволюционная биология и экология и т. п. Такое многообразие научных дисциплин объясняется сложностью объекта исследования – живой материи.

Биология возникла и долгое время развивалась как описательная наука, осуществлявшая анализ и классификацию огромного эмпирического материала (2.5). Перед современной биологией по-прежнему стоит задача классификации всего многообразия живых организмов. Считается, что до сих пор описано только две трети существующих видов, а это 1,2 млн животных, 500 тыс. растений, сотни тысяч грибов, около 3 тыс. бактерий и т. п. Тем не менее в современной биологии произошли существенные методологические изменения. В XX в. биологическое знание приобрело объяснительный характер. Современная биология использует генетический и системно-структурный подходы. В рамках первого рассматриваются вопросы происхождения и эволюции живой материи, причины, механизмы и особенности биогенеза. В рамках второго изучаются различные уровни организации живого, принципы их функционирования, особенности взаимосвязей и т. д.

Особенностью современного этапа развития биологического знания является его тесная связь не только с другими науками естественно-научного комплекса, но и с гуманитарным и социальным познанием. Ценностная составляющая биологического знания по мере развития этой научной дисциплины только увеличивается. Успехи биофизики и биохимии, молекулярной биологии и генетики позволяют говорить о прорыве в наших знаниях о сущности живого. Однако, все ближе подходя к разгадке тайны жизни, человечество сталкивается с множеством мировоззренческих проблем, решение которых необходимо, в том числе и в целях самосохранения и выживания. В связи с этим некоторые данные современной биологии требуют философского осмысления и интерпретации. Вместе с тем биология оказывается тесно связанной с практическими нуждами, более того, огромное число теоретических проблем возникает именно для решения конкретных практических задач: медицинских, экологических, экономических, политических и т. п. Все эти изменения свидетельствуют: в середине XX в. в биологии произошла научная революция, по масштабам сравнимая с революцией в физике и астрономии.

Современная биология утверждает единство живой материи на всех уровнях, представляя мир живого как огромную систему систем, в которой каждый компонент обладает собственными специфическими свойствами и соединяется с другими особым типом связей. Развитие знаний приводит к постепенной трансформации представлений о сущности жизни, единстве космической и биологической эволюции, взаимодействии биологического и социального в человеке и т. п. Новые биологические данные изменяют ту картину мира, которая на протяжении длительного времени формировалась физикой. Открытия в биологии определяют дальнейшее развитие всего естествознания. Именно поэтому современная научная картина мира невозможна без биологических знаний. Более того, биология становится тем основанием, на котором формируются новые мировоззренческие принципы, определяющие самопонимание человека XXI в. (7.3).

5.2. Современные представления о происхождении жизни

Возникновение и эволюция биологических систем – исходная тема биологии. Вокруг нее концентрируются все другие частнонаучные проблемы и вопросы, а также строятся философские обобщения и выводы.

В соответствии с двумя основными мировоззренческими позициями – материалистической и идеалистической – еще в древней философии сложились противоположные концепции происхождения жизни: креационизм и материалистическая теория происхождения органической природы из неорганической. Сторонники креационизма утверждают, что жизнь возникла в результате акта божественного творения, свидетельством чего является наличие в живых организмах особой силы, которая управляет всеми биологическими процессами. Сторонники концепции происхождения жизни из неживой природы утверждают, что органическая природа возникла благодаря действию естественных законов. Позже эта позиция была конкретизирована в идее самозарождения жизни. Концепция самозарождения, несмотря на ошибочность, сыграла позитивную роль, опыты, призванные подтвердить ее, предоставили богатый эмпирический материал для развивающейся биологической науки. Окончательный отказ от идеи самозарождения произошел только в XIX в.

В XIX в. была также выдвинута гипотеза вечного существования жизни и ее космического происхождения на Земле. В 1865 г. немецкий врач Г. Рихтер высказал предположение, что жизнь существует в космосе и переносится с одной планеты на другую. В 1907 г. шведский ученый С. Аррени-ус выдвинул схожую гипотезу, согласно которой зародыши жизни вечно существуют во Вселенной, движутся в космическом пространстве под влиянием световых лучей и, оседая на поверхности планеты, дают начало жизни. Эта гипотеза получила название панспермии. В начале XX в. идею космического происхождения биологических систем на Земле и вечности существования жизни в космосе развивал русский ученый В.И. Вернадский.

В современной науке принята гипотеза абиогенного (небиологического) происхождения жизни под действием естественных причин в результате длительного процесса космической, геологической и химической эволюции – абиогенез. Абиогенная концепция не исключает возможности существования жизни в космосе и ее космического происхождения на Земле. Понятно, что воспроизвести процессы, происходившие в момент зарождения жизни, невозможно, поэтому любые заключения по этому вопросу и любые интерпретации этой темы основаны на методе моделирования (1.5).

Первый этап возникновения живого связан с химической эволюцией. После возникновения Земля представляла собой раскаленный шар. Постепенное остывание планеты способствовало тому, что тяжелые химические элементы перемещались к ее центру, а легкие постепенно скапливались на поверхности. Легкие элементы – кислород, углерод, азот и водород – стали взаимодействовать друг с другом, и в ходе дальнейшей химической эволюции появились различные органические соединения. Земная жизнь имеет углеродную основу, чему способствуют особые физические свойства этого химического элемента. Так, углерод способен создавать самые разнообразные структуры, число возможных органических соединений на основе углерода составляет десятки миллионов. Соединения углерода активны при невысокой температуре, даже при небольшой перестройке молекул их химическая активность может существенно меняться. Соединения углерода с водородом, азотом, кислородом, серой, железом и т. п. обладают высокими каталитическими свойствами. Кроме того, многие углеродные соединения хорошо растворяются в воде. Тем не менее ученые не исключают возможности возникновения жизни и на иной, например, кремниевой основе.

По мере остывания земной поверхности происходило сгущение водяных паров, что впоследствии привело к образованию огромных водоемов. Результатом активной вулканической деятельности на первых этапах эволюции нашей планеты стал выброс на ее поверхность различных карбидов – соединений углерода с металлами. Карбиды смывались в первичный океан, где вступали во взаимодействие с водой. В результате этих химических реакций образовались различные углеводородные соединения.

Второй этап возникновения живого связан с появлением белковыгх веществ. Присутствие в водах первичного океана большого числа углеродных соединений привело к возникновению концентрированного «органического бульона», в котором осуществлялся дальнейший процесс синтеза сложных органических молекул – белков и нуклеиновых кислот – из достаточно простых углеродных соединений.

Одним из условий для синтеза сложных органических молекул – биополимеров – является высокая концентрация исходных веществ. Предполагается, что необходимые условия сложились в результате осаждения простых органических молекул на минеральных частицах, например на глине, первичных водоемов. Кроме того, органические молекулы могли образовывать тонкую пленку на поверхности воды, которая под воздействием ветра и водных потоков сбивалась к берегу, образуя толстые слои.

Еще одним условием для синтеза биополимеров является наличие бескислородной среды, поскольку кислород, будучи сильным окислителем, моментально разрушил бы исходные органические соединения. Американский ученый Г. Юри выдвинул предположение, что первичная атмосфера Земли действительно была бескислородной и носила восстановительный характер. Она была насыщена инертными газами – гелием, неоном, аргоном, содержала водород, метан, аммиак и азот. Именно в такой среде легко создаются органические соединения. Вторичная атмосфера Земли имела уже иной состав, который стал следствием развития жизни. Вторичная атмосфера на 20 % состояла из кислорода и носила окислительный характер. Для подобного преобразования земной атмосферы понадобилось не менее 1 млрд лет. Идея Г. Юри оказала значительное влияние на развитие представлений о происхождении жизни.

Возможность абиогенного синтеза биополимеров – белковых молекул и азотистых оснований – была экспериментально доказана в середине XX в. В 1953 г. американский ученый С. Миллер смоделировал первичную атмосферу Земли и синтезировал жирные кислоты, уксусную и муравьиную кислоты, мочевину и аминокислоты путем пропускания электрических зарядов через смесь инертных газов. Таким образом было продемонстрировано, как под действием абиогенных факторов возможен синтез сложных органических соединений.

Итак, под воздействием высокой температуры, ионизирующего и ультрафиолетового излучения, атмосферного электричества из простейших органических соединений образовались белки, жиры, углеводы и аминокислоты. Согласно гипотезе русского ученого А.И. Опарина, которая была изложена в работе «Происхождение жизни» (1924), смешиваясь в первичном «бульоне», поначалу разрозненные органические соединения способны образовывать коацерватные капли. Коацерваты уже обладают рядом свойств, которые объединяют их с простейшими живыми существами. Так, например, коацерваты способны поглощать вещества из окружающей среды, вступать во взаимодействия друг с другом, увеличиваться в размерах и т. п. Однако в отличие от живых существ коацерватные капли не способны к самовоспроизводству и саморегуляции, поэтому их нельзя отнести к биологическим системам. Эксперименты с коацерватами показали, что скорость, с которой они поглощают вещества из окружающей среды, может быть различна и зависит от химической организации и пространственной структуры каждой конкретной капли. Поэтому две разновидности коацерва-тов в одном и том же растворе будут вести себя по-разному. Данные эксперименты являются косвенным подтверждением того обстоятельства, что на этой стадии предбиологичес-кой эволюции вполне мог происходить отбор коацерватов в зависимости от характера их взаимодействия с окружающей средой.

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. Только после возникновения таких систем можно говорить о начале биологической эволюции. Одну из версий перехода от предбиологической к биологической эволюции предлагает немецкий ученый М. Эйген. Согласно его гипотезе возникновение жизни объясняется взаимодействием нуклеиновых кислот и протеинов. Нуклеиновые кислоты являются носителями генетической информации, а протеины служат катализаторами химических реакций. Нуклеиновые кислоты воспроизводят себя и передают информацию протеинам. Возникает замкнутая цепь – гиперцикл, в котором процессы химических реакций самоускоряются за счет присутствия катализаторов. В гиперциклах продукт реакции одновременно выступает и катализатором, и исходным реагентом. Подобные реакции называются автокаталитическими.

Другой теорией, в рамках которой можно объяснить переход от предбиологической эволюции к биологической, является синергетика (8.2). Закономерности, открытые синергетикой, позволяют прояснить механизмы возникновения органической материи из неорганической в терминах самоорганизации через спонтанное возникновение новых структур в ходе взаимодействия открытой системы с окружающей средой.

5.3. Основные этапы эволюции органического мира

Изучением основных этапов эволюции живого занимается палеонтология – наука об ископаемых организмах. Поскольку биологической эволюции предшествовала длительная предбиологическая эволюция, отдельные этапы биогенеза современная наука увязывает с геогенезом. В геологической истории Земли выделяют различные эры, в которые происходили значительные геологические преобразования, перераспределялись суша и море, менялся климат и т. п. Кроме того, после возникновения жизни каждая эра характеризовалась своеобразием растительного и животного мира.

Геологические эры:

Катархей (5 млрд – 3,5 млрд лет назад);

Архей (3,5 млрд – 2,6 млрд лет назад);

Протерозой (2,6 млрд – 570 млн лет назад);

Палеозой (570 млн – 230 млн лет назад);

Мезозой (230 млн – 67 млн лет назад);

Кайнозой (67 млн лет назад – до настоящего времени).

Возраст Земли – около 5 млрд лет. Жизнь на нашей планете возникла в архее, примерно 3,5 млрд лет назад. В это время появляются первые живые клетки – прокариотыг. Прокариоты – это простые организмы, способные к быстрому размножению, легко приспосабливающиеся к изменяющимся условиям окружающей среды. Характерное свойство прокариотов – отсутствие выраженного ядра. Эти организмы были анаэробными, т. е. могли жить без кислорода (напомним, что первичная атмосфера Земли состояла из смеси гелия, неона, аргона, водорода, метана и азота). Эти организмы были гетеротрофами, т. е. все необходимые для жизни вещества получали в готовом виде из окружающей среды. Однако истощение первичного «органического бульона» потребовало радикального изменения способов питания. На этом этапе биогенеза преимущество имели те организмы, которые могли получить большую часть необходимой для жизни энергии за счет солнечного излучения. Световая энергия ускоряла химические реакции, в ходе которых синтезировались необходимые для жизни вещества. Процесс выработки необходимых веществ с помощью поглощения солнечной энергии называется фотосинтезом. Таким образом, на смену гетеротрофам пришли автотрофыг – живые организм^! которые существуют за счет солнечной энергии и вырабатывают необходимые для жизни вещества самостоятельно. Первыми автотрофами б^1 ли цианеи, затем зеленые водоросли. Фотосинтез сыграл существенную роль в биогенезе, способствовал общему ускорению эволюции органической материи. На этом этапе преимущество получили аэробные организмы, которые способны к жизни только в присутствии кислорода.

Появление автотрофных организмов серьезно повлияло на состав земной атмосферы. Дело в том, что в процессе своей жизнедеятельности автотрофные организмы выделяют большое количество кислорода и благодаря этому первичная атмосфера Земли постепенно преобразовалась во вторичную, сформировался озоновый слой, защищающий живые организмы от смертоносного действия ультрафиолетовых лучей, изменился состав воды в водоемах и т. п. Таким образом, биогенез оказал существенное влияние на эволюцию нашей планеты и гармонично «встроился» в гео-генез, став его продолжением и развитием. Считается, что нынешнее содержание кислорода в атмосфере (21 %), б^1 ло достигнуто в палеозое, 250 млн лет назад, однако этот процесс начался уже в архее.

В протерозое (1,8 млрд лет назад) появляются эукарио-тыг – живые организмы, клетки которых содержат выраженное ядро. Эукариоты более соответствовали новым условиям. В отличие от прокариотов ДНК эукариотов собрана в хромосомы и способна воспроизводиться без значительных изменений. Существуют две основные гипотезы происхождения эукариотов: аутогенная и симбиотическая. Согласно аутогенной гипотезе эукариоты возникли путем усложнения слабоструктурированных клеток, подобных прокариотам. Сторонники симбиотической гипотезы считают, что эукариоты появились как результат симбиоза нескольких прокариотных клеток, геномы которых объединились в новую целостность.

Следующим существенным шагом в биологической эволюции стало появление 900 млн лет назад полового размножения. Механизм полового размножения заключается в слиянии и последующем распределении генетического материала двух организмов. Половое размножение значительно повышает видовое разнообразие, что, с одной стороны, позволяет живым организмам лучше приспособиться к условиям окружающей среды, а с другой – значительно ускоряет эволюционный процесс.

Появление первых многоклеточных организмов произошло примерно 800 млн лет назад. Многоклеточный организм обладает развитыми органами и тканями, т. е. более дифференцирован по сравнению с одноклеточным. Первыми многоклеточными были губки, членистоногие и кишечнополостные.

В палеозое, 500 млн – 440 млн лет назад появляются первые крупные (10–11 м) плотоядные животные и первые небольшие по размерам (около 10 см) позвоночные. Примерно 410 млн лет назад живые организмы начинают завоевывать сушу. Наземные растения получили значительные преимущества перед водными, поскольку процессы фотосинтеза на суше протекают интенсивнее, чем в воде. Первые наземные растения – псилофиты – занимали промежуточное положение между наземными сосудистыми растениями и водорослями. Вслед за растениями на сушу перебрались и животные. Первые наземные животные напоминали современных скорпионов, они были двоякодышащими, т. е. приспособленными к дыханию и в воде, и на суше. От двоякодышащих существ впоследствии произошли сначала земноводные, а затем и сухопутные позвоночные животные. Первыми полностью приспособленными для жизни на суше животными организмами стали древние рептилии, которые по виду напоминали современных ящериц. Примерно в этот же период возникли и насекомые. Около 300 млн лет назад насекомые начинают летать и затем на протяжении почти 100 млн лет господствовали в воздухе.

В мезозое (230 млн – 67 млн лет назад) происходит дальнейшая эволюция животного и растительного мира. Постепенно у наземных растений формируется компактное тело, происходит его дифференциация на корень, стебель, листья, совершенствуются покровные ткани, развивается проводящая система, обеспечивающая растения водой и питательными веществами, изменяются способы размножения. Для целей размножения на суше больше подходят споры и семена, поэтому эволюционное преимущество получили те растения, которые размножались именно таким способом. Дальнейшая эволюция растительного мира связана с совершенствованием семян.

Животное царство также развивается. В начале мезозоя рептилии полностью завоевали сушу, поэтому мезозойскую эру часто называют эрой пресмыкающихся. Древние рептилии постепенно осваивают все новые и новые места обитания, и все более удаляются от воды. Постепенно в ходе эволюции возникали плавающие, летающие и передвигающиеся по суше, хищные и растительноядные рептилии. 195 млн – 137 млн лет назад от древних летающих пресмыкающихся произошли первые птицы, которые сочетали в себе признаки птиц и рептилий. 230 млн – 195 млн лет назад появились первые млекопитающие.

Кайнозой (67 млн лет назад – настоящее время) – время господства млекопитающих, птиц, насекомых и цветковых растений. В конце мезозойской эры произошло сильное похолодание, которое привело к гибели значительного числа видов растений и общему сокращению пространств, занятых растительностью. В этих условиях эволюционное преимущество получили покрытосеменные растения, у которых процесс размножения не только не зависит от наличия водной среды, но и возможен в новых климатических условиях. Покрытосеменные – цветковые – растения и сейчас составляют большую часть царства растений. Безусловно, в течение 67 млн лет кайнозойской эры не раз происходили изменения растительного царства, но цветковые растения по-прежнему сохраняют господство.

Похолодание в конце мезозойской эры и гибель многочисленных видов растений привели к вымиранию сначала растительноядных, а затем и питавшихся ими хищных динозавров. В условиях похолодания значительное эволюционное преимущество получили теплокровные животные – млекопитающие и птицы. На протяжении миллионов лет происходит появление новых видов живых существ, которые распространяются по поверхности Земли, занимая сушу, воздух и водную среду. Примерно 8 млн лет назад начали формироваться современные семейства млекопитающих. В этот же период появились разнообразные виды приматов и тем самым сложились предпосылки для начала антропогенеза. 2–3 млн лет назад началось очередное вымирание лесов. Одна из групп антропоидных обезьян постепенно стала осваивать новые огромные открытые пространства. Предположительно именно от этих обезьян произошли люди (6.3).

Сейчас жизнь на Земле представлена клеточными и до-клеточными организмами. Доклеточные живые организмы – вирусы и фаги. Клеточные организмы традиционно разделяют на четыре царства: микроорганизмы, грибы, растения и животные. Основными группами органической природы считаются растения и животные. В настоящее время царство растений представлено более чем 500 тыс. видов, царство животных – более 1,2 млн видов.

5.4. Сущность и основные признаки живых систем

В классической биологии соперничали две противоположные позиции, объяснявшие сущность живого принципиально различным образом, – редукционизм и витализм. Сторонники редукционизма считали, что все процессы жизнедеятельности организмов можно свести к совокупности определенных химических реакций. Термин «редукционизм» происходит от латинского слова reductio – отодвигать назад, возвращать. Идеи биологического редукционизма опирались на представления вульгарного механистического материализма, получившего наибольшее распространение в философии XVII–XVIII вв. Механистический материализм все процессы, происходящие в природе, объяснял с помощью законов классической механики. Адаптация механистической материалистической позиции к биологическому познанию привела к формированию биологического редукционизма. С точки зрения современного естествознания, редукционистское объяснение не может быть признано удовлетворительным, поскольку выхолащивает саму сущность живого. Тем не менее в биологии XVIII в. редукционизм получил широкое распространение.

Противоположностью редукционизма является витализм, сторонники которого объясняют специфику живых организмов присутствием в них особой жизненной силы. Термин «витализм» происходит от латинского слова vita – жизнь. Философской базой витализма является идеализм. Сторонники витализма использовали ограниченность редукционистской парадигмы как аргумент в пользу собственной правоты. Однако витализм не прояснял специфики и механизмов функционирования живого, сводя все отличия органического от неорганического к действию таинственной и непознаваемой «жизненной силы». Несмотря на то что витализм не объяснял сущности живого, в классической биологии было немало сторонников этой позиции.

Современная биология основными свойствами живого считает самостоятельный обмен веществ, раздражимость, подвижность, рост, способность к размножению и приспособляемость к среде. По совокупности этих свойств живое отличается от неживого. Биологические системыг – это целостные открытые системы, постоянно обменивающиеся с окружающей средой веществом, энергией и информацией и способные к самоорганизации. Живые системы активно реагируют на изменения окружающей среды, приспосабливаясь к новым условиям. Биологические системы способны к самовоспроизводству, а следовательно, к сохранению и передаче генетической информации последующим поколениям. Отдельные качества живого могут быть присущи и неорганическим системам, однако ни одна неорганическая система не обладает всей совокупностью перечисленных выше свойств.

Существуют переходные формы, которые объединяют в себе свойства живого и неживого, например вирусы. Слово «вирус» образовано от латинского virus – яд. Вирусы были открыты в 1892 г. русским ученым Д. Ивановским. С одной стороны, они состоят из белков и нуклеиновых кислот и способны к самовоспроизводству, т. е. имеют признаки живых организмов, но с другой стороны, вне чужого организма или клетки они не проявляют признаков живого – не имеют собственного обмена веществ, не реагируют на раздражители, не способны к росту и размножению. По своей структуре вирусы очень похожи на гены, исследования современной молекулярной биологии подтвердили это обстоятельство. В связи с этим даже обсуждается вопрос об эволюционной роли вирусов, которые иногда называют «взбесившимися генами» (5.6).

Все живые существа на Земле имеют одинаковый биохимический состав: 20 аминокислот, 5 азотистых оснований, глюкоза, жиры. Следует отметить, что современной органической химии известно более чем 100 аминокислот. По-видимому, такое небольшое число соединений, образующих все живое, является результатом отбора, который проходил на этапе предбиологической эволюции. Белки, из которых состоят живые системы, представляют собой высокомолекулярные органические соединения. В каждом конкретном белке порядок аминокислот всегда один и тот же.

Большинство белков выступает в качестве ферментов – катализаторов химических реакций, происходящих в живых системах.

5.5. Уровни организации живой природы

Жизнь на Земле представляет собой целостную систему, состоящую из различных уровней. Выделяют четыре основных уровня организации живой материи:

Молекулярно-генетический;

Онтогенетический;

Популяционно-видовой;

Биогеоценотический.

Единицей молекулярно-генетического уровня выступает ген – структурный элемент молекулы дНк, несущий наследственную информацию, передаваемую от поколения к поколению, а элементарным явлением – воспроизводство генетических кодов по принципу матрицы (5.6).

Единицей онтогенетического уровня организации живого выступает отдельная особь, а элементарным явлением – онтогенез. Биологическая особь может быть как одноклеточным, так и многоклеточным организмом, однако в любом случае она представляет собой целостную, самовоспроизводящуюся систему. Онтогенез – процесс индивидуального развития организма от рождения через последовательные морфологические, физиологические и биохимические изменения до смерти, процесс реализации наследственной информации. Термин «онтогенез» был введен в науку немецким биологом Э. Геккелем, который сформулировал закон о повторении в онтогенезе – индивидуальном развитии организма – основных этапов филогенеза – развития вида, к которому принадлежит данный организм. «Онтогения, – писал Э. Геккель, – является краткой и быстрой рекапитуляцией филогении, обусловленной физиологическими функциями наследственности (размножения) и приспособления (питания). Органический индивидуум повторяет в быстром и кратком ходе своего индивидуального развития самые важные из изменений форм, через которые прошли его предки в медленном и длительном ходе их палеонтологического развития согласно законам наследственности и приспособления». Эта закономерность называется основным биогенетическим законом. Единая теория онтогенеза пока не создана, поскольку не прояснены причины и факторы, определяющие индивидуальное развитие организма, и т. п. Сейчас можно говорить лишь о том, что онтогенез является следствием реализации сложной согласованной программы развертывания наследственных свойств организма.

Единица популяционно-видового уровня – популяция, а элементарное явление – направленное изменение ее генетического состава. Популяция – это совокупность особей одного вида, относительно изолированная от других групп этого же вида, занимающая определенную территорию, воспроизводящая себя на протяжении длительного времени и обладающая общим генетическим фондом. Популяция рассматривается как целостная открытая система, все элементы которой взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой. Термин «популяция» был введен одним из основателей генетики В. Иогансеном. Популяции существуют на протяжении длительного времени и способны к самостоятельному эволюционному развитию, их рассматривают в качестве «атомов» эволюционного процесса. Изучением популяций занимается популяционная биология. Кроме того, популяции выступают объектом рассмотрения синтетической теории эволюции, в рамках которой дается объяснение эволюционных механизмов в живой природе (5.7).

Совокупность совместно обитающих и взаимодействующих между собой популяций растений, животных, грибов и микроорганизмов, населяющих определенную территорию, называется биоценозом. Биоценозы являются составным компонентом более сложной системы биогеоценоза. Биогеоценоз выступает единицей биогеоценотического уровня. Элементарное явление этого уровня – переходы биогеоценозов из одного состояния динамического равновесия в другое. Биогеоценозы иначе называют экологическими системами. Термин «биогеоценоз» был введен русским ученым В.Н. Сукачевым в 1940 г., а термин «экологическая система» – английским ботаником А. Тенсли в 1935 г.

Биогеоценоз – сложная динамическая система, представляющая собой совокупность биотических (популяции различных видов растений, животных и микроорганизмов) и абиотических (атмосфера, почва, вода, солнечная энергия) элементов, связанных между собой обменом вещества, энергии и информации. Биогеоценоз – целостная развивающаяся система, взаимодействия в которой описываются принципами прямых и обратных связей. Равновесие экологической системы поддерживается за счет внутренних сил самой этой системы. Поэтому о биогеоценозах говорят как об открытых системах, способных к самоорганизации в результате обмена энергией, веществом и информацией со средой, т. е. с другими биогеоценозами. Закономерности развития биогеоценозов можно описать в терминах синергетики (7.2).

Биогеоценоз – устойчивая система, которая может существовать на протяжении длительного времени. Равновесие в живой системе динамично, т. е. представляет собой постоянное движение вокруг определенной точки устойчивости. для стабильного функционирования живой системы необходимо наличие обратных связей между ее управляющей и исполняющей подсистемами. Такой способ поддержания динамического равновесия называют гомеостазом. Гомеостаз в живых системах можно рассматривать по аналогии с управляющими процессами в кибернетике (7.1).

Чем более многообразна экологическая система, чем больше число составляющих ее видов, тем она более жизнеспособна, устойчива во времени и пространстве. При благоприятных условиях экологические системы способны усложнять свою структурную организацию, повышая сопротивляемость разрушающим воздействиям. Но даже самые сложные и многообразные биогеоценозы не вечны. Внезапные резкие изменения внешних условий снижают устойчивость экологической системы и вызывают нарушение ее внутренней структуры. Выпадение даже одного из элементов биогеоценоза может повлечь за собой изменения в других и вызвать необратимое нарушение равновесия и распад экологической системы. Именно поэтому для нормальной жизнедеятельности биогеоценоза необходимо сохранение всех или подавляющего числа его элементов.

Нарушение динамического равновесия между различными элементами биогеоценоза, связанное с массовым размножением одних видов и сокращением или исчезновением других, приводящее к изменению качества окружающей среды, называют экологической катастрофой. Развитие экологических систем, не связанное с серьезным изменением окружающей среды, представляющее собой последовательную смену биологических сообществ, называется сукцессией.

В заключение следует отметить, что каждый уровень организации живого характеризуется собственными свойствами и закономерностями, а в целом вся иерархия живой природы позволяет представить ее как целостную самоорганизующуюся систему, находящуюся в постоянном взаимодействии с неорганической материей.

5.6. Генетика и молекулярная биология

Генетика – наука, изучающая механизмы наследственности и изменчивости в живой природе. Слово «генетика» происходит от греческого genesis – происхождение. Основы этой научной дисциплины были заложены австрийским ученым Г. Менделем, который открыл законы наследственности. Г. Мендель показал, что наследование признаков происходит дискретно. Ученый скрещивал гладкий и морщинистый сорта гороха, в результате в первом поколении он получал только гладкие семена, а во втором – четверть морщинистых семян. Анализируя эти экспериментальные данные, Г. Мендель пришел к выводу, что в зародышевую клетку поступает информация от обоих родителей, но в первом поколении проявляется только один, доминантный признак, а во втором – доминантные и рецессивные признаки распределяются в пропорции 3:1. Это явление было названо расщеплением признаков. Результаты экспериментов Г. Менделя опровергли тезис о том, что рецессивные признаки живого организма должны постепенно стираться в череде поколений. Открытые закономерности свидетельствовали: рецессивные мутации не исчезают бесследно, а сохраняются в генетическом фонде популяции и проявляются через поколение. Значение открытия Г. Менделя, сделанного еще в XIX в., было по достоинству оценено только в XX в., который не без основания называют веком генетики.

В 1900 г. законы наследственности были вновь открыты сразу тремя учеными – X. де Фризом (Голландия), К. Кор-ренсом (Германия) и Э. Чермаком (Австрия). Для объяснения выявленных в ходе экспериментов закономерностей X. де Фриз предложил теорию мутаций. Мутация – это внезапное изменение наследственных структур, вызванное естественным или искусственным путем. Термин «мутация» происходит от латинского mutatio – изменение. Как показали эксперименты, мутационный признак не исчезает, а постепенно накапливается в генофонде популяций, что является основой изменчивости в живой природе. Х. де Фриз предположил, что новые виды возникают именно в результате мутаций. Поначалу голландский ученый противопоставил мутации естественному отбору, заявив, что «значение отбора ограничено, эволюция идет путем резких скачков, мутаций». Однако позже Х. де Фриз согласился, что именно естественный отбор способствует закреплению полезных мутаций и, следовательно, процессу эволюции.

После открытия Х. де Фриза в течение 20–30 лет в генетике лавинообразно накапливался новый эмпирический материал и появлялись объясняющие его теоретические гипотезы. В 1920-е гг. А. Вейсманом, Т. Х. Морганом, А. Стер-тевантом, Г. дж. Меллером была разработана хромосомная теория наследственности, которая проясняла строение хромосом, порядок расположения генов – носителей наследственной информации, т. е. механизмы и причины мутационных изменений. Г. дж. Меллер, в частности, показал, что мутации могут вызываться рентгеновскими лучами, воздействием химических веществ, резкими изменениями температуры и т. п.

В 1940-е гг. была открыта нуклеиновая природа гена и выяснена роль нуклеиновых кислот в хранении и передаче наследственной информации. Этими исследованиями занималась школа американского генетика Т. Х. Моргана. На их основе возникла новая научная дисциплина – молекулярная биология, объединившая биохимию и генетику.

В 1944 г. американский биохимик О. Эвери и его команда установили, что носителем наследственной информации является ДНК, а в 1953 г. Ф. Крик и Д. Уотсон расшифровали ее структуру. Оказалось, что молекула дНк состоит из двух полинуклеиновых цепей, каждая из которых выступает в качестве матрицы для синтеза новых цепей. Выяснилось также, что именно свойство к самоудвоению молекул ДНК является основой механизма наследственности.

В последующие десятилетия учеными была установлена зависимость синтеза белков от состояния генов, осуществлен искусственный синтез гена, расшифрована аминокислотная последовательность многих белков и т. п. Ко второй половине XX в. в генетике был накоплен колоссальный эмпирический и теоретический материал. Наука вплотную приблизилась к разгадке одной из величайших тайн – самовоспроизводства живого. Выяснение молекулярных механизмов передачи генетической информации открыло совершенно новые возможности для практического применения этих знаний.

Воспроизводство всего живого определяется синтезом белков при помощи нуклеиновых кислот ДНК (дезоксири-бонуклеиновой) и РНК (рибонуклеиновой). Как уже говорилось, в образовании белков участвует 20 аминокислот из 100 известных современной органической химии. Носителями генетической информации являются молекулы ДНК, которые находятся в хромосомах ядер клеток. ДНК состоит из двух спаренных полинуклеотидных цепочек, закрученных в спираль. Звеньями молекулы ДНК выступают нуклеотиды. Нуклеотид – это соединение азотистого основания, сахара и остатка фосфорной кислоты. В состав молекулы ДНК может входить один из четырех типов нук-леотидов, специфика которых определяется азотистым основанием: аденин (А), тимин (Т), цитозин (С), гуанин (G). Молекулу ДНК можно представить в виде огромного текста, состоящего из последовательности четырех букв А, Т, С, G в разных сочетаниях. Подобная модель ДНК была предложена в 1953 г. американским биохимиком Дж. Уотсоном и английским биофизиком Ф. Криком. А в 1962 г. эти ученые и биофизик М. Уилкинс получили Нобелевскую премию за расшифровку генетического кода.

Цепочки ДНК соединены между собой водородными связями, причем аденин всегда связывается с тимином, а цито-зин с гуанином. Такая связь структурно соответствующих друг другу азотистых оснований называется принципом комплиментарности. Для кодирования одной аминокислоты требуется сочетание трех нуклеотидов. Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка, называется геном. Изменение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводит к мутациям.

Механизм воспроизводства живого представляет собой матричный синтез белков, который происходит в несколько этапов. Сначала разрываются водородные связи двойной молекулы ДНК и образуются одинарные цепи, выступающие в виде матрицы. Затем каждая из нитей по своей поверхности строит новую. Новые цепи пристраиваются к старым по принципу комплиментарности. В результате формируются две идентичные молекулы ДНК.

Существенную роль в процессе синтеза белков играют молекулы РНК. Молекула РНК представляет собой одноце-почечную нить, состоящую из нуклеотидов. В состав молекулы РНК также входят четыре азотистых основания: три из них – аденин, цитозин и гуанин – сходны с азотистыми основаниями, входящими в состав молекулы ДНК, а четвертое – урацил (U) – отличается. С молекулы ДНК генетический код переносится на молекулу информационной РНК, которая представляет собой копию части ДНК, т. е. одного или нескольких рядом расположенных генов. Синтез белка осуществляется в рибосомах на основе генетического кода информационной РНК. Аминокислоты, необходимые для синтеза белка, доставляются в рибосому с помощью транспортной РНК. Весь процесс синтеза белка занимает не более 6 мин. Механизм матричного синтеза белков представляет собой не простое копирование, а копирование с частичными изменениями, что делает возможным как наследование признаков, так и дискретные отклонения от исходного состояния.

Одной из важнейших и интереснейших задач, стоящих перед современной наукой, является расшифровка генома человека Геном – это совокупность генов, сосредоточенных в единичном наборе хромосом данного организма. В 1988 г. для решения этой задачи по инициативе Дж. Уотсона была создана международная организация «Геном человека». По разным оценкам в состав генома человека входит от 50 тыс. до 100 тыс. генов. Успех даже на первом этапе расшифровки (определение последовательности нуклеотидных пар) приведет к пониманию причин и механизмов различных наследственных, инфекционных и т. п. заболеваний и позволит выработать эффективные методы их лечения.

Новые возможности открывает генная инженерия. Генная инженерия, или технология рекомбинантных ДНК, сложилась в 1970-е гг. на основе синтеза методов молекулярной биологии и генетики. Генная инженерия – это раздел молекулярной биологии, в котором изучаются возможности целенаправленного конструирования новых биологических структур с заранее заданными свойствами за счет прямого вмешательства в генетический аппарат и комбинирования природного или созданного искусственно генетического материала.

В последнее время в генной инженерии исследуется целый комплекс вопросов, связанных с непостоянством генома. Оказалось, что в хромосомах и цитоплазме клетки существует целый ряд биохимических соединений, которые находятся в хаотичном состоянии и способны к взаимодействию со структурами нуклеиновых кислот другого организма. Эти биохимические соединения были названы плазмида-ми. Плазмиды способны включаться в клетку реципиента и активизироваться под действием определенных внешних факторов. Переход из латентного состояния в активное означает соединение генетического материала донора с генетическим материалом реципиента. Если полученная конструкция работоспособна, то начинается синтез белка. Понятно, что, используя данный механизм, можно изменить ДНК, запрограммировав ее на синтез определенных белков. На основе этой технологии в 1978 г. был синтезирован инсулин – белок, позволяющий бороться с диабетом.

Мигрирующие генетические элементы обнаруживают значительное сходство с вирусами. Открытие явления трансдук-ции генов, т. е. переноса генетической информации в клетки растений и животных с помощью вирусов, включающих в себя часть генов исходной клетки хозяина, дает основание предполагать, что вирусы и сходные с ними биохимические образования занимают особое место в эволюции. Некоторые ученые высказывают мнение, что мигрирующие биохимические соединения способны вызвать даже более серьезные изменения в геномах клеток, чем мутации. Если это предположение окажется верным, то придется существенно пересмотреть нынешние представления о механизмах эволюции. Сейчас выдвигаются гипотезы о значительной роли вирусов в смешении генетической информации различных популяций, возникновении скачков эволюционного процесса, одним словом, речь идет о важнейшей роли вирусов в эволюционном процессе.

Безусловно, генная инженерия дает ключ к решению многочисленных научных, медицинских и даже производственных проблем, стоящих перед человечеством, в частности созданию организмов с заранее заданными свойствами, лечению наследственных заболеваний путем «пересадки» отдельных генов (генная терапия), созданию безопасных вакцин и высокоэффективных лекарственных препаратов, объяснению иммуногенеза и канцерогенеза, что позволит человечеству бороться с заболеваниями, которые пока считаются неизлечимыми (онкологические заболевания, СПИД и т. п.). Кроме того, новые данные молекулярной биологии и возможности генной инженерии позволят значительно увеличить продолжительность жизни человека.

При этом развитие генной инженерии связано с опасностью, контуры и масштабы которой пока трудно оценить. Во-первых, могут быть созданы модифицированные организмы с нежелательными или неожиданными свойствами. Во-вторых, внедрение генных технологий уже привело к созданию многочисленных рекомбинантных микроорганизмов, распространение которых спровоцировало появление новых заболеваний. В-третьих, последствия генной терапии (непосредственного вмешательства в генотип человека), которая проводится уже на протяжении нескольких лет, также пока неизвестны. Ученые смогут с уверенностью говорить о том, как поведет себя введенный в клетку ген через 10–20 лет. В-четвертых, существует реальная опасность использования продуктов генной инженерии в военных целях. Именно поэтому любые теоретические исследования и особенно практические эксперименты в этой области требуют осмотрительности, серьезной подготовки и жесткой регламентации. Тем не менее Федерация европейских микробиологических обществ в Меморандуме 1996 г. заключила: «При осмотрительном применении генных технологий польза от них сильно перевесит риск отрицательных последствий; технологии конструирования рекомбинантных ДНК внесут существенный вклад в здравоохранение, в развитие устойчивого сельского хозяйства, в производство пищи, в очистку окружающей среды».

О практических возможностях современной биологической науки свидетельствуют также опыты с клонированием, результаты которых обнародованы в последние годы. Термин «клон» происходит от греческого klon – ветка, побег. Клонирование – это точное (на генетическом уровне) воспроизведение живого объекта в п-ом количестве копий. При клонировании гены донорской особи сохраняются и в полном объеме передаются рождающемуся потомству. В этом случае гены доноров-родителей и клонов-детей не просто схожи, как в случае полового размножения, а полностью идентичны.

Случаи естественного клонирования известны давно. Это, например, рождение однояйцовых близнецов, которые несут одинаковые наборы генов. Искусственное клонирование растений черенками, почками или клубнями не только известно, но и используется уже более 4 тыс. лет. Возможность искусственного клонирования животных появилась только в XX в. В 1950-е гг. американские ученые начали проводить эксперименты с клонированием эмбрионов амфибий, используя метод пересадки ядер эмбриональных клеток в лишенные ядер (энуклеированные) яйцеклетки. В 1970-е гг. начались опыты по клонированию мышей, которые, однако, оказались не слишком удачными – эмбрионы клонированных животных погибали на ранних стадиях.

Первые сведения об успешном клонировании животных появились еще в 1980-е гг. Это были эксперименты на кроликах, свиньях, коровах и овцах. В 1993–1995 гг. английский ученый Я. Уилмут и его группа, работавшая в Эдинбургском биологическом институте, методом клонирования получили пять ягнят (самок). Две клонированных особи погибли вскоре после рождения, третья – в возрасте 10 дней, а две оставшиеся достигли 8-9-месячного возраста. Эти эксперименты, однако, не произвели такой сенсации, как появление весной 1997 г. овечки Долли. Механизм клонирования Долли выглядел следующим образом. Из овец породы «шотландская черномордая» были выделены яйцеклетки, которые поместили в искусственную питательную среду. Затем из клеток удалили собственные ядра и «наполнили» их генетическим материалом клонируемой особи-донора. Для этой цели использовались клетки молочной железы шестилетней беременной овцы породы «финский дорсет». Затем зародыши культивировали в перевязанном яйцеводе овцы-реципиента. Фенотипически Долли оказалась полностью сходной с овцой породы «финский дорсет», которая выступала донором, и сильно отличалась от овцы-реципиента породы «шотландская черномордая».

После этого успеха некоторые ученые заговорили о том, что технология, результатом которой стало появление овечки Долли, потенциально может быть применима и к человеку. Эта информация вызвала бурную дискуссию, которая обнаружила, что в связи с возможностью клонирования человека возникают многочисленные этические и юридические вопросы. Дело в том, что из 277 опытов, проведенных с эмбрионами овцы, успешным оказался только один, а значит, клонирование человека по такой технологии не страхует от появления уродов, причем вероятность их конструирования составляет как минимум 276: 1. Один этот факт может служить основанием для моратория на эксперименты с клонированием человека, поскольку возможные отрицательные последствия таких опытов значительно превышают положительные.

Теоретически клонирование человека может иметь положительные стороны: решение проблемы бесплодия, создание банка запасных клеток и тканей и т. п. Но они минимальны на фоне огромного риска получения негативных результатов, которые могут нанести колоссальный урон здоровью, благополучию и безопасности людей. Клонирование человека, безусловно, открывает огромные возможности, которые даже трудно представить в полном объеме, но ставит и новые вопросы, поиск ответов на которые требует философского осмысления и в некоторых случаях даже политической воли. Интуитивные решения в сфере клонирования человека оказываются недостаточными, поскольку от содержания ответов напрямую зависит эволюционное будущее человечества.

В этой ситуации большинство ученых и политиков говорят о необходимости ввести запреты на эксперименты по клонированию человека. Так, в октябре 1997 г., практически сразу после обнародования результатов по клонированию овечки Долли, Федерация научных обществ экспериментальных биологов США объявила пятилетний мораторий на эксперименты по клонированию человека. Клонирование людей законодательно запрещено в Великобритании, США и России. Однако при этом в апреле 2002 г. информационные агентства мира сообщили, что первых клонированных человеческих существ могут родить две женщины в бывшем СССР и одна гражданка неназванной исламской страны, которые беременны клонами на шестой-девятой неделе.

Эти сведения были получены от итальянского специалиста по искусственному оплодотворению С. Антинори. Этот факт, даже если он не подтвердится, свидетельствует, что борьба сторонников и противников клонирования человека продолжается.

5.7. Синтетическая теория эволюции

Трудности, с которыми столкнулась классическая теория эволюции, в частности при объяснении явления наследственности, были преодолены путем синтеза эволюционной теории Ч. Дарвина и генетики Г. Менделя. В результате в 1930-е гг. была создана синтетическая теория эволюции, ставшая не только ядром популяционной генетики, но и позволившая сформировать единую систему всего современного биологического знания. Создание синтетической теории эволюции связывают с именами С. Четверикова, Р. Фишера, С. Райта, Дж. Холдейна, Н. Дубинина.

В отличие от классической эволюционной концепции Ч. Дарвина, рассматривающей в качестве единицы эволюции вид, синтетическая теория эволюции утверждает, что элементарной эволюционной структурой выступает популяция (5.5). Именно популяция обладает теми свойствами самоорганизующейся целостной системы, которые необходимы для наследственных изменений. Устойчивое изменение генотипа популяции рассматривается в качестве элементарного явления эволюционного процесса. «Единицей» наследственности выступает ген – участок молекулы ДНК, отвечающий за развитие определенных признаков организма. Основным механизмом эволюционного процесса является отбор организмов с полезными, выгодными для приспособления к среде мутациями.

Наследственные изменения происходят под действием ряда эволюционных факторов, среди которых основными являются:

Мутационный процесс – мутационные изменения, поставляющие материал для эволюции;

Популяционные волны – колебания численности популяции вокруг некоторого среднего уровня;

Изоляция – обособление популяции для закрепления нового признака;

Естественный отбор – ведущий фактор эволюции – выживание наиболее приспособленных особей и рождение ими здорового потомства.

Неосновными эволюционными факторами считаются частота смены поколений в популяциях, темпы мутационных процессов и их характер и т. п. Все эволюционные факторы действуют как в комплексе, так и по отдельности, вызывая изменение генетического состава популяции.

Мутации – это изменения наследственных свойств организмов внутри популяции, возникающие естественным или искусственным путем и поставляющие основной материал для эволюции. Факторы, вызывающие мутации, называются мутагенами. Мутагенами выступают температурный режим, действие отравляющих веществ, радиации, особенности питания и т. п. Современная молекулярная биология к числу наиболее опасных мутагенов относит вирусы (5.6). Мутации появляются случайно, большинство из них либо нейтральны, либо вредны. Вредные мутации часто вызывают гибель организма, причем, как правило, на достаточно ранних этапах онтогенеза. Вредные мутации, которые не привели к летальному исходу, элиминируются в ходе естественного отбора. Благоприятные мутации крайне редки, но именно они дают организму эволюционное преимущество. Появление полезной мутации позволяет живому организму лучше приспособиться к окружающей среде, более успешно вести борьбу за существование, оставлять жизнеспособное и многочисленное потомство. Поэтому случайные благоприятные изменения постепенно накапливаются в популяции, закрепляются в ряде поколений и способствуют эволюции вида.

Волны численности, которые иногда называют «волнами жизни», определяют колебания численности популяции вокруг некоторой средней величины. Современные исследования показали, что наиболее благоприятны для появления новых свойств и возникновения новых видов популяции среднего размера. В слишком многочисленных популяциях наследственным изменениям труднее появиться. В слишком малочисленных популяциях появление новых признаков зависит от случайных процессов, которые могут резко изменить количество и без того редко встречающихся благоприятных мутаций.

Изоляция – еще один фактор эволюционного процесса, необходимый для того, чтобы популяция не могла скрещиваться с другими группами организмов и обмениваться с ними генетической информацией. Обособление популяции позволяет закрепить дифференциацию ее генофонда. На необходимость обособления для образования новых видов организмов указывал еще Ч. Дарвин в классической эволюционной теории (2.5), однако он не смог дать объяснения этому явлению.

Целесообразность в живой природе является следствием естественного отбора, который выступает движущей силой и ведущим фактором эволюции. Естественный отбор – следствие взаимодействия популяции с окружающей средой. Отбор действует на всех этапах развития живого организма, ему подвергаются все без исключения свойства. В классической эволюционной теории естественный отбор определялся как процесс выживания наиболее приспособленных организмов. Современная эволюционная биология делает акцент на другой стороне этого явления. Естественный отбор теперь понимается как устранение от размножения тех особей, которые менее приспособлены к условиям окружающей среды. В связи с этим английский биолог Дж. Хаксли предложил термин «уничтожение неприспособленных», который, с его точки зрения, точнее характеризует механизм естественного отбора.

Перечисленные выше факторы эволюции действуют как на микро-, так и на макроэволюционном уровне. Различие понятий микро– и макроэволюции – еще одно научное достижение, которое стало возможным благодаря синтетической теории эволюции. Сами термины были введены в научный обиход в 1927 г. русским генетиком Ю.А. Филип-ченко. Микроэволюция – это совокупность эволюционных изменений в рамках популяций за сравнительно небольшой период времени, приводящих к возникновению новых видов живых организмов. Макроэволюция – совокупность эволюционных преобразований на протяжении длительного периода времени, приводящих к возникновению новых надвидовых форм организации живого.

5.8. Экология и учение о биосфере

Совокупность всех биогеоценозов на поверхности Земли, связанных обменом вещества, энергии и информации, называется биосферой. Биосфера – это целостная самоорганизующаяся система, состоящая из различных компонентов (экологических систем, биоценозов, популяций, организмов и т. п.), которые в свою очередь могут рассматриваться как самостоятельные самоорганизующиеся системы. Биосфера охватывает часть атмосферы, гидросферу, верхнюю часть литосферы. Верхняя граница биосферы располагается примерно в 30 км над поверхностью Земли, нижняя – до 10 м в земной коре. При этом некоторые живые организмы обнаружены на глубине до 11 км. Температурные интервалы, в которых может существовать жизнь, также ограничены: от -2520до +180оС. Живые существа на поверхности Земли защищены от ультрафиолетовых лучей озоновым слоем. Биосферу рассматривают как единую систему, в которой масса живого вещества, несмотря на все изменения и переходы из одного состояния в другое, сохраняется на одном уровне. Структура, состав и энергия биосферы определяются прошлой и настоящей деятельностью всех живых организмов, в том числе и человека. В современном представлении о биосфере подчеркиваются взаимозависимость и взаимовлияние живой и неживой природы; биосфера – это живые организмы и среда их обитания. Качественные преобразования биосферы уже не раз случались на протяжении геологической и биологической эволюции, что сопровождалось исчезновением одних биологических видов и появлением других.

Термин «биосфера» был впервые использован в 1875 г. австрийским ученым Э. Зюссом, который понимал под биосферой «совокупность организмов, ограниченную в пространстве и времени и обитающую на поверхности Земли». Таким образом, первоначально понятием «биосфера» обозначалась совокупность только живых организмов. Связь живой и неживой природы трактовалась односторонне: отмечалась зависимость живых организмов от химических, физических, геологических и т. п. факторов, однако обратное воздействие оставалось вне поля зрения ученых. Изменил представление о биосфере русский ученый и философ В.И. Вернадский.

Центральной идеей В.И. Вернадского стало представление о живом веществе – совокупности всех живых организмов на планете. В процессе жизнедеятельности организмы получают из окружающей среды необходимые химические вещества, а после смерти они возвращают их обратно, таким образом, живое и неживое находятся в постоянном взаимодействии. В.И. Вернадский подчеркивает активное влияние живых организмов на косную материю. По его мнению, живое вещество составляет незначительную по объему и весу часть биосферы, однако оно является ее определяющим компонентом. Живые организмы – та геохимическая сила, которая играет ведущую роль в формировании облика нашей планеты.

В ходе геологической эволюции воздействие живого вещества на косное только возрастает, что выражается, как пишет В.И. Вернадский, «в непрерывном биогенном токе атомов из живого вещества в косное вещество биосферы и обратно». Русский ученый подчеркивал целостность и гармоничность биосферы: «Можно говорить о всей жизни, о всем живом веществе как о едином целом в механизме биосферы^ все учитывается и все приспособляется с той же точностью, с той же механичностью и с тем же подчинением мере и гармонии, какую мы видим в стройных движениях небесных светил и начинаем видеть в системах атомов вещества и атомов энергии».

Человечество наряду с растениями и животными является частью живого вещества. Однако в отличие от других элементов биосферы человечество оказывает интенсивное влияние не только на неживую материю, но и на само живое вещество, создавая новые виды растений и животных. С появлением на нашей планете одаренного разумом живого существа, писал В.И. Вернадский, планета вступает в качественно новую стадию своей истории. Ступень развития биосферы, связанная с появлением человека, называется ноосферой. Слово «ноосфера» происходит от греческого noos – разум. Понятие ноосферы введено французским ученым Э. Леруа в 1927 г. Ноосфера – это сфера разума, сфера взаимодействия человека и природы, в которой главным фактором эволюции выступает разумная деятельность.

Учение В.И. Вернадского о ноосфере, которое создавалось в 1930-е гг., не сложилось в законченную теорию, более того, русский ученый даже само понятие ноосферы употреблял в разных смыслах. В его понимании, ноосфера – это: новое геологическое явление, суть которого заключается в возможности человека преобразовывать Землю своим трудом и мыслью;

Область проявления научной мысли: «эволюционный процесс получает особое геологическое значение благодаря тому, что он создал новую геологическую силу – научную мысль социального человечества»;

Главный фактор преобразования и дальнейшей эволюции биосферы: «человек своей деятельностью создает новую живую природу».

Последнее определение приобрело новый смысл и особую актуальность спустя десятилетия – после возникновения молекулярной биологии, развития генной инженерии, опытов с клонированием и т. п.

Концепцию ноосферы развивал и русский ученый А.Л. Чижевский. По его мнению, ноосфера – это не только земное, но и космическое явление, а человек как частица ноосферы – космическое существо. Ноосфера представляет собой единство живого, разумного и космического. Для доказательства этой идеи А.Л. Чижевский использовал данные собственных наблюдений. Обобщив огромный фактический материал, он обратил внимание на определенную синхронность между солнечной активностью – образованием солнечных пятен – и боевыми действиями на фронтах Первой мировой войны. А.Л. Чижевский выдвинул идею космических ритмов, от которых зависят не только биологические, но и социальные процессы на Земле. Согласно подсчетам, которые произвел русский ученый, в период минимальной солнечной активности происходит до 5 % всех значительных социальных действий, а в период максимальной – до 60 %. Спустя десятилетия идеи А.Л. Чижевского по-прежнему актуальны, более того, они служат основанием для теоретических и практических исследований в биологии и медицине.

Концепция ноосферы получила развитие в работах французского ученого и философа П. Тейяр де Шардена. По его мнению, ноосфера – одна из стадий эволюции мира, на которой проявляется «целеустремленное сознание». «Целеустремленное сознание» – это разум и воля человека, действие которых позволяет постепенно сгладить противоречия между человеком и природой и контролировать направление будущей эволюции планеты. Как пишет Тейяр де Шарден, возникновение разума означает «трансформацию, затрагивающую состояние всей планеты».

В контексте современной философской мысли концепции ноосферы носят умозрительный характер. Некоторые положения ноосферных теорий откровенно утопичны, поскольку редуцируют человека только к одному, хотя и существенному, модусу – разумному.

Развитие концепции биосферы привело к созданию новой науки экологии. Слово «экология» происходит от греческих oikos – местопребывание, жилище и logos – учение. Буквальный смысл термина «экология» – учение о жилище, учение о доме. Экология – наука, изучающая взаимодействие живых организмов друг с другом и со средой обитания, т. е. всю совокупность связей и взаимодействий в биосфере и способы сохранения равновесия в этой системе. Термин «экология» введен в 1866 г. немецким биологом Э. Геккелем.

В качестве научной дисциплины экология сложилась еще в начале XX в. – в 1913 г. в Швейцарии прошло первое международное совещание по вопросам охраны окружающей среды. Однако всерьез об экологической угрозе задумались только в 1970-е гг. Первыми заговорили об экологической проблеме участники Римского клуба, которые в 1968 г. собрались для обсуждения глобальных проблем, стоящих перед человечеством. В 1972 г. состоялась первая конференция ООН, посвященная проблемам окружающей среды, на которой был признан факт глобального экологического кризиса. После этого не только специалисты, но и широкая общественность стали говорить об экологической угрозе, что в свою очередь повлекло изменение статуса экологической науки и ее стремительное развитие. Из несамостоятельной дисциплины в рамках биологии экология превратилась в комплекс междисциплинарных исследований с ярко выраженной мировоззренческой составляющей. Экология вышла за пределы не только биологии, но и в целом естествознания. Внутри экологической науки существует множество разделов, которые могут рассматриваться как вполне самостоятельные направления исследований: глобальная экология, социальная, медицинская, историческая, этическая, промышленная и т. п. Идеи и принципы этой науки имеют мировоззренческий характер, поэтому экология связана не только с науками о человека и культуре, но и с философией. Столь серьезные изменения позволяют говорить о том, что, несмотря на столетнюю историю, экология еще очень молодая наука. Способы решения экологической и вытекающих из нее демографической и медико-биологической проблем являются центральной темой экологии.

В ходе эволюции человек от первоначального потребления природных богатств перешел к активному вмешательству в живую природу и ее преобразованию. Он создал искусственную среду обитания: предметы материальной и духовной культуры, искусственные экологические системы, технику и т. п. На данный момент человечество уже уничтожило около 70 % естественных экологических систем. Понятно, что такая активная деятельность существенно влияет на характер процессов в биосфере: рост искусственной среды приводит к разрушению естественной. Живая природа не остается пассивной. Ответная реакция подчас трудно поддается прогнозированию.

Понятно, что человек не может отказаться от своей деятельности, которая составляет основу его существования, т. е. он и дальше неизбежно будет влиять на процессы, происходящие в биосфере. Поэтому экологи говорят о необходимости гармонизации отношений био-, ноо– и техносфер. Однако воздействие на природу не может оставаться стихийным и бесконтрольным, иначе человечество погибнет как биологический вид. Освобождаясь от природы, человек парадоксальным образом оказывается все более тесно с ней связанным. Нарастание экологических проблем подталкивает к осознанию этого обстоятельства.

Одним из частных аспектов экологической проблемы является парниковый эффект. Возникновение этого эффекта связано с использованием ископаемых видов топлива: угля, нефти, газа, которые уже длительное время были исключены из круговорота веществ. Сжигание ископаемого топлива приводит к тому, что ежегодно в атмосферу выбрасывается до 20 млрд т углекислого газа. Промышленные выбросы углекислоты уже не компенсируются процессами фотосинтеза, в ходе которых вырабатывается кислород. Углекислый газ существенно влияет на тепловой баланс нашей планеты, поскольку углекислота пропускает солнечный свет, идущий к Земле, но поглощает инфракрасное излучение, идущее в обратном направлении. Следствием парникового эффекта становится глобальное потепление климата. Глобальное повышение температуры ведет к таянию полярного и материкового льдов и повышению уровня мирового океана. Остроту данной проблеме придает то обстоятельство, что для изменения газового состава земной атмосферы и ее возвращения к нормальному состоянию понадобятся даже не десятки, а сотни лет. В ООН уже рассматривался вопрос о введении налога на выбросы углекислого газа в атмосферу – так называемый экологический налог – для того чтобы использовать полученные финансовые ресурсы на восстановление лесов.

Другой составляющей глобального экологического кризиса является разрушение озонового слоя. Озон содержится в стратосфере (от 10 до 50 км над уровнем моря) и выполняет функцию естественного фильтра, поглощающего губительные для жизни ультрафиолетовые лучи. Разрушение озонового слоя является следствием загрязнения стратосферы, в которой опасные вещества достаточно быстро перемещаются вдоль поверхности Земли, распространяясь на большие расстояния.

Значительную экологическую опасность представляют также кислотные соединения, выбрасываемые в атмосферу вместе с газами автомобильного транспорта, дымом теплоэлектростанций и т. п. Результатом кислотного загрязнения атмосферы становятся кислотные осадки, которые в свою очередь загрязняют почву и водоемы.

В последние годы все острее стоит вопрос захоронения радиоактивных отходов, что также является частью глобальной экологической проблемы. Механизмы миграции радиоактивных веществ в почве еще слабо изучены, поэтому надежность захоронения радиоактивных отходов под землей (именно эта технология считается самой «чистой») не абсолютна.

В плане конкретных, относительно быстрых решений для выхода человечества из экологического тупика предлагается форсирование научных исследований по поиску альтернативных источников энергии. В качестве альтернативных видов энергии рассматриваются солнечная, ветровая, термоядерная и атомная. Безусловно, использование новых видов энергии не решает все экологические проблемы человечества. Так, после катастрофы на Чернобыльской АЭС в апреле 1986 года стали очевидны опасности, связанные с выработкой и использованием атомной энергии. Использование солнечной и ветровой энергии не снимает с повестки дня вопрос об изменении теплового баланса Земли. Что касается энергии термоядерного синтеза, перспектива использования которой выглядит весьма заманчиво, то об этом сейчас говорится скорее гипотетически. Существует целый ряд теоретических и практических проблем, связанных с созданием условий, необходимых для проведения управляемой реакции термоядерного синтеза.

Другой составляющей решения экологической проблемы является создание безотходных технологий и замкнутых циклов использования веществ. Кроме того, ведутся поиски способов утилизации отходов с помощью биотермического обезвреживания или нейтрализации с участием разнообразных групп живых организмов.

Обострение глобальных проблем вынуждает человечество искать новые способы взаимодействия с миром. Современные философы и футурологи говорят о необходимости изменения путей развития цивилизации. Во всех прогнозах главный враг человечества – он сам. Преодоление глобальных проблем, в том числе и экологической, связано с трансформацией ценностных установок, поиском новых мировоззренческих ориентиров, формированием иного типа массового сознания. В современной философии и науке идет поиск новых принципов взаимодействия человека с окружающей средой.

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цель занятия: Сформировать у обучающихся систему знаний о различных взглядах на происхождение жизни на Земле.

Задачи занятия:

I. Образовательные:

1. Показать роль эксперимента в решении научных споров о происхождении жизни.
2. Обучить анализировать основные научные гипотезы о происхождении жизни.

II. Развивающие:

1. Продолжить развивать стремление к самостоятельной познавательной активности.
2. Продолжить формирование формально-логических умений объяснения, конкретизации, определения, обобщения.

III. Воспитательные:

1. Интеллектуальные – продолжить формирование научного мировоззрения.
2. Экологические – закрепление знаний о взаимосвязи живой и неживой природы.
3. Нравственные – формирование знаний и убеждений учащихся об ответственности человека за сохранение целостности биосферы нашей планеты.

Мотивация:

Происхождение жизни на нашей планете – предмет многовековых дискуссий, в которых участвовало не одно поколение человечества. Это интересная область знания, имеющая научное, философское и мировоззренческое значение, до сих пор привлекает внимание исследователей самых разных направлений.

Изучение различных теорий о возникновении жизни на Земле необходимо для составления целостного представления об историческом пути развития живой природы, формирования научного мировоззрения.

Обучающиеся должны знать:

1. Основные положения теорий о возникновении жизни;
2. Современные представления о возникновении жизни на Земле (теория биохимической эволюции).

Обучающиеся должны уметь:

1. Раскрыть ключевые положения основных теорий о возникновении жизни на Земле;
2. Дать описание опытам Ф. Реди, Л. Спалланцани, Л.Пастера, С.Миллера, раскрыть их значение для решения вопроса о происхождении жизни;
3. Раскрыть основные положения современных представлений о возникновении жизни на Земле (теории биохимической эволюции);
4. Сформулировать основные положения теории А.И.Опарина.

Оснащение занятия:

• план занятия;
• конспект;
• раздаточный материал;
• задания для контроля;
• презентация;
• ноутбук;
• мультимедийный проектор;
• экран.

Междисциплинарные связи:

а) физика (устройство приборов, физические явления);
б) химия (состав атмосферы, химические вещества);
в) история (развитие науки);
г) философия (формирование научного мировоззрения);
д) иностранный язык (перевод терминов).

Литература для преподавателя:

1. Сивоглазов В.И., Агафонов И.Б. Общая биология 10-11. – М.: Дрофа, 2005
2. Сивоглазов В.И., Сухова Т.С., Козлова Т.А. Общая биология. Пособие для учителя. – М.: АЙРИС ПРЕСС, 2004
3. Сухова Т.С. Урок биологии. Технология развивающего обучения. – М.: Вентана-Граф, 2001

Литература для обучающихся:

1. Сивоглазов В.И., Агафонов И.Б. Общая биология 10-11.– М.: Дрофа, 2005

Хронокарта занятия:

1. Организационный момент

Приветствие, проверка присутствующих по списку, пожелание успешной работы на занятии.

2. Контроль исходного уровня знаний (в скобках указаны эталоны правильных ответов)

Цели:

• Определить уровень знаний обучающихся.
• Скорректировать уровень сложности подачи нового материала.

1.По каким основным признакам (критериям) можно отличить живой объект от неживого?

(Единство химического состава живых организмов, обмен веществ, раздражимость, рост, размножение, развитие, приспособленность к среде обитания, саморегуляция).

2. Где и когда возникли первые живые организмы? Какими они были? (Первые организмы появились около 3 млрд лет назад в водной среде, они были одноклеточными прокариотами, питались за счет органического вещества океана, анаэробы.)

3. Какие этапы в развитии растений на Земле вы можете назвать? (одноклеточные, многоклеточные; возникновение фотосинтеза, полового процесс; выход на сушу, развитие наземной растительности.)

4. Какие этапы в развитии животных на Земле вы можете назвать? (Одноклеточные, колониальные, многоклеточные; появление полового процесса; появление беспозвоночных и позвоночных животных; выход на сушу; усложнение в строении в связи с наземным образом жизни.)

5. Какие вещества входят в состав живых организмов?

(Неорганические (вода, минеральные соли) и органические (аминокислоты, белки, жиры, углеводы и др.))

3. Изучение нового материала (объяснение нового материала сопровождается показом презентации, в тексте указаны номера слайдов)

3.1. Постановка проблемы

Жизнь существует на Земле миллиарды лет. Она заполняет все уголки нашей планеты.

С глубокой древности и до нашего времени было высказано огромное количество гипотез о происхождении жизни. Специфичность живого определяет ряд вопросов, на которые необходимо ответить, решая проблему возникновения жизни:

• Как возникла и развивалась жизнь на нашей планете?
• Как возникла клетка – структурная единица живого?
• Как произошли все специфические живому вещества и структуры?
• Как сформировался существующий обмен веществ? И т.д.

Нам предстоит познакомиться с гипотезами возникновения жизни, проанализировать их и сформировать представление о том, как возникла и развивалась жизнь на Земле.

3.2. Развитие представлений о возникновении жизни на Земле (слайд№1)

С незапамятных времен происхождение жизни было загадкой для человечества. С момента своего появления благодаря труду человек начинает выделяться среди остальных живых существ.

Но способность задать себе вопрос “откуда мы?” человек получает сравнительно недавно – 7-8 тыс. лет назад.

До этого времени человек с трудом отделял себя от других животных (человек был и охотником, и своеобразной дичью), но постепенно он стал отграничивать себя от природы своим внутренним духовным миром. Первые примитивные формы веры в нереальные, сверхъестественные или божественные силы, возникли уже 35-40 тыс. лет назад.

3.3. Основные теории происхождения жизни на Земле (Слайд №2)

• Креационизм
(Слайд №3)

Согласно этой теории, жизнь возникла в результате некоего сверхъестественного события в прошлом, что чаще всего означает божественное творение. Возникло представление о сотворении мира как о “творческом акте” бога, и этот миф лежит в основе всех религий.

Теория самопроизвольного зарождения

Сторонники данной теории утверждали, что живые организмы возникали неоднократно из неживой материи путем самозарождения. – концепция абиогенеза (от греч. “а” – не, “bios” – жизнь, “genesis” – происхождение). (Слайд №4) Древнегреческие философы принимали идею возникновения живых существ из воды либо из различных влажных или гниющих материалов. Но еще Фалес (624-547 гг. до н.э.) оспаривал мифологические представления и создал стихийно-материалистическое мировоззрение с элементами диалектики. Согласно Фалесу и его последователям, возникновение живых существ из воды произошло без какого-либо вмешательства духовных сил; жизнь есть свойство материи. Согласно Аристотелю (384-322 гг. до н. э.), определенные частицы вещества несут в себе "активное начало", способное в подходящих условиях создать живой организм. Это "начало" можно обнаружить в оплодотворенном яйце, гниющем мясе, тине и солнечном свете:

"Таковы факты – живое может возникать не только в результате спаривания животных, но и разложения почвы... Некоторые растения развиваются из семян, а другие самозарождаются под действием сил природы из разлагающейся земли или определенных частей растений..."

Однако с приходом Христианства, особенно в Средние века, теория спонтанного зарождения оказалась под гнетом Церкви. Ее считали атрибутом колдовства и проявлением дьявольщины. Тем не менее, она продолжала существовать.

На рубеже XVI-XVIIв.в. Ван Гельмонт (1579 – 1644 г.г.) описал эксперимент, в котором ему удалось из грязного белья и пшеницы, помещенных в темный шкаф, получить мышей. Активным началом зарождения мыши Ван Гельмонт считал человеческий пот. (Слайд №5) – концепция биогенеза (от греч. “bios” – жизнь, “genesis” – происхождение).(Слайд № 6)

В 1668г. итальянский врач Франческо Реди (1626-1698 гг.) доказал, что белые черви, которые встречаются в мясе, являются личинками мух; если мясо или рыбу закрыть, пока они свежие, и предотвратить доступ мух, то они, хотя и сгниют, но не произведут червей. Из этого Ф. Реди сделал вывод о возникновении живого только из живого). (Слайд №7) В 1765 году Ладзардо Спалланцани (1729-1799 гг.) подвергнул мясные и овощные отвары кипячению и сразу же запечатал их. Через несколько дней он исследовал отвары и не обнаружил никаких признаков жизни. Из этого он заключил, что высокая температура уничтожила все живое, и ничего нового уже не могло возникнуть. (Слайд №8)

Дж. Нидхем – сторонник витализма (от лат. vita – жизнь), объяснил отрицательные результаты, полученные Л. Спалланцани, тем, что тот подвергал свои настои слишком жесткой обработке, в результате которой разрушалась их "жизненная сила". (Слайд №9) По мнению виталистов, “жизненная сила” присутствует всюду. Достаточно лишь “вдохнуть” её, и неживое станет живым.

В 1862 г. великий французский ученый Луи Пастер (1822-1895 гг.) публикует свои наблюдения по проблеме произвольного самозарождения. Он доказывает, что внезапное возникновение (“спонтанное самозарождение”) микробов в различных видах гниющих настоек или экстрактов не есть возникновение жизни. Гниение и брожение – это результат жизнедеятельности микроорганизмов, внесенных извне. Его исследования окончательно разрушили вековые предрассудки о спонтанном самозарождении.

Рис.1. Опыт Л. Пастера в колбах с S-образными горлами:

1 - колба с подсахаренной дрожжевой водой; после стерилизации и охлаждения остается стерильной в течение длительного времени;

2 - та же колба через 48 ч после удаления изогнутого горла; наблюдается рост микроорганизмов. (слайды №10,11)

• Теория стационарного состояния
(Слайд №12)

Если следовать этой теории, Земля существовала вечно, никогда не возникая, всегда была способна поддерживать жизнь, и любые изменения на ней являлись совершенно незначительными. Эта теория в настоящее время не выдерживает никакой критики.

• Теория панспермии
(Слайд №13)

В V в. до н.э. греческий философ Анаксагором высказал идею космического посева – панспермии (от греч. “pan” – все и “sperma” – семя). По его учению жизнь возникла из семени, которое существует “всегда и везде”. Согласно этой теории, зародыши жизни занесены на Землю метеоритами или космической пылью. Данная теория не предлагает никакого механизма возникновения жизни, просто выдвигая постулат о внеземном ее происхождении. Утверждается, что жизнь могла возникать неоднократно в различное время и в разных местах Вселенной.

4. Современные представления о возникновении жизни

(Слайд 14)

Современная теория происхождения жизни основана на идее о том, что биологические молекулы могли возникнуть в далеком геологическом прошлом неорганическим путем.

Наибольшее распространение в ХХ в. получила теория биохимической эволюции, предложенная независимо друг от друга российским химиком А.И.Опариным (1894 – 1980 г.г.) и английским биологом Д. Холдейном (1892 – 1964 г.г.).

• Теория биохимической эволюции
(Слайд №15)

1 этап – абиогенное возникновение органических мономеров Наша планета возникла около 4,6 млрд лет назад. Постепенное уплотнение планеты сопровождалось выделением огромного количества тепла, распадались радиоактивные соединения, от Солнца шел поток жесткого ультрафиолетового излучения. Спустя 500 млн. лет началось медленное остывание Земли. Образование земной коры сопровождалось активной вулканической деятельностью. Считается, что первичная атмосфера состояла преимущественно из аммиака, воды, метана, окиси и двуокиси углерода. Отсутствие кислорода придавало ей восстановительные свойства. 3 мая 1924 г. на собрании Русского ботанического общества молодой ученый А. И. Опарин высказал мнение, что в условиях первичной атмосферы Земли, значительно отличающейся от нынешней, мог происходить синтез всех необходимых для зарождения жизни веществ-предшественников.

В таких условиях органические вещества могли создаваться гораздо проще и могли сохраняться, не претерпевая распада длительное время. А.И.Опарин полагал, что сложные вещества могли синтезироваться из более простых в условиях океана. Необходимая для реакций энергия приносилась солнечной радиацией, т.к. защитного озонового экрана еще не существовало; также синтез имел место в условиях грозовых разрядов.

Условия на первобытной Земле (слайды №16,17):

Разнообразие находившихся в океане простых соединений и большие масштабы времени позволяют предположить возможность накопления в океане большого количества органики, образовавшей "первичный бульон", в котором могла зародиться жизнь.

Схема образования “первичного бульона”

Подтверждение эта теория нашла в экспериментах С. Миллера, проведенных в 1953 году. (Слайд 18)

Рис.2. Схема прибора С. Миллера:

1 - реакционная колба; 2 - вольфрамовые электроды; 3 - искровой разряд; 4 - колба с кипящей водой; 5 - холодильник; 6 - ловушка; 7 - кран, через который в аппарат подается газовая смесь

Через газовую смесь, содержащую метан, аммиак, молекулярный водород и пары воды, т. е. имитирующую атмосферный состав первобытной Земли, он пропускал электрические разряды, а затем анализировал образующиеся продукты реакции. В реакционную колбу, содержащую смесь газов, были вмонтированы вольфрамовые электроды. В течение недели пропускали искровые разряды напряжением 60000 В. В другой колбе (малой) воду поддерживали в состоянии кипения. Пары воды проходили через реакционную колбу и конденсировались в холодильнике. В процессе циркуляции они захватывали из реакционной колбы продукты реакции и переносили их в ловушку, где и осуществлялось их концентрирование. При идентификации продуктов реакции были обнаружены органические соединения: мочевина, молочная кислота и некоторые аминокислоты.

2 этап – образование биологических полимеров и коацерватов (Слайд №19)

А.И. Опарин считал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежит белкам. Молекулы белков образовывали комплексы с молекулами окружающей их воды. Слияние таких комплексов друг с другом приводило к их отделению от водной среды, образовывались коацерваты (от лат. “coacervus” – сгусток). Капли-коацерваты были способны: обмениваться веществами с окружающей средой, накапливать различные соединения. Поглощение коацерватами ионов металлов приводило к образованию ферментов. Белки в коацерватах защищали нуклеиновые кислоты от разрушающего действия ультрафиолета. В самих каплях происходили дальнейшие химические превращения попавших туда веществ. На границе капель с внешней средой выстраивались молекулы липидов, образуя примитивную мембрану, повышающую стабильность всей системы.

3 этап – формирование мембранных структур и первичных организмов (пробионтов) Вокруг коацерватов, богатых органическими соединениями, возникли слои липидов, отделивших коацерват от окружающей водной среды. Липиды преобразовались в ходе эволюции в наружную мембрану, существенно повысившую жизнеспособность и устойчивость организмов. Так возникли пробионты – примитивные гетеротрофные организмы, питавшиеся органическими веществами первичного бульона. Произошло это 3,5 – 3,8 млрд лет назад. Закончилась химическая эволюция.

Сущность теории А.И. Опарина можно сформулировать в виде трёх постулатов:

1. Жизнь – одна из стадий эволюции Вселенной. 2. Возникновение жизни – закономерный результат химической эволюции соединений углерода. 3. Для перехода от химической эволюции к биологической необходимы формирование и естественный отбор целостных обособленных от среды, но постоянно с ней взаимодействующих многомолекулярных систем, которые были названы пробионтами.

Выводы. (Слайд №20)

Вопрос о происхождении жизни – один из самых трудных в современном естествознании. В первую очередь потому, что мы сегодня не можем воспроизвести процессы возникновения жизни такими, какими они были миллиарды лет назад. Ведь даже наиболее тщательно поставленный опыт будет лишь моделью, приближением, безусловно лишенным ряда факторов, сопровождавших появление живого на земле. И тем не менее наука успешно решает вопрос о происхождении живого, проводит многочисленные исследования, постоянно расширяет наши представления о зарождении жизни. Это вполне понятно: проблема жизни лежит в фундаменте всех биологических наук и в значительной мере – всего естествознания.

Существенный вклад в решение вопроса о происхождении жизни внесли академик АН СССР биохимик А.И. Опарин (1894–1980), английские естествоиспытатели Дж. Бернал (1901–1971) и Б.С. Холдейн (1892–1964) и многие другие ученые.

История жизни и история Земли неотделимы друг от друга. Именно в процессах развития нашей планеты закладывались условия будущего существования жизни – диапазоны температур, влажности, давления, уровня радиации и т. п. Например, диапазон температур, в котором существует известная нам активная жизнь, составляет довольно узкую полосу (см. рис. 7.8).

Одна из гипотез о происхождении Земли и всей Солнечной системы, как уже отмечалось, заключается в том, что наша Земля и все планеты сконденсировались из космической пыли, располагавшейся в окрестностях Солнца. Скорее всего, частицы пыли состояли из железа с примесью никеля либо из силикатов (веществ, в состав которых входит широко распространенный на Земле кремний), например силикатов магния, и каждая частица была окружена льдом. Конечно, кроме пыли везде присутствовал газ. И газ, и частицы пыли пронизывались солнечной радиацией. При этом весьма вероятно, что на внешних участках Солнечной системы газы могли конденсироваться, образуя различные летучие органические соединения, в которых присутствует основной элемент всех живых организмов – углерод. Постепенно Солнце разогревало их, газы снова испарялись, но некоторая их часть под действием излучений превращалась в менее летучие углеводороды (соединения углерода с водородом) и соединения азота.

Возможно, что именно пылевые частицы, окруженные оболочками из органических соединений, объединяясь, образовали сначала астероиды, а затем планеты. Известно, например, что гиганты Солнечной системы – Юпитер, Сатурн, Уран – состоят в основном из метана, водорода, аммиака и льда – веществ, служащих основой всех сложнейших органических соединений.

В то же время общая поверхность пылинок была очень велика. А это значит, что на ней могли образоваться различные соединения углерода и азота – прямых предшественников жизни.

Данное предположение доказывается тем, что ряд органических соединений найден в метеоритах, например аденин – биологически очень важное азотистое основание. Он был искусственно получен в лаборатории при условиях, которые имитировали первичную атмосферу Земли. А, скажем, органические соединения, играющие большую роль в обмене веществ живых организмов, – щавелевую, муравьиную и янтарную кислоты удалось искусственно получить при облучении водных растворов углекислоты.

Первичная атмосфера Земли, как и других планет, содержала, очевидно, метан, аммиак, водяной пар и водород . Воздействуя в лаборатории на смесь этих газов электрическими разрядами, имитирующими молнию, и ультрафиолетовым излучением, ученые получили сложные органические вещества, входящие в состав живых белков, – глицин, аланин и др.

Таким образом, сейчас не приходится сомневаться в том, что под воздействием электрических разрядов, световой и ультрафиолетовой радиации еще до образования Земли или на самой первой стадии ее существования из неорганических соединений мог возникнуть ряд довольно сложных органических веществ. Образовавшиеся органические вещества – это первый шаг на пути к жизни.

Какие же элементы являются основными слагаемыми живого, его «кирпичиками»? Это в первую очередь кислород, углерод , водород и азот . Их принято называть органогенами. В живой клетке, например, по массе содержится около 70% кислорода, 17% углерода, 10% водорода, 3% азота, затем идут фосфор, калий, хлор, сера, кальций, натрий, магний, железо. Их количество в клетке не превышает десятых долей процента. Далее следуют медь, цинк, йод, фтор и другие элементы, присутствующие в тысячных и десятитысячных долях процента.

Особая роль в живых организмах принадлежит углероду. Говорят, что жизнь на нашей планете «углеродная», потому что в основе всех органических соединений и веществ организмов лежит углерод.

Углеродные соединения обладают рядом свойств, делающих их незаменимыми при образовании живых систем. Прежде всего, число органических соединений на основе углерода огромно – десятки миллионов. Они активны при сравнительно невысокой температуре. Атомы углерода в молекулах могут образовывать длинные цепи различной формы. При относительно небольшой перестройке молекул углеродных соединений существенно меняется их химическая активность, которая возрастает при наличии катализаторов.

Все элементы живого принадлежат к наиболее устойчивым и распространенным по Вселенной веществам. Они легко соединяются между собой и обладают малой атомной массой. Соединения, образованные такими элементами, должны легко растворяться в воде. Таким свойством обладают, например, соединения калия и натрия и др.

Наша планета богата водой. Она расположена на таком расстоянии от Солнца, что необходимая для жизни основная масса воды находится в жидком, а не в твердом или газообразном состоянии, как на других планетах. На Земле поддерживается оптимальный интервал температур, необходимый для зарождения и существования жизни.

Является ли Земля тем единственным космическим телом, на котором возможна жизнь? По-видимому, нет. Ведь только в нашей Галактике примерно 150 млрд звезд. Вполне вероятно, что в ней существуют космические тела, на которых возможна жизнь.

Первый шаг на пути к возникновению жизни заключается в образовании органических веществ из неорганического космического сырья. Такой процесс протекал при определенных температуре, давлении, влажности, радиации и т. д. На первый стадии данного процесса, вероятно, начал действовать предварительный отбор тех соединений, из которых позднее появились организмы. Из множества образовавшихся веществ сохранились лишь наиболее устойчивые и способные к дальнейшему усложнению.

Для построения любого сложного органического соединения живых организмов нужен небольшой набор слагающих блоков – мономеров (низкомолекулярных соединений). Например, имея всего 29 сравнительно несложных мономеров, можно описать биохимическое строение любого живого организма. В число их входят 20 аминокислот, из которых построены все белки, 5 азотистых оснований (из них в комбинации с другими веществами образуются носители наследственности – нуклеиновые кислоты), а также глюкоза – важнейший источник энергии, необходимый для жизнедеятельности, жиры (структурный материал, идущий на построение в клетке мембран и запасающий энергию).

Такое сравнительно небольшое число соединений – результат действия в течение почти миллиарда лет естественного отбора, выделившего их из огромного количества некогда возникших веществ и определившего их пригодность для возникновения живого. Можно сказать, что эволюции организмов предшествовала очень длительная химическая эволюция.

Соединения, возникшие на основе углерода, образовали «первичный бульон» гидросферы. Существует научная гипотеза, согласно которой содержащие углерод и азот вещества возникали в расплавленных глубинах Земли и выносились на поверхность при вулканической деятельности. Размываясь водой, они могли попасть в океан, где участвовали в образовании «первичного бульона».

Второй важнейший шаг в образовании живых организмов заключался в том, что из множества отдельных молекул органических веществ, существовавших в первичном океане Земли, возникли упорядоченные сложные вещества – биополимеры: белки и нуклеиновые кислоты. Они уже обладали важнейшим биологическим свойством – воспроизводить аналогичные себе молекулы.

Каким же образом осуществлялось формирование биополимеров? В рассматриваемый период все органические соединения находились в первичном океане Земли. Для того чтобы между соединениями могли произойти реакции, ведущие к образованию сложных биологически важных молекул, концентрация органических соединений должна была быть сравнительно высокой. Такая концентрация веществ могла образоваться в результате осаждения соединений на различных минеральных частицах, например, на частичках глины или гидроокиси железа, образующих ил прогреваемого солнцем мелководья. Органические вещества могли образовать на поверхности океана тонкую пленку, которую ветер и волны гнали к берегу, где они собирались в толстые слои с высокой концентрацией органических веществ.

Свободный кислород появился значительно позже в результате деятельности первых фотосинтетиков – водорослей, а затем и наземных растений. Бескислородная среда облегчала, по-видимому, синтез биополимеров из неорганических соединений – кислород как сильный окислитель разрушил бы возникающие молекулы.

Отдельные несложные органические соединения стали объединяться в крупные биологические молекулы. Образовались ферменты – белковые катализаторы, способствующие возникновению или распаду молекул. В результате деятельности первичных ферментов возникли одни из важнейших органических соединений – нуклеиновые кислоты . Мономеры в нуклеиновых кислотах расположены так, что несут определенную информацию о синтезе белков и обмене с внешней средой веществом и энергией. Кроме того, молекулы нуклеиновых кислот приобрели свойство самовоспроизведения себе подобных. Можно считать, что с этого момента на Земле возникла жизнь.

Жизнь – это особая форма существования материи. Характерные особенности жизни – обмен с внешней средой, воспроизведение себе подобных, постоянное развитие.

К концу биохимической стадии возникновения жизни появились структурные образования – мембраны, которые сыграли важную роль в построении клеток. Как уже отмечалось, первые организмы на Земле были одноклеточные прокариоты. Проходили сотни миллионов, даже миллиарды лет, в течение которых из прокариотов образовывались эукариоты, в их клетке сформировались ядро с веществом, содержащим код синтеза белка, ядрышко, находящееся в ядре, и другие структурные элементы (рис. 7.9).

С появлением эукариотов наметился выбор растительного или животного образа жизни, различие между которыми заключается в способе питания и связано с возникновением важнейшего для всего живого процесса – фотосинтеза. В результате фотосинтеза ежегодно на Земле образуется около 200 млрд т органического вещества, 90% которого вырабатывают водоросли и только 10%– наземные растения.

Возникновение фотосинтеза сопровождалось поступлением в атмосферу кислорода. Подсчитано, что благодаря фотосинтезу вся углекислота планеты – и в атмосфере и растворенная в воде – обновляется примерно за 300 лет, а весь кислород – за 2 тыс. лет. Предполагается, что теперешнее содержание кислорода в атмосфере (21%) было достигнуто 250 млн лет назад в результате интенсивного развития растений.

Первые многоклеточные организмы возникли путем объединения одноклеточных организмов и прошли долгий путь эволюции. Так жизнь развивалась и совершенствовалась, о чем свидетельствует палеонтологическая летопись, окаменевшие страницы которой постепенно прочитываются учеными.

Аннотация.

Проблема возникновения жизни на Земле издавна не дает покоя многим ученым. С тех пор, как человек начал задаваться вопросом, откуда произошло все живое прошло много лет, и за все это время рассматривалось множество гипотез и предположений о зарождении жизни. Религиозная теория, теория самозарождения, теория панспермии, теория вечного существования жизни... Человечество до сих пор не может до конца разгадать эту загадку. За основную теорию возникновения жизни, тем не менее, принимается теория, предложенная А. И. Опариным в первой половине ХХ века. Она основана на предположении о химической эволюции, которая постепенно переходит к биохимической, а затем -- к биологической эволюции. Образование клетки явилось сложнейшим явлением. Но оно и положило начало развитию жизни и всему ее многообразию.

Итак, с чего же все начиналось?

Введение.

Жизнь заполняет все уголки нашей планеты. Океаны, моря, озера, реки, горы, равнины, пустыни, даже воздух населены живыми существами. Миллиарды лет жизнь шествует по Земле как уникальная самоорганизующаяся система. Она знала периоды расцвета, исторических испытаний и тяжелых кризисов, прежде чем достигла в наши дни своего великолепного богатства. Сегодня науке известно около 4,5 млн. видов животных и растений. Предполагается, что за всю историю жизни на Земле существовало около 4,5 млрд. видов животных и растений.

Как же появились эти виды? Во все ли эпохи истории Земли растительный и животный мир был таким, как сейчас?

Для науки очевидно, что современный животный и растительный мир представляет собой лишь обложку той великой книги, которую изучает палеонтология. Окаменевшие останки живших некогда существ, которые содержатся в земных пластах, записали историю своей эволюции и ее связь с изменениями окружающей среды.

С незапамятных времен происхождение жизни было загадкой для человечества. С момента своего появления благодаря труду человек начинает выделяться среди остальных живых существ. Но способность задавать себе вопрос «откуда мы?» человек получает сравнительно недавно — 7-8 тыс. лет назад, в начале нового каменного века (неолита). Первые примитивные формы веры в нереальные, сверхъестественные или божественные силы, существовавшие уже 35-40 тыс. лет назад, расширяются и укрепляются. Человек понимает, что он смертен, что одни рождаются, а другие умирают, что он создает орудия труда, обрабатывает землю и получает ее плоды. А что же лежит в основе всего, кто первосоздатель, кто создал землю и небо, животных и растения, воздух и воду, день и ночь, и, наконец, самого человека?

1. Различные теории и гипотезы происхождения жизни на Земле.

Первым возникло представление о сотворении мира как о «творческом акте» бога, и этот миф лежит в основе всех религий. В Библии говорится: «В начале Бог создал небо и землю»; на четвертый день Бог распоряжается: «Да произведет вода обильное множество одушевленных гадов, и птицы да летают над землей в небесном просторе». Вторая часть творения: «И создал Бог Человека по своему образу и подобию». И наконец: «Господь Бог создал женщину из ребра, которое взял от человека, и привел ее к человеку» (Бытие, 1:2-31; 2:21-22).

Как сборник различных по времени написания и по содержанию произведений древнееврейской культуры Библия (ее древнейшая часть известна с IX в. до н.э.) заимствовала представления о сотворении мира из древневавилонских и древнеегипетских мифов. Эти мифы — продукт чистой фантастики и мистицизма, но они показывают нам, какими были древние представления о происхождении мира. Впрочем, они властвовали умами людей на протяжении тысячелетий; многие верят в них даже и сегодня.

Древнегреческие философы Милетской школы (VIII-VI вв. до н.э.) принимали идею возникновения живых существ из воды либо из различных влажных или гниющих материалов, что было результатом непосредственного влияния вавилонской культуры. Но еще Фалес (624-547 гг. до н.э.) оспаривал мифологические представления и создал стихийно-материалистическое мировоззрение с элементами диалектики. Согласно Фалесу и его последователям, возникновение живых существ из воды произошло без какого-либо вмешательства духовных сил; жизнь есть свойство материи.

Яркое материалистическое развитие идеи самозорождения живых существ осуществляется позже в трудах Демокрита (460-370 гг. до н.э.) и Эпикура (341-270 гг. до н.э.). По мнению этих философов, возникновение живых существ — естественный процесс, результат природных сил, а не «акта творения» внешних сил.

Аристотель (384-322 гг. до н.э.) признавал бога за высшую форму и перводвигатель. Согласно Аристотелю, организмы могут происходить от организмов, но вместе с тем могут возникать и от неживой материи. Он считает, что материя лишь пассивное начало, возможность, которая может осуществиться только через определенную форму. Бытие содержит внутреннюю цель развития (энтелехию). По Аристотелю, именно энтелехия как целеустремленная внутренняя сущность вдыхает жизнь в материю. Взгляды Аристотеля почти на 2000 лет определяют судьбу идеи о самозарождении жизни.

Только в середине XVII в. тосканский врач Франческо Реди (1626-1698) предпринимает первые опыты по самозарождению. В 1668 г. он доказал, что белые черви, которые встречаются в мясе, являются личинками мух; если мясо или рыбу закрыть, пока они свежие, и предотвратить доступ мух, то они, хотя и сгниют, но не произведут червей.

Сегодня опыты Реди выглядят наивными, но они представляли собой первый прорыв фронта мистических представлений о формировании живых существ.

Почти через 200 лет после Реди в 1862 г. великий французский ученый Луи Пастер (1822-1895) публикует свои наблюдения по проблеме произвольного самозарождения. Он доказывает, что внезапное возникновение («спонтанное самозарождение») микробов в различных видах гниющих настоек или экстрактов не есть возникновение жизни. Гниение и брожение — это результат жизнедеятельности микроорганизмов, чьи зародыши внесены извне. Микробы — сложно устроенные организмы и могут производить себе подобные существа, то есть живое происходит от живого. Как ученый, который доверяет только результатам научных опытов, Пастер не делает глубоких выводов о происхождении жизни. Однако его исследования окончательно разрушили вековые предрассудки о спонтанном самозарождении.

Крушение учения о самозарождении привело некоторых известых ученых к мысли, что жизнь никогда не возникала, а, как материя или энергия, существовала вечно. Согласно этому представлению, «зародыши жизни» блуждают в космическом пространстве до тех пор, пока не попадают на подходящую по своим условиям планету — там они и дают начало биологической эволюции. Эту идею, высказанную еще в V в. до н.э. греческим философом Анаксагором, поддерживали Герман ван Гельмгольц (1821-1894) и Уильям Томсон (позднее лорд Кельвин; 1824-1907).

Гельмгольц говорил, что во Вселенной должно существовать много других миров, несущих жизнь, которые время от времени разрушаются при столкновении с другими космическими телами, а их обломки с живыми растениями и животными рассеиваются в пространстве.

Эта идея была тщательно разработана в 1908 г. шведским химиков Сванте Аррениусом (1859-1927), который назвал свою теорию панспермией. Развивая идеи Гельмгольца и Кельвина, он высказал несколько собственных соображений, предположив, что бактериальные споры и вирусы могут уноситься с планеты, где они существовали, под действием электростатических сил, а затем перемещаться в космическое пространство под давлением света звезд. Находясь в космическом пространстве, спора может осесть на частицу пыли; увеличив тем самым свою массу и преодолев давление света, она может попасть в окрестности ближайшей звезды и бужет захвачена одной из планет этой звезды. Таким образом, живая материя способна переноситься с планеты на планету, из одной звездной системы в другую.

Во второй половине XIX в. также высказывается предположение, что жизнь возникла в первичном океане из неорганического вещества в результате природного процесса.

3 мая 1924 г. на собрании Русского ботанического общества молодой советский ученый А. И. Опарин с новой точки зрения рассмотрел проблему возникновения жизни. Его доклад «О возникновении жизни» стал изходной точкой нового взгляда на вечную проблему «откуда мы пришли?». Пять лет спусля независимо от Опарина сходные идеи были развиты английским ученым Дж. Холдейном. Общим во взглядах Опарина и Холдейна является попытка объяснить возникновение жизни в результате химической эволюции на первичной Земле. Оба они подчеркивают огромную роль первичного океана как огромной химической лаборатории, в которой образовался «первичный бульон», а кроме того, и роль энзимов — органических молекул, которые многократно ускоряют нормальный ход химических процессов. В дополнение к этому Холдейн впервые высказывает идею, что первичная атмосфера на Земле, «вероятно, содержала очень мало или вообще не содержала кислорода».

В 1952 г. Гарольд Юри (1893-1981) самостоятельно пришел к выводу, что атмосфера молодой Земли имела восстановленный характер, то есть к завершению процесса формирования Земля имела сильно восстановленную атмосферу, так как ее основными составляющими были водород и полностью восстановленные формы углерода, азота и кислорода: метан, аммиак и пары воды. Гравитационное поле Земли не могло удержать легкий водород, — и он постепенно улетучился в космическое пространство. Вторичным следствием потери свободного водорода было постепенное окисление метана до диоксида углерода, а аммиака — до газообразного азота, которые через определенное время превратили атмосферу из восстановительной в окислительную. Юри предполагал, что именно в период улетучивания водорода, когда атмосфера находилась в промежуточном окислительно-восстановительном состоянии, на Земле могло образоваться в больших количествах сложное органическое вещество. По его оценкам, океан, по-видимому, представлял тогда собой однопроцентный раствор органических соединений. В результате возникла жизнь в ее самой примитивной форме.

2. Условия возникновения жизни.

Первое необходимое условие возникновения жизни имеет общекосмический характер. Оно связано с единой химической основой Вселенной. Жизнь развивается на этой единой основе, отражающей как количественные, так и качественные особенности отдельных химических эелементов. Это допущение приводит к заключению, что на любой планете во Вселенной, которая похожа на нашу по массе и расположению относительно центральной звезды, может возникнуть жизнь. «Согласно представлениям видного американского астронома Х.Шепли, во Вселенной имеется 108 космических тел (планет или звезд-лилипутов), на которых может возникнуть и существовать жизнь».

Главное условие возникновения жизни имеет планетарную причину и определяется массой планеты, то есть жизнь, подобная земной, могла возникнуть и развиться на планете, масса которой имеет строго определенную величину. Если масса планеты больше чем 1/20 массы Солнца, на ней начинаются интенсивные ядерные реакции, что повышает ее температуру, и она светится, как звезда.

Из планет Солнечной системы кроме Земли подходящую массу имеют Венера и Марс, но там отсутствуют другие условия.

Особенно важным условием возникновения жизни является наличие воды. Значение воды для жизни исключительно. Это обусловлено ее специфиескими термическими особенностями: огромной теплоемкостью, слабой теплопроводностью, расширением при замерзании, хорошими свойствами как растворителя и др. Эти особенности обусловливают круговорот воды в природе, который играет очень важную роль в геологической истории Земли.

Сейчас имеются достаточно интересные сведения о наличии органических соединений во Вселенной. Источники этих сведений — естественные посланцы космоса на Землю, метеориты.

3. Метеориты и облака межзвездной пыли.

Метеориты — это малые космические тела, которые падают на Землю. Они являются осколками астероидов. Масса астероидов обычно превышает 50 кг. По составу различают каменные, железные и железнокаменные метеориты. По особенностям структуры и наличию сферических образований (хондр) некоторые каменные метеориты называются хондритами. Особый интерес представляют углистые хондриты, которые составляют 5% от общего числа метеоритов, ежегодно падающих на поверхность Земли.

Этому есть две причины:

Вероятность того, что при их изучении будут получены данные о добиологической эволюции органических молекул;

Неясность происхождения ряда элементов их структуры — до последнего времени некоторые исследователи считали минеральные образования в хондритах фосфатизированными микроорганизмами.

Эти интересные объекты представляют собой не претерпевшие существенных изменений «обломки протосолнечной туманности». Они считаются первичными, поскольку образовались одновременно с Солнечной системой. Метеориты слишком малы, чтобы иметь собственную атмосферу, но по относительному содержанию нелетучих элементов углистые хондриты весьма сходны с Солнцем. Их минеральный состав свидетельствует о том, что они сформировались при низкой температуре и действию высоких температур никогда не подвергались. Они содержат до 20% воды (связанной в виде гидратов минералов) и до 10% органического вещества.

При исследовании двух метеоритов — первый упал в 1950 году возле Мори (шт. Кентукки, США), а второй — у Мерчисона (шт. Виктория, Австралия) в 1969 году — в их составе обнаружены отдельные аминокислоты — строительный материал белков в живых организмах. В метеорите Мерчисон открыты и жирные кислоты, из которых построены жиры в живых тканях.

Из аминокислот идентифицированы глутаминовая кислота, пролин, глицин, саркозин, аланин, валин и 2-метилаланин, а из жирных кислот — 17 видов.

Жирные кислоты земных организмов имеют четное количество углеродных атомов тогда как жирные кислоты с нечетным количеством атомов углерода нехарактерны для живых тканей на Земле. При химических реакциях, которые осуществляются без участия живых существ или веществ биогенного происхождения, образуется приблизительно равное количество жирных кислот с четным и нечетным количеством атомов углерода. То же показывают и результаты анализа метеорита Мерчисон.

Имеются убедительные свидетельства в пользу того, что аминокислоты и углеводородные соединения в метеорите Мерчисон имеют явно эндогенное происхождение и не являются результатом внешнего загрязнения:

преобладание глицина над другими аминокислотами;

положительные величины показателя 13С;

наличие аминокислот, которые несвойственны белкам.

В период с 1968 по 1970 гг. с помощью радиоспектрометрии были открыты органические молекулы в межзвездном пространстве, что, безусловно, пополнило наши знания об органической химии Вселенной. Были опубликованы первые сообщения об открытии воды, формальдегида и аммиака в отдельных областях нашей Галактики.

Гидроксил ОН, формальдегид Н2СО и окись углерода СО — самые распространенные молекулы в межзвездной среде. Они обнаруживаются повсюду в Галактике, тогда как в отдельных межзвездных областях встречаются и другие соединения. В нашей Галактике существует около 3000 таких туманностей, плотность которых больше плотности межзвездной среды; молекулы здесь возникают чаще. Атомы углерода играют главную роль в образовании органических молекул, которые имеют в живых организмах основное значение.

При таком положении возникновение жизни выглядит неизбежным. В туманностях космического пространства уже при образовании звезд и планет возникают молекулы, которые приводят к формированию более сложных молекул аминокислот, жирных кислот, пуринов, пиримидинов и других главных составных элементов жизни.

4. Химическая эволюция.

Теория химической эволюции — современная теория происхождения жизни — также опирается на идею самозарождения. Однако, в основе ее лежит не внезапное возникновение живых существ на Земле, а образование химических соединений и систем, которые составляют живую материю. Она рассматривает химию древнейшей Земли, прежде всего химические реакции, протекавшие в примитивной атмосфере и в поверхностном слое воды, где, по всей вероятности, концентрировались легкие эелементы, составляющие основу живой материи, и поглощалось огромное количество солнечной энергии. Эта теория пытается ответить на вопрос: каким образом в ту далекую эпоху могли самопроизвольно возникнуть и сформироваться в живую систему органические соединения?

Большинство современных специалистов убеждены, что возникновение жизни в условиях первичной Земли есть естественный результат эволюции материи. Это убеждение основано на доказанном единстве химической основы жизни, построенной из нескольких простых и самых распространенных во Вселенной атомов

Исключительное морфологическое разнообразие жизни (микроорганизмы, растения, животные) осуществляется на достаточно единообразной биохимической основе: нуклеиновые кислоты, белки, углеводы, жиры и несколько более редких соединений типа фосфатов.

Основные химические элементы, из которых посторена жизнь, — это углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор. Очевидно, организмы используют для своего строения простейшие и наиболее распространенные во Вселенной элементы, что обусловлено самой природой этих элементов. Например, атомы водорода, углерода, кислорода и азота имеют небольшие размеры и способны образовывать устойчивые соединения с двух- и трехкратными связями, что повышает их реакционную способность. Образование сложных полимеров, без которых возникновение и развитие жизни вообще невозможны, связано со специфическими химическими особенностями углерода.

Другие два биогенных элемента — сера и фосфор — присутствуют в относительно малых количествах, но их роль для жизни особенно важна. Химические свойства этих элементов также дают возможность образования кратных химических связей. Сера входит в состав белков, а фосфор — составная часть нуклеиновых кислот.

Кроме этих шести основных химических элементов в постороении организмов в малых количествах участвуют натрий, калий, магний, кальций, хлор, а также микроэлементы: железо, марганец, кобальт, медь, цинк и небольшие следы алюминия, бора, ванадия, иода и молибдена. Следует отметить и некоторые исключительно редкие атомы, которые встречаются случайно и в ничтожных количествах.

Следовательно, химическая основа жизни разнообразится еще 15 химическими элементами, которые вместе с шестью основными биогенными элементами участвуют в различных соотношениях в строении и осуществлении функций живых организмов. Этот факт особенно показателен в двух отношениях: 1) как доказательство единства происхождения жизни и 2) в том, что сама жизнь, являющаяся результатом самоорганизации материи, включила в эволюцию биологических макромолекул не только все самые распространенные элементы, но и все атомы, которые особенно пригодны для осуществления жизненных функций (например, фосфор, железо, иод и др.). Как отмечает советский ученый М.Камшилов, «для осуществления функций жизни важны химические свойства ее атомов, к которым, в частности, относятся квантовые особенности». Не только структура, обмен веществ, но даже и механические действия живых организмов зависят от составляющих их молекул. Это, однако, не означает, что жизнь может быть сведена просто к химическим закономерностям.

Жизнь — одно из сложнейших, если не самое сложное явление природы. Для нее особенно характерны обмен веществ и воспроизведение, а особенности более высоких уровней ее самоорганизации обусловлены строением более низких уровней.

Современная теория происхождения жизни основана на идее о том, что биологические молекулы могли возникнуть в далеком геологическом прошлом неорганическим путем. Сложную химическую эволюцию обычно выражают такой обобщенной схемой: атомы простые соединения простые биоорганические соединения макромолекулы организованные системы. Начало этой эволюции положено нуклеосинтезом в Солнечной системе, когда образовались основные элементы, в том числе и биогенные. Начальное состояние — нуклеосинтез — быстро переходит в процесс образования различных по сложности химических соединений. Этот процесс протекает в условиях первичной Земли со все нарастающей сложностью, обусловленной общекосмическими и конкретными планетарными предпосылками.

5. Синтез органических молекул.

Издавна было известно, что химики могут синтезировать органические вещества, но идея постановки отдельных опытов по синтезу органических веществ путем воспроизведения условий первичной Земли представлялась не менее фантастичной, чем многие гипотезы. Разумеется, никто не считает, что можно точно воспроизвести условия гигантской естественной химической лаборатории, какой была Земля 4,5 - 5 млрд. лет назад. Речь идет о приблизительном моделировании теоретически предполагаемых условий первичной Земли: бескислородная атмосфера, наличие исходных химических соединений: метана, воды, аммиака и источника (источников) энергии.

Первый целенаправленный опыт по синтезу органических молекул, пригодных для развития жизни, из предполагаемых исходных компонентов ранней земной атмосферы был проведен В.Гротом и Х.Зюссом в 1938 году. После облучения ультрафиолетовыми лучами газовой смеси СО2 и Н2О они получили формальдегид и глиоксал. По мнению Грота и Зюсса, результаты этих опытов объясняют образование некоторых органических соединений, «которые, вероятно, были необходимой предпосылкой эволюции органической жизни».

