Лекція 5. СУЧАСНА БІОЛОГІЧНА КАРТИНА СВІТУ. ПОХОДЖЕННЯ І СУТНІСТЬ ЖИТТЯ
План
1. Становлення концепцій виникнення життя.
2. КонцепціяОпаріна.
3. Сучасні концепції походження і суті життя.
4. Сутність і визначення життя.
Становлення концепцій виникнення життя
Питання про походження природи й суть життя одвічно було предметом інтересу людини в її прагненні розібратися в навколишньому світі, зрозуміти саму себе й визначити своє місце в природі.
Багатовікові дослідження й спроби вирішення цих питань породили різні концепції виникнення життя:
1. Креаціонізм - створення життя Богом;
2. Концепція самодовільного зародження з неживої речовини;
3. Концепція стаціонарного стану, відповідно до якої життя існувало завжди;
4. Концепція позаземного походження життя в результаті розвитку фізичних і хімічних процесів.
Концепція креаціонізму, по суті, науковою не є, оскільки вона виникла в рамках релігійного світогляду. Вона стверджує, що життя таке, яким воно є, тому що таким його створив Бог. Тим самим практично знімається питання про наукове вирішення проблеми походження і суті життя. Проте, ця концепція продовжувала й продовжує користуватися досить великою популярністю.
Решта концепцій з'являється пізніше, але аж до XIX століття жодна з них не змогла сформувати єдину біологічну картину світу і тим самим дати прийнятне пояснення походженню життя.
УXIXстолітті в біології виникли концепціїмеханістичного матеріалізму і віталізму – вершинабіології того часу, між якими почалася запекла боротьба ідей про походження й суть життя.
|
|
|
Механістичний матеріалізм не визнавав якісної специфіки живих організмів і представлявжиттєві процеси як результат дії хімічних і фізичних процесів. З цієї точки зору живі організмивиглядали як складні машини. Але аналогія між живою істотою й машиною не пояснює саме того, що вонапокликана пояснювати: причину доцільної організації живих істот. Такий підхід невірний у самій своїйоснові. Адже машини не виникають самі по собі в природних умовах. Їх доцільність, пристосованість будовидо виконання певної роботи не можна вивести з взаємодії закономірностей неорганічного світу. Вона єпродуктом творчої діяльності людини, його цілеспрямованих творчих зусиль. Через це механіцизм і йогобільш пізній різновид - редукціонізм (що намагався звести явища життя до хімічних і фізичних процесів яксвоїх елементарних складових) -усякий раз безпорадно зупинялися перед проблемою походження життя.
Протилежною точкою зору став віталізм (від лат. vitalis-життєвий), який пояснював якісну відмінність живого від неживого наявністю в живих організмах особливої «життєвої сили», відсутньої у неживих предметах і такої, що не підкоряється фізичним законам. Таке рішення проблеми суті життя тісно пов'язане з визнанням факту творіння її Богом, розумним нематеріальним початком і т.ін.
|
|
|
Не дивлячись на гострі дискусії між механіцистами і віталізмом, учені – експериментатори намагалися точно встановити, від яких саме структур залежать специфічні властивості живих організмів, і тому досліджували живі клітини і клітинні структури. Відкидаючи ідею творіння світу і життя, ці учені аж до середини XIX століття дотримувалися ідеї самодовільного зародження життя з різних матеріальних утворень, зокрема, із гниючої землі, відходів інших об'єктів. Цієї точки зору дотримувалися такі видатні учені й мислителі, як Арістотель, лікар Парацельс, ембріолог Гарвей, Коперник, Галілей, Декарт, Гете, Шеллінг та ін. Їх авторитет багато в чому визначив тривалий термін існування ідеї самозародження і її широке розповсюдження. Достатньо сказати, що ні досліди Ф. Реді (XVII ст.), який довів неможливість самозародження черв'яків із гниючого м'яса за відсутності мух і проголосив знаменитий принцип «усе живе - від живого», ні навіть досліди з найдрібнішими істотами Спалланцані (XVIII ст.), які довели, що в прокип'ячених органічних настоях не можуть самовільно зароджуватися мікроорганізми, майже не вплинули на пануючу в науці концепцію спонтанного самозародження.
|
|
|
Лише в 60-і роки XIX століття в дискусії, що розвернулася між Ф.А. Пуше і Л. Пастером і зажадала експериментальних досліджень, вдалося строго науково обґрунтувати неспроможність цієї концепції. Досліди Пастера продемонстрували, що мікроорганізми з'являються в органічних розчинах унаслідок того, що туди були раніше занесені їх зародки. Якщо ж судину з живильним середовищем захистити від занесення в нього мікробів, то не відбудеться ніякого самозародження. Досліди Пастера підтвердили принцип Реді і показали наукову неспроможність концепції спонтанного самозародження організмів. Але вони й не давали відповіді на питання, звідки взялося життя.
Приблизно у цей же період часу (1865 р.) на стику космогонії і фізики німецьким ученим Г. Ріхтером розробляється гіпотеза занесення живих істот на Землю з космосу – так звана концепція панспермії.
Згідно з цією ідеєю, зародки простих організмів могли потрапити в земні умови разом з метеоритами і космічним пилом і покласти початок еволюції живого, яка, у свою чергу, породила все різноманіття земного життя. Концепцію панспермії розділяли такі видатні учені, як С. Ареніус, М. Гельмгольц, В.І. Вернадський, що сприяло її широкому розповсюдженню серед учених. У 1908 р. шведський хімік СвантеАреніус підтримав гіпотезу походження життя з космосу. Він висловив думку, що життя на Землі почалося тоді, коли на нашу планету з космосу потрапили зародки життя. «Частинки життя», що переносились в безкрайніх просторах космосу тиском світла від зірок, осідали то тут, то там, запліднюючи ту або іншу планету.
|
|
|
Проте, поки-що і ця гіпотеза повного наукового обґрунтування не одержала. Хоча спектр можливих умов для існування живих організмів достатньо широкий, все ж таки вважається, що вони повинні загинути в космосі під дією ультрафіолетових і космічних променів. До того ж ця гіпотеза не вирішує проблеми походження життя, а лише виносить її за межі Землі - якщо життя було занесене на Землю з космосу, то де і як воно виникло? Є варіант цієї гіпотези, що затверджує вічність життя у Всесвіті. Вважається, що після Великого вибуху, в результаті якого утворився наш Всесвіт, у процесі появи речовини на ранніх етапах еволюції Всесвіту відбулося розділення цієї речовини на живе і неживе, і життя існує стільки ж часу, скільки і весь космос.
В. Гамільтон і її колеги з Гавайського університету знайшли місце на Марсі, звідки в космос потрапив метеорит - ALH84001. Цей камінь масою 1,93 кілограма був вибитий з поверхні Марса приблизно 17 мільйонів років тому в результаті удару астероїда. 13 тисяч років тому він потрапив в поле тяжіння Землі і впав в Антарктиді, де його виявили близько 10 років тому. Знаменитий цей метеорит тим, що в його зрізах вчені виявили скам'янілості, сильно нагадують скам'янілості бактерій і одноклітинних водоростей. До єдиної думки на цей рахунок науковий світ за багато років так і не прийшов. Гамільтон скористалася даними спектрометрів і інших інструментів супутників MarsGlobalSurveyor і MarsOdyssey, щоб ідентифікувати на Марсі місцевість, звідки був вибитий даний метеорит. З'ясувалося, що це каньйон EosChasma, в якому, серед інших, існує 20-кілометровий ударний кратер. Зараз відомо 110 метеоритів, що мають марсіанське походження.
Британський вчений ЧандраВікрамасингх стверджує, що знайшов доказ існування інопланетних мікроорганізмів. Він вивчав шматок каменя, який впав на Землю під час метеоритного дощу і стверджує, що знайшов в ньому скам'янілості мікроскопічних водоростей. За словами ЧандриВікрамасингх, ці водорості схожі на мікроорганізми, які були знайдені у викопних залишках динозаврів віком 55 мільйонів років. За попередніми оцінками вчених, досліджений шматок скелі, знайдений в грудні 2012 року на острові Шрі-Ланка, раніше був частиною комети. Камінь виглядає дуже незвично, і має пористу структуру, з меншою щільністю, ніж ті, які зустрічаються на Землі.
Нові спостереження обраних областей нашої Галактики показали, що вміст води вище, ніж очікували. Виявилося, що в холодних хмарах так само багато води (пари + лід), як і в областях активного зореутворення. А найголовніший результат полягає в тому, що після молекулярного водню та окису вуглецю, вода - найпоширеніша молекула. Наприклад, в одній з холодних хмар з масою в тисячу мас Сонця, кількість води (пари + лід) еквівалентна сотні мас Юпітера.
Вчені також виявили, що в холодних хмарах 99 відсотків води являє собою лід, сконденсований на холодних порошинках, і лише 1 відсоток - газова форма.
Фахівці з астробіологічної лабораторії центру Годдарда (AstrobiologyAