Где и как появилась жизнь - ЭВОЛЮЦИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО МИРА. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ

Постановка проблемы урока

Ж. Б. Ламарк:Если жизнь появилась на Земле, значит, должно происходить самозарождение.

Л. Пастер: Самозарождение невозможно. Опыт показывает, что всё живое появляется только от живого.

• На какое противоречие вы обратили внимание?

(Могут ли оба высказывания быть истинными? В наше время нет динозавров. Значит ли это, что их никогда не было?)

• Какие события и процессы в истории Земли необходимо рассмотреть для формирования собственной точки зрения в этом споре? Сформулируйте задачу урока и сравните с вариантом авторов на с. 397.

Необходимые базовые знания

• Что вы помните об условиях на древней Земле, о взглядах разных учёных на проблему происхождения жизни? (9 класс)

• Какими свойствами должен обладать живой организм? (§ 3)

Решение проблемы

• Найдите в тексте информацию о том, как различные учёные объясняли происхождение жизни. В чём, на ваш взгляд, сильные и слабые стороны их гипотез и теорий?

Креационизм

Согласно этой точке зрения, жизнь возникла в прошлом в результате чуда — акта творения. Поскольку это событие уникальное, его нельзя наблюдать, повторить, смоделировать, т.е. оно не может рассматриваться с научной точки зрения. Следовательно, в Сотворение мира можно лишь верить.

Самопроизвольное зарождение

Вплоть доXVII века не только обыватели, но и учёные рассматривали самозарождение живых организмов как нечто само собой разумеющееся. Это не случайно, ведь о размножении зверей и птиц, которых люди издавна разводили, они знали достаточно. А вот о том, как на самом деле появляется плесень на хлебе, почему мухи и тараканы заводятся в пищевых отходах, известно было мало. Раз они там появляются, значит, самозарождаются. Такое простое объяснение многих до поры до времени устраивало, хотя и противоречило господствующему креационизму.

Первое серьёзное доказательство невозможности самозарождения было получено в экспериментах итальянского врача Франческо Реди в 1688 г. Он установил, что личинки мух появляются не из гнилого мяса, а из яиц, отложенных мухами. Для этого он закрыл часть сосудов с гниющим мясом марлей, которая препятствовала попаданию в него яиц мух. В этих сосудах “самозарождения” мух не произошло. Но, признавая этот факт у мух, многие учёные продолжали считать, что простые организмы (например, простейшие) возникли из мяса, ведь оно же протухло и под марлей. Учитывая это, Ламарк включил постоянно идущий процесс самозарождения живых организмов в качестве элемента своей эволюционной теории.

Следующий, более строгий эксперимент, окончательно доказавший, что в наше времявсё живое происходит только от живогои что самозарождения в природе не бывает, был поставлен микробиологом Луи Пастером (1822 — 1895) в 1862 году.

48.1. Прокипячённый бульон может долго храниться в запаянной колбе, но портится, если колбу оставить открытой

48.2. Бульон остаётся прозрачным в колбе с припаянной открытой 8-образной трубкой. Однако капля бульона, оставленная в колене трубки, мутнеет очень скоро

• О том, что после кипячения запаянного сосуда самозарождения не происходит, было уже известно. Но многие учёные считали, что при этом в бульон не попадает “жизненная сила”, которая необходима для самозарождения. Объясните, в чём смысл опыта А. Пастера. Какую роль играет открытаяS-образная трубка?

Опыты Пастера легли в основу методапастеризация.Оказалось, продукты в герметичной упаковке достаточно в течение получаса выдержать при температуре 60—70 °С, чтобы они долго не портились.

Панспермия

После опытов Пастера уже никто не сомневался, что живое происходит только от живого. Но, тогда как же на Земле появился первый живой

организм? Трудность ответа на этот вопрос заставила учёных искать решение в космосе. Шведский физик Сванте Аррениус в 1895 году выдвинул гипотезу панспермии, согласно которой жизнь вечна, но была занесена на Землю с других планет вместе с метеоритами и космической пылью. Действительно, известно, что споры бактерий и семена растений весьма устойчивы к неблагоприятным воздействиям. Однако главная трудность теории панспермии состоит в том, что она не решает проблему возникновения жизни, а просто переносит её в иную часть Вселенной.

Теория биохимической эволюции

В 20-е годы XX века русский учёный А.И. Опарин (1894 — 1980) и англичанин Дж. Холдейн обосновали теорию о возникновении жизни в процессе биохимической эволюции углеродных соединений, которая и легла в основу современных представлений.

48.3. А.И. Опарин

Если живое в настоящее время может произойти только от живого, то это не значит, что так было всегда. Первичная атмосфера Земли отличалась от нынешней атмосферы прежде всего отсутствием свободного кислорода. Она была восстановительной и изобиловала водородом, метаном и аммиаком, в ней действовало жёсткое ультрафиолетовое излучение (ведь озонового экрана не было) и радиоактивное излучение. В этих условиях, по мнению Опарина и Холдейна, в атмосфере и водоёмах мог идти процесс синтеза органических веществ из неорганических.