Позже У. Харрисон, М. Кальвин и другие (1951) подвергают экспериментальной проверке идеи Опарина и Холдейна. Они облучали -частицами водные растворы, содержащие ионы двухвалентного железа, которые находились в равновесии с газовой смесью двуокиси углерода и водорода. Получены формальдегид, муравьиная и янтарная кислоты.

В 1953 году Стэнли Миллер, аспирант-астрофизик знаменитого Г. Юри в Чикагском университете проводит опыт, который позже был назван классическим. Газовая смесь метана, аммиака, водяных паров и водорода (доступа свободного кислорода в колбу не было) подвергалась Миллером воздействию сильных электрических разрядов, при этом получались аминокислоты, сахара и ряд других органических соединений. Огромное значение опыта Миллера состоит в доказательстве возможности неорганического пути образования белковоподобных молекул в условиях первичной Земли.

Опыт Миллера обогатил науку и послужил сильным толчком к новым исследованиям. Т. Павловская и А. Паскинский в Институте биохимии АН СССР своими опытами и термодинамическими расчетами доказали возможность образования сложных органических веществ в условиях первичной Земли. А.Уилсон, добавляя серу к исходной смеси Миллера, получил крупные полимерные молекулы с 20 и более атомами углерода. С. Поннамперума использовал в опытах ультрафиолетовую лампу как источник энергии — ведь в условиях молодой Земли ультрафиолетовое излучение давало основную энергию. Поннамперума сумел получить не только аминокислоты и пурины (строительные блоки соответственно для белков и нуклеиновых кислот), но и синтезировал эти молекулы в полимеры. С.Фокс из Института молекулярной эволюции в Майами синтезировал почти все аминокислоты, без которых жизнь была бы невозможна. Фокс «сварил» из аминокислот так называемые «термические протеноиды», близкие по составу к белкам. При этом протеноиды превратились в приготовленном Фоксом бульоне в тонкие капли, подобные коацерватам Опарина. Именно с таких образований началась, согласно Опарину, жизнь на Земле.

Список экспериментальных исследований очень велик. Основные их результаты показывают, что химическая эволюция не плод досужего ума, а закономерный естественный процесс, который закладывает основы жизни.

6. Геологические условия на первичной Земле.

Первые препятствия, которые встретились на пути развития органических молекул, это новые условия на молодой Земле. Наряду с влиянием космических факторов (жизнь от своего возникновения до настоящего времени еще откликается на солнечные бури!) появляются новые специфические планетарные факторы: развитие литосферы, атмосферы и гидросферы.

Это было не только простым препятствием перед ранней эволюцией; жизнь сама создала область своего существования — биосферу. Некоторые специалисты правомерно считают, что родоначальником жизни был не первый организм, а первая биосфера. «Жизнь не есть внешне случайное явление на земной поверхности, — пишет видный советский ученый академик В.И.Вернадский. — Она связана теснейшим образом со строением земной коры, вмешивается в ее механизм и выполняет функции величайшего значения в этом механизме». В своей миллиардолетней истории организмы связаны сложной цепью взаимодействия между собой и в то же время как целое и как отдельные единицы находятся в тесном взаимодействии с Землей: земной поверхностью, водными бассейнами, воздухом. С момента своего возникновения живые организмы начинают играть исключительно важную и разнообразную геологическую роль. Они выступают не только как великие конструкторы, но и как замечательные двигатели и регуляторы ряда сложных геологических и геохимических процессов.

Земля как отдельная планета образовалась на первом, космическом, этапе химической эволюции. На нем создается первый уровень организации в сложной системе Земли. Этот этап продолжался около одного миллиарда лет. Второй этап тесно связан с космическим, от которого его трудно отделить. В начале этого этапа (первые 100 миллионов лет) Земля образует более 80% своей массы. Этот этап не просто время, а в полном смысле слова знаменательная эпоха, когда образуются первые минералы, первые слои и формируется макроструктура планеты с ее геосферами.

Итак, земная кора уже твердая, но все еще тонкая и подвержена размягчению в отдельных областях вследствие тектонических напряжений. Она состоит главным образом из соединений кремния, алюминия, железа, кальция, магния, натрия, калия, а также ряда малозначимых соединений, в том числе и органических веществ. В мантии под корой вследствие гравитационного разделения накапливаются преимщественно силикаты железа и магния.

Роль земной коры для молекулярной эволюции очень велика. Из нее организмы черпают металлы и другие неорганические и органические компоненты, необходимые для построения тела и обмена веществ.

Земная кора дает опору жизни, но ее колыбелью становятся первые водные бассейны. Действительно, существуют некоторые гипотезы, согласно которым жизнь возникла не в водном бассейне, а на земной поверхности в пыли, образованной микрометеоритным «дождем».

Жизнь, такая, как мы ее знаем, не могла возникнуть без свободной воды. Для живой материи необходима именно свободная, а не связанная в гидраты вода или лед, которые обнаруживаются в метеоритах или на жругих планетах.

Наличие воды в телах организмов указывает на ее огромное значение для жизненных процессов. Низшие организмы содержат 95-99% воды, а высшие — 75-80%. При уменьшении ее количества до определенного уровня наступает смерть.

Трудно описать состояние гидросферы в первые 100-200 миллионов лет существования Земли. По мнению многих, на молодой Земле было около одной десятой массы воды, содержащейся в современном океане. Остальные девять десятых образовались позже за счет дегазации внутренних частей Земли. Именно в результате выделения газа и пара из мантии сформировались гидросфера и атмосфера. В веществе мантии содержится 0,5% воды, но даже 10% этого количества достаточно для образования всего сегодняшнего объема океана. Вероятно, океанская вода с самого начала была соленой. При дегазации вещества мантии воды насыщались анионами хлора, брома и других элементов, а также СО2, H2S, SO2. Это создавало легкий кислотный характер праокеану, который нейтрализовался за счет щелочных компонентов, вызываемых дождями из базальтовой коры и выносившихся реками в океан. Это катионы натрия, магния, кальция, калия и других элементов.

Ранняя эволюция гидросферы (океаны, моря, континентальные бассейны) протекала при отсутствии газообразного кислорода. В этих условиях и при наличии бескислородной атмосферы могли возникнуть только анаэробные организмы.

Океанологи установили, что органическое вещество встречается во взвешенном состоянии в виде отдельных частиц гораздо чаще, чем считалось раньше. Полагают, что основную роль в формировании таких скоплений органических веществ играет образование пены в океане. Органические вещества образуют тонкую мономолекулярную пленку на поверхности океана, которая разрушается волнами. Взбитые этими волнами они приобретают сферическую форму и падают снова в воду, при этом они могут погрузиться на некоторую глубину и сохраняться там в виде мелких коацерватных капель.

Коацерватную гипотезу развил в 1924 году Опарин. Коацервация — это самопроизвольное разделение водного раствора полимеров на фазы с различной их концентрацией. Коацерватные капли имеют высокую концентрацию полимеров. Часть этих капель поглощали из среды низкомолекулярные соединения: аминокислоты, глюкозу, примитивные катализаторы. Взаимодействие молекулярного субстрата и катализаторов уже означало возникновение простейшего метаболизма внутри протобионтов («протобионты» по терминологии Опарина — первые белковые структуры). Обладавшие метаболизмом капли включали в себя из окружающей среды новые соединения и увеличивались в объеме. Когда коацерваты достигали размера, максимально допустимого в данных физических условиях, они распадались на более мелкие капельки, например, под действием волн. Мелкие капельки вновь продолжали расти и затем образовывать новые поколения коацерватов.

Постепенное усложнение протобионтов осуществлялось отбором таких коацерватных капель, которые обладали преимуществом в лучшем использовании вещества и энергии среды. Отбор как основная причина совершенствования коацерватов до первичных живых существ — центральное положение в гипотезе Опарина.

Образование коацерватных капель в мономолекулярном слове липидов на границе «воздух-вода» под действием волн.

Процесс концентрации органических веществ может происходить при отливах, испарении воды в лагунах, а также при волнении (как отмечено выше). Научные данные все больше подтверждают, что жизнь возникла не в открытом океане, а в шельфовой зоне моря или в лагунах, где были наиболее благоприятные условия для концентрации органических молекул и образования сложных макромолекулярных систем.

7. Эволюция углеродных соединений на первичной Земле.

Биохимическая эволюция начинается с момента образования земной коры, то есть около 4,5 млрд. лет назад. Ее корни уходят в ранний космический этап химической эволюции. Находки древнейших молекулярных ископаемых возрастом 3,5-3,8 млрд. лет показывают, что биохимическая эволюция, которая привела к образованию первой клетки, продолжалась около миллиарда лет. Образование клетки и было самым трудным на этом долгом пути.

Как уже отмечалось, исходный материал для биохимической эволюции был заготовлен раньше, на космическом этапе развития и в начале формирования первичных литосферы, гидросферы и атмосферы. Для этого имелось достаточно источников энергии: солнечное излучение, тепловая энергия земных недр, высокоэнергетическая радиация, электрические разряды (молнии и гром, при котором возникают сильные ударные волны). Вероятно, тогда же и возникли основы естественного отбора важных биохимических молекул.

Имевшееся количество химических элементов и наличие мощных источников энергии приводят к образованию огромного количества молекул. Путем конденсации (концентрации) этих простых молекул (метан, аммиак, вод а др.) образуются основные биохимические молекулы: некоторые аминокислоты, являющиеся основой белков; некоторые органические основания, такие, как аденин, которые являются компонентами нуклеиновых кислот; некоторые сахара, например рибоза, и их фосфаты; простые азотосодержащие молекулы, например порфирины, которые являются важным компонентом ферментов (энзимов) и т.п. На следующем этапе происходит укрупнение молекул и формирование сложных макромолекул, важнейших компонентов так называемого «первичного бульона», в котором происходит полимеризация и связывание низкомолекулярных соединений в высокомолекулярные. Такие сложные макромолекулярные соединения, называемые пробионтами, имеют открытую пространственную структуру, что обеспечивает их рост, а также разделение на дочерние образования под действием механических сил. На этом этапе, когда возникают биологические полимеры, по-видимому, появился и механизм идентичного воспроизведения (репликация), который является основной чертой жизни.

Установлено, что способность к самовоспроизведению живых организмов основана на репликации нуклеиновых кислот, при которой происходит не только образование новых молекул, но и их разделение. Добиологический часто химический этап переходит в этап самоорганизации, на котором возникают самовоспроизводящие сложные молекулярные комплексы. Эти макромолекулярные комплексы дают начало жизни. Граница между двумя этапами — этапом чисто химической эволюции и этапом самоорганизации биологических макромолекул — весьма условна и не фиксирована во времени.

Как полагает Опарин, с появлением самовоспроизведения органических молекул началась биологическая эволюция. При этом произошло объединение двух важных свойств: способности к самовоспроизводству полинуклеотидов и каталитической активности полипептидов. Наилучшие перспективы сохраниться в предбиологическом отборе имели эти ультрамолекулярные системы, в которых обмен веществ сочетался со способностью к самовоспроизведению.

На этом этапе эволюционные процессы привели к образованию нового типа взаимосвязи, необходимого для дальнейшего развития и воспроизводства. Чтобы уяснить значение этого типа связи в природе, необходимо ввести два основных понятия — информация и инструкция: инструкция «от кого» и информация «для кого». Необходимо сказать несколько слов о информации.

Современная теория информации рассматривает проблему переработки информации, а не ее «производства». Информация должна передаваться в строго определенной форме. Она может быть записана соответствующим кодом и при передаче по каналам сопровождается шумом, который необходимо отфильтровывать в приемном устройстве. Современная теория информации, основываясь на данных палеонтологии, геологии, физики, считает, что нарастание структурной сложности и информационной насыщенности есть важнейшая черта эволюционного прогресса.

«От кого» и «для кого»? Эти два вопроса касаются взаимодействия нуклеиновых кислот и белков как важнейших компонентов жизни. В своей книге о химической эволюции М. Кальвин отмечает, что существующий в настоящее время набор компонентов белка был предопределен в самом начале эволюции исходным набором аминокислот. Этот набор аминокислот в белке обусловлен определенной последовательностью в строении нуклеиновых кислот. Нуклеиновые кислоты и белки выполняют три исключительно важные функции: самовоспроизведение, сохранение наследственной информации и передачу этой информации в процессе возникновения новых клеток. Следовательно, нуклеиновые кислоты и белки тесно взаимодействуют при воспроизводстве. А что возникло раньше: нуклеиновая кислота или белок? Новый вариант старого вопроса о курице и яйце.

Этот вопрос созникает как барьер перед стремлением объяснить возникновение жизни. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) вместе с рибонуклеиновой кислотой (РНК) ответственна за синтез белка. Вспомним одно из центральных положений молекулярной биологии: ДНК РНК белок. Из этого положения, описывающего химический процесс белкового синтеза, некоторые исследователи делают вывод, что «пра-ДНК, вероятно, и была первым организмом на Земле». Но ДНК беспомощна без белка, и в этом причина нежизненности гипотезы о пра-ДНК. «Начало жизни в виде одинокой молекулы ДНК на берегу первичного океана, — пишет Бернал, — еще менее правдоподобно, чем в виде Адама и Евы в райских кущах».

В понимании вопроса о происхождении жизни понятия «нуклеиновая кислота» и «белок» можно заменить понятиями «информация, содержащая инструкцию» и «функция». Тогда вопрос «что первично?» становится абсурдным, так как не может осуществиться определенная функция, если нет информации. А «информация» приобретает смысл только через функцию, которую она кодирует. Поэтому в живой природе естественный отбор направлен в конечном счете к сохранению полезной для организма функции.

«Такую систему (информация — функция), — пишет М. Эйген, — можно сравнить с замкнутым узлом. Хотя и очевидно, что нить, из которой образован узел, где-то должна начинаться, начальная точка теряет свое значение, поскольку узел замкнут. Взаимоотношения нуклеиновых кислот и белков соответствуют сложной иерархии «замкнутого узла».

В процессе развития пробионтов зародилась способность передачи информации. Она обеспечила огромные преимущества своим носителям — сложным макромолекулярным комплексам. В дальнейшем эта способность приводит к образованию огромной информационной насыщенности живой клетки, что обеспечивается тонкими механизмами, сформировавшимися в процессе эволюции. При этом запись информации происходит на атомном уровне. В исключительно малом пространстве (например, диаметр сперматозоида составляет около 0,1 мм) может быть записано огромное количество информации. Эта информация включает мельчайшие подробности, даже такие, по словам Дж. Уотсона, как «присущая нам способность развлекать окружающих».

Основные черты, приобретенные в результате каким-либо организмом в результате долгой предшествующей эволюции, записаны в его наследственной программе. Издавно известно, что основная часть генетической информации содержится в тонких нитевидных телах — хромосомах, имеющихся внутри клетки. В 1950-е годы было установлено, что важнейшая часть хромосом состоит из ДНК. По-видимому, генетическим материалом всех живых организмов является ДНК, за исключением некоторых вирусов, которые содержат исходную РНК. Не известны случаи, когда бы генетическим материалом служили иные молекулы, кроме нуклеиновых кислот.

Рентгеноструктурные исследования М. Уилкинса, и особенно работа Дж. Уотсона и Ф. Крика, раскрыли структуру ДНК. Она представляет собой длинную цепь повторяющихся последовательностей: сахар-фосфат-сахар-фосфат-сахар-фосфат... и так далее. К каждому сахару (называемому еще дезоксирибозой) присоединена плоская циклическая группа азотосодержащего соединения, называемого азотным основанием. Это пурины, имеющие двойное углеродно-азотное кольцо, и пиримидины, имеющее одно такое кольцо. Чаще всего встречаются пурины — аденин (А) и гуанин (Г) — и пиримидины — тимин (Т) и урацил (У). Генетическая информация передается посредством чередования в определенной последовательности этих четырех оснований. Следовательно, всякая наследственная информация записана языком, содержащим всего четыре буквы. Не беден ли этот язык? Если посмотреть на окружающий мир, полный разнообразия и красоты, можно убедиться, что он не препятствует разнообразию жизни, но обеспечивает стабильность. Чтобы код легко и быстро «прочитывался» клеткой без больших энергетических затрат, он должен быть основан на малом числе букв. В процессе эволюции образовался именно такой генетический код. Несмотря на свою «скромность», он несет огромную информацию.

Вся молекула ДНК закручена в форме двойной спирали. Две цепи спирали соединены водородными связями, образуя так называемые комплементарные (дополнительные) половины, которые можно сравнить с объединенными негативом и позитивом. Это дает возможность генам при удвоении образовывать дополнительные негативные копии, форма которых относится к исходному «позитиву» как ключ к замку. Этот дополнительный «негатив» служит матрицей (шаблоном) при образовании новых позитивных копий. Так формируются две пары одинаковых цепей там, где ранее была только одна. Этот процесс копирования, по-видимому, характерен для любого организма.

В осуществлении разнообразия химических реакций в живой материи кроме нуклеиновых кислот участвует и другая большая группа молекул — белки.

Белки состоят из 20 видов аминокислот, которые соединяются друг с другом в так называемую полипептидную цепь.

Способность белков образовывать сложные структуры позволяет им обеспечивать тонкое регулирование биохимических реакций. Они обладают колоссальным функциональным разнообразием и огромной способностью к распознаванию.

Рассмотрим некоторые основные положения генетического кода. Можно ли с помощью четырех элементов (четырех оснований ДНК) управлять последовательностью 20 аминокислот в белке? Результаты исследований показывают, что любая аминокислота записывается (кодируется) комбинацией трех оснований, так называемым триплексным кодом. Так, например, фенилаланин кодируется тройкой УУУ — последовательностью из трех урацилов. Сама ДНК, являющаяся ядром кода, участвует в синтезе белка не непосредственно, а косвенно через РНК двух видов: матричную или информационную (иРНК) и транспортную (тРНК). Они способны строить не просто случайные сочетания аминокислот, а упорядоченные полимеры белков. Возможно, первичные рибосомы состояли только из РНК. Такие безбелковые рибосомы могли синтезировать упорядоченные пептиды при участии молекул тРНК, которые связывались с иРНК через спаривание оснований. Молеку-

ла РНК воспроизводит генетический код, записанный в ДНК, и переносит запись к находящимся в цитоплазме рибосомам. Это субмикроскопические внутриклеточные частицы, в которых происходит «сборка» белков из аминокислот. Генетический код един для всех живых организмов.

Предполагается, что первоначально код был более примитивным, однако он совершенствовался в процессе эволюции путем естественного отбора, то есть согласно биологическим закономерностям. Поэтому универсальность кода объясняется не тем, что другой код не может существовать по химическим причинам, а тем, что всякое его изменение было бы летальным. Известно, что генетическая информация записывается на атомном уровне и любая «ошибка» даже в несколько атомов может привести к гибельным последствиям. Изящная двойная спираль молекулы ДНК чрезвычайно тонка (10 атомов в поперечном направлении), но от нее зависит жизнь.

С образованием сложных ультрамолекулярных систем (нуклеиновые кислоты, белки, в том числе ферменты) и механизма идентичного воспроизведения (генети-ческого кода) загорается заря жизни на Земле. В начале следующео этапа, который невозможно точно отграничить, образуются биологические мембраны-органеллы, ответственные за форму, структуру и активность клетки. Биологические мембраны построены из агрегатов белков и липидов, способных отграничить органическое вещество от среды и служить защитной молекулярной оболочкой. Предполагается, что образование мембран могло начаться еще в процессе формирования коацерватов. Но для перехода от коацерватов к истинной живой материи были необходимы не только мембраны, но и катализаторы химических процессов — ферменты (энзимы). Предбиологический отбор коацерватов усиливал накопление белковоподобных полимеров, ответственных за ускорение химических реакций. Результаты отбора фиксировались в строении нуклеиновых кислот. Система успешно (осмысленно) работающих последовательностей нуклеотидов в ДНК усовершенствовалась именно путем отбора. Возникновение самоорганизации зависело как от исходных космическимх (химических) предпосылок, так и от конкретных условий земной среды. Самоорганизация возникла как реакция на определенные условия.

Предбиологический этап — химический и может быть описан принципами квантовой механики. Для него характерно дивергентное (разнонаправлен-ное) развитие. При этом «отсеивалось» множество различных неудачных вариантов, до тех пор пока основные черты строения нуклеиновых кислот и белков не получили отличную «оценку» естественного отбора. Возможно, существовали и другие варианты, при реализации которых жизнь приобрела бы другие черты.

Генетический код сформировался, по-види-мому, на последнем этапе эволюции фазово-обособ-ленных органических сис-тем (пробионтов). Эти системы приобрели способность совершенствовать свою организацию путем предбиологическо-

го отбора самих систем, а не только отдельных молекул. Это был уже следующий уровень биохимической эволюции, который обеспечивал как постоянство пространственной и динамической структуры ультрамолекулярных систем, так и возрастание их информационных возможностей. Вероятно, тогда же было положено начало специализации двух видов нуклеиновых кислот — ДНК и РНК. ДНК обозначилась как главный «программист и инспектор» молекулярного самовоспроизведения. РНК приняла на себя роль «информатора» и переносчика генетической программы. Ряд ученых считают, что первые формы нуклеиновых кислот были представлены РНК-подобными полимерами, которые сочетали в себе способность как накапливать и передавать генетическую информацию, так и участвовать в синтезе белков. Разделение функций между двумя видами нуклеиновых кислот открыло новые горизонты перед эволюцией. «В процессе эволюции пробионтов, — пишет Опарин, — было испробовано и отвергнуто не меньше, а, возможно, и значительно больше вариантов организации, чем, например, ступеней между плавниками акулы и человеческой рукой».

После образования генетического кода эволюция становится темой с вариациями. Чем дальше она продвигается во времени, тем многочисленнее и сложнее вариации. Однако эволюция еще в самом начале. Минуло 1-1,2 млрд. лет со времени образования Земли. Пробионты, бесспорно, развивались в анаэробной среде. Они использовали для своего роста готовые органические соединения, синтезированные в ходе химической эволюции, то есть были гетеротрофными. Пробионты нуждались в различных химических соединениях — нуклеотидах, аминокислотах идр. Если бы пробионты отдали себя на консумацию, ничего не производя, то органические вещества были бы быстро исчерпаны. Пробионты обладали слишком ограниченными возможностями (низкая степень генетической информации), чтобы легко справляться с возникающими препятствиями в условиях, когда они обеспечивали свое существование путем диффузии. Невозможно представить, чтобы жизнь на этом раннем этапе существовала в форме одного вида организмов: он бы быстро исчерпал свой «первичный бульон». Как показала последующая эволюция, пробионты избрали путь с оптимистическими перспективами. На первой ступени проявилась тенденция к приобретению большого разнообразия свойств, в первую очередь к возникновению способности синтезировать органические вещества из неорганических соединений с использованием солнечного света, то есть к возникновению автотрофного питания. Множество вариантов было «перепробовано» перед тем, как достигнуть весьма важного результата — появления органелл. К ним относятся: митохондрии, отвечающие за метаболизм клетки; хлоропласты, осуществляющие фотосинтез; рибосомы — место, где совершается процесс синтеза белка по инструкции ДНК; хроматин и поздний его аналог хромосомы, которые отвечают за точную передачу наследственных черт. Дж. Бернал логично допускает, что до обособления клетки органеллы прошли стадию самостоятельной жизни.

В свое время Холдейн высказал предположение, что бактериофаги и другие вирусы являются, по-видимому, связующим звеном между преджизнью (пробион-тами) и жизнью. Но вирус не организм, он не имеет собственного обмена веществ и может размножаться только при попадании в клетку. Это, очевидно, дегенерировавшие (вторично упрощенные) формы, которые во многих отношениях похожи на

Примитивнейшими свободно живущими организмами являются так называемые микоплазмы. Они имеют элементы, которые обнаружены в клетках, но в чрезвычайно упрощенном виде. Это может указывать на примитивность, но также может быть следствием вторичной дегенерации, связан-

В 1977 году американский биохимик К. Воуз широко оповестил о результатах одного своего исследования, которые объявил открытием первой формы жизни. В горячих (65-70С) источниках Йеллоустонского парка он обнаружил микроорганизмы, которые поглощают двуокись углерода и водорода и выделяют метан. Так как сегодня известны две основные формы жизни — растения и животные, то метанопроизводящие организмы были объявлены третьей ее формой. А в сущности, третья ли это форма жизни или первая, которая позже дала начало другим.

В настоящее время общепринято, что пробионты имели черты йеллоустонских метанопроизводящих «бактерий» и жили без кислорода, с помощью ферментации. Открытие Воуза бесспорно в отношении развития метанопроизводящих микроогранизмов. Но являются ли они представителями первых организмов или представляют собой результат вторичного приспособления и дегенерации бактерий, не известно.

Многие специалисты скептически приняли сообщение К. Воуза не из-за традиционного недоверия к сенсации, а потому, что известно много современных анаэробных бактерий, которые живут за счет различных видов ферментации, фотосинтеза или химических процессов. К. Гробштейн, американский биолог и биохимик, приводит характерные примеры приспособления бактерий к горячим (до 80С) растворам путем последовательной «колонизации» различными поколениями отдельных температурных зон, начиная от 30 и до 80С.

Заключение.

Очевидно, истинная жизнь начинается с появления клетки. Биологические мембраны помогают объединению отдельных органелл (мембранные органеллы и органеллы-частицы) в единое целое. Образуется истинная основа жизни, знаменующая собой скачок в эволюции. Очевидно, первые клетки примитивны, они не имеют ядра (прокариоты). В настоящее время таковы бактерии и некоторые другие микроорганизмы. Они появились около 3,2-3,5 млрд. лет назад. Затем началось развитие клетки с ядром (эукариоты), содержащим хромосомы — органеллы, которые хранят с помощью ДНК и передают наследственные черты клетки.

Первые клетки были прообразом всех живых организмов: растений, животных, бактерий. Позже, в процессе эволюции, под воздействием дарвиновских законов естественного отбора клетки совершенствуются, вслед за прокариотами и эукариотами отделяется третья категория — специализированные клетки высших многоклеточных, растений и животных — метафитов и метазоа.

Сложные процессы химической эволюции, которая переходит в биохимическую и биологическую эволюцию, могут быть выражены в виде простой схемы: атомы простые молекуы сложные макромолекулы и ультрамолекулярные системы (пробионты) одноклеточные организмы.

Первый шаг сделан. Это было самым трудным. На этапе предбиологической эволюции «испробовано» множество вариантов дальнейшего развития исходных углеродных соединений. Начало можно представить как сложное переплетение различных дорог, которые постепенно расходятся, а жизнь избирает один путь. Другие остаются дорогами никуда.

Список использованной литературы.

1. Голдсмит Д., Оуэн Т. «Поиски жизни во Вселенной», М., 1983 г.

2. Кальвин М. «Химическая эволюция», М., Мир, 1971 г.

3. Николов Т. «Долгий путь жизни», М., Мир, 1986 г.

4. Поннамперума С. «Происхождение жизни», М., Мир, 1977 г.

5. Фокс С., Дозе К. «Молекулярная эволюция и возникновение жизни», М., Мир, 1975

6. Хоровиц Н. «Поиски жизни в Солнечной системе», М., Мир, 1988 г.

7. Шкловский И. С. «Вселенная. Жизнь. Разум», М., Наука, 1987 г.

8. Югай Г. А. «Общая теория жизни», М., Мысль, 1985 г.

Основные пути эволюции растений, животных и человека.

Происхождение жизни на Земле.

Проблема происхождения жизни относится к наиболее интересным и в то же время наименее исследованным вопросам. Эта тайна тайн еще не разгадана и вряд ли когда-нибудь можно будет с полной уверенностью, однозначно сказать, что жизнь возникла так, а не иначе. Наши суждения всегда будут характеризоваться неполной доказуемостью, большой долей предположений и слабой проверкой получаемых данных. Существует множество догадок и суждений, касающихся происхождения жизни на земле. Рассмотрим основные.

Теория креационизма – жизнь была создана Творцом в определенное время. Согласно креационизму (от лат. сreacio – создание) возникновение жизни относится к определенному событию в прошлом, которое можно вычислить. Так, в 1650 г. архиепископ Ашер из Ирландии вычислил, что Бог сотворил мир в октябре 4004 г до н.э., а в 9 часов утра 23 октября и человека. Эти числа он получил из анализа возрастов и родственных связей всех упоминаемых в библии лиц. Однако к тому времени на Ближнем Востоке была уже развита цивилизация, что доказывается археологическими раскопками. Впрочем, вопрос сотворения мира и человека не закрыт, поскольку толковать тексты библии можно по-разному.

Теория спонтанного зарождения жизни существовала в Вавилоне, Египте и Китае как альтернатива креационизму. На протяжении многих веков люди верили в самопроизвольное зарождение жизни, считая его обычным способом появления живых существ из неживой материи. Например, Аристотель писал, что лягушки и насекомые заводятся в живой земле. Анаксимандр считал, что жизнь зародилась из морского ила. Гельмонт придумал рецепт получения мышей из пшеницы и грязного белья. С распространением христианства идеи самозарождения были объявлены ересью, и долгое время о них не вспоминали.

В 1688 г. флорентийский биолог и врач Франческо Реди установил, что маленькие белые червячки, появляющиеся на гниющем мясе, это личинки мух. Он произвел опыт, который нанес теории самопроизвольного зарождения жизни первый ощутимый удар. Реди поместил мертвых змей в стеклянные банки. Часть оставил открытыми, а часть закрыл кисеей. Вскоре, в открытых банках появились личинки мух, а в закрытых нет. Он же и сформулировал принцип: Omne vivum e vivo (все живое из живого). Теория биогенеза порождает проблему. "Если для возникновения живого организма необходим другой живой организм, то откуда взялся самый первый живой организм?"

Еще одним доказательством несостоятельности теории самопроизвольного зарождения жизни были опыты Луи Пастера (1860 г.) Он показал, что бактерии могут быть везде и могут заражать неживые вещества. Для избавления от них необходима стерилизация (пастеризация).

Теория панспермии (возможность переноса жизни во вселенной с одного космического тела на другие) не предоставляет никакого механизма для первичного возникновения жизни и переносит проблему в другое место Вселенной. Швед А. Аррениус считал, что "семена жизни" могли быть заброшены на Землю с других планет. 0ни могут передвигаться с метеоритами или на частицах космической пыли, однако трудно объяснить, как микроорганизмы способны сохранить свою жизнеспособность при столь длительных путешествиях, будучи не защищенными от ультрафиолетового излучения. И опять же, как зародилась жизнь на другом космическом теле, с которого "эмигрировали" эти споры?

В конце 60-х годов возобновилась популярность этой теории. Это было связано с тем, что при изучении метеоритов и комет были обнаружены многие «предшественники живого» – органические соединения, синильная кислота, вода, формальдегид, цианогены. В 1975 г в лунном грунте и метеоритах были найдены предшественники аминокислот. Сторонники панспермии считают их «семенами, посеянными на Земле».

Теория А.И. Опарина. В 1924 г. советский ученый А.И. Опарин опубликовал работы, в которых изложил представления о том, как могла возникнуть жизнь на Земле ("От разрозненных элементов к органическим соединениям" и "От органического вещества к живому существу"). Он полагал, что органические вещества (углеводороды) могли создаваться в океане из более простых соединений. Энергию для этих реакций синтеза, вероятно, доставляла интенсивная солнечная радиация (ультрафиолет), падавшая на Землю до того, как образовался озоновый слой, который затем стал задерживать большую ее часть. По мнению Опарина, (1) разнообразие находившихся в океане простых соединений, (2) площадь поверхности Земли, (3) доступность энергии и (4) масштабы времени позволяют предположить, что в океане постепенно накопились органические вещества и образовался «первичный бульон» – коацерватный раствор , в котором и могла возникнуть жизнь.

Момент перехода от неживого к живому является решающим с методологической и философской точки зрения. По Опарину жизнь возникает на уровне многомерных структур – коацерваты в «момент выпадения геля или образования первородного студня». С некоторыми оговорками можно считать этот впервые возникший кусочек органической слизи первичным организмом. В этом суть теории Опарина.

Сходные мысли высказал в 1928 г. английский биолог Дж. Холдейн (до перевода работ Опарина на английский язык). Он считал, что земная атмосфера была и до возникновения жизни богата двуокисью углерода. В качестве одного из важнейших факторов для возникновения жизни он считал ультрафиолетовое излучение Солнца. Под воздействием этого вида энергии в первичной атмосфере Земли формировались самые различные органические соединения. Среди них могли быть сахара и некоторые из аминокислот, необходимые для построения белка. Первые живые существа по Холдейну были, возможно, огромными молекулами.

В 1953 г. Стэнли Миллер создал прибор, с помощью которого можно было в миниатюре воспроизвести условия, существовавшие на первобытной Земле, в том числе ее океан и первичную атмосферу. Атмосферой в модели служила смесь газообразного водорода, аммиака, метана. В камеру были вмонтированы электроды для получения электрических зарядов, имитирующих молнии – возможный источник энергии для химических реакций на первобытной Земле. Потребовалась всего неделя, что бы в экспериментальной установке обнаружилось много различных органических соединений. Особенно интересным было то, что в этой смеси обнаружились предшественники некоторых аминокислот. Итак, опыт Миллера доказал, что органические вещества могли образоваться на первобытной Земле без участия живых организмов. В отсутствии кислорода, который мог бы их разрушить, а также бактерий и грибов, которые использовали бы их в качестве пищи, эти вещества действительно должны были накапливаться в первобытном океане до консистенции бульона.

Сидней Фокс также провел интересные эксперименты. Он нагрел сухую смесь аминокислот и получил цепи из аминокислот, которые были названы протеиноиды (т.е. белковоподобные вещества). Смешанные в воде разные виды полимеров могли объединиться и образовать более крупные структуры. На первобытной Земле образование таких соединений могло происходить в лужах, оставшихся после отлива, когда в жаркие солнечные дни вода в них испарялась. Некоторые протеиноиды способны катализировать определенные химические реакции. Возможно, именно эта способность была главной чертой, определившей их последующую эволюцию вплоть до возникновения настоящих ферментов.

Теория Опарина получила признание во всем мире, но осталось неясным, как от сложных органических веществ перейти к простым живым организмам. До сих пор единого взгляда на этот вопрос нет. Большинство мнений сводится к признанию этого процесса случайным – т.е. в результате взаимодействия простейших веществ вдруг образовалась молекула, способная размножаться. Так считал и известный американский генетик, лауреат Нобелевской премии 1937 г. Герман Меллер . По Меллеру жизнь возникла в форме гена – элементарной единицы наследственности – путем случайного сочетания атомных групп и молекул, встречающихся в водах первичного океана. Однако, в 1966 г. немецкий биохимик Шрамм подсчитал вероятность случайного сочетания 6000 нуклеотидов, образующих РНК вируса табачной мозаики и получил фантастическое число – 1/10 2000 . Это значит, что во Вселенной практически невозможно получить такую молекулу. Поэтому гипотеза случайного соединения не пользуется признанием. Известный астроном Фред Хойл высказался по этому поводу так: «Эта идея столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над мусорной свалкой, может привести к сборке Боинга-747».