Предположения учёных блестяще подтвердились опытами американских учёных С. Миллера и Г. Юри, проведёнными в 1953 г., а позднее и многими другими исследователями (рис. 48.4). Они смоделировали условия древней Земли и доказали, что при этом мог идти синтез практически всех мономеров основных биополимеров.

48.4. Опыты Миллера и Юри, других учёных, моделирующие процессы в первичной атмосфере Земли

Таким образом, теория биохимической эволюции может объяснить самозарождение жизни в прошлом, но объясняет лишь первые шаги этого процесса.

Современные представления о возникновении жизни

• Разберитесь с помощью текста и рисунков, какие этапы происхождения жизни выделяют современные учёные и какие модели рассматривают для объяснения этих этапов.

Согласно современным представлениям, выделяют три этапа формирования жизни, илиабиогенеза: 1) этап химической эволюции, или абиогенное возникновение органических мономеров; 2) предбиологический этап, сопровождающийся формированием биологических полимеров и пробионтов; 3) этап биологической эволюции (рис. 48.5).

Этап химической эволюции

•Опишите условия, в которых проходила химическая эволюция. Чем они отличались от современных? Какие источники энергии обеспечивали синтез органических мономеров? Получены ли экспериментальные подтверждения этому этапу?

Этап предбиологической эволюции

Еслипервый этап биохимической эволюции был подтверждён множеством экспериментов, то второй этап во многом основан на косвенных данных. Они свидетельствуют, что при определённыхусловиях измономеров возможен синтез полимеров (из жирных кислот и спиртов — липидов, из аминокислот — белков, из нуклеотидов — нуклеиновых кислот). Это, в частности, могло происходить при высыхании водоёмов, сопровождавшемся многократным увеличением концентраций мономеров.

48.5. Важнейшие этапы химической эволюции и её переход к биологической эволюции

Но по-прежнему трудно представить, каким образом из органических веществ появились первые организмы. Здесь пока остаётся только строить гипотезы. Ведь для появления первого организма необходимо, чтобы произошло объединение каталитической функции, присущей белкам, и информационной, которая присуща нуклеиновым кислотам. Свет на это явление пролили исследования РНК, которая, как оказалось, может иметь ярко выраженную каталитическую активность и способна к самовоспроизведению при отсутствии белковых ферментов. Возможно, дальнейшая эволюция протобионтов шла в сторону разделения функций, первоначально присущих РНК: каталитические функции стали выполнять белки, информационные — ДНК. В результате появилось такое свойство живого организма, как самовоспроизведение.

А.И. Опарин предложил модель, объясняющую возникновение обмена веществ и роста. Белки в водном растворе образуют капли, отграниченные плёнкой поверхностного натяжения от окружающей водной среды. Такие комплексы, сливаясь друг с другом, образуют коацерваты, способные обмениваться веществами с окружающей средой, расти и избирательно концентрировать различные соединения. При известных условиях в них накапливаются белки-ферменты и нуклеиновые кислоты.

Системы такого рода уже обладают некоторыми признаками живого, но для превращения в живые организмы им не хватало мембран, обладающих избирательной проницаемостью, т.е. способных пропускать и задерживать нужные вещества. Последние могли образоваться из липидных плёнок, покрывающих поверхность водоёмов, к которым присоединялись различные растворённые в воде белки. При волнении и порывах ветра фрагменты липидных плёнок вместе с молекулами белка иногда могли подниматься в воздух и падать обратно, покрываясь вторым липидно-белковым слоем (рис. 48.6). Но лишь те из этих пузырьков, которые содержали коацерваты с белками и нуклеиновыми кислотами и обладали свойствами обмена веществ и самовоспроизведения, стали прототипами клеток пробионтов — первых гетеротрофных организмов.

48.6. Формирование мембранных структур по А.И. Опарину

Этап биологической эволюции

•В каких важнейших направлениях шла биологическая эволюция? Какие события, на ваш взгляд, следует подробно описать в последующих параграфах, посвящённых развитию жизни на Земле?

Обобщение новых знаний

Наука объяснила, что в современных условиях жизнь может появиться только от других живых организмов. Тем не менее на древней Земле около 4 млрд лет назад произошло самозарождение жизни из неживой материи путём химической и предбиологической эволюции.

Абиогенез. Пастеризация. Коацерват. Пробионт

Применение знаний

1. Как эволюционная теория справилась с противоречием между невозможностью самозарождения живых организмов и происхождением жизни из неживой природы?

2. На какие из гипотез и теорий опираются современные представления о происхождении жизни на Земле?

3. Что современная наука установила точно о происхождении жизни, а о чём она высказывает лишь предположения?

4. Почему в современных условиях не может вновь появиться жизнь? Что этому мешает?

5. В чём состоит сложность вопроса о происхождении жизни? Можно ли его изучить экспериментально?

6. А. И. Опарин называл мелкие водоёмы в период образования жизни на Земле “первичным бульоном”. Что, на ваш взгляд, он имел в виду?

7. Определите по рисунку 48.5 примерную продолжительность рассмотренных периодов. Сравните с продолжительностью существования основных типов царства животных (около 0,5 млрд лет). О чём говорит такая разница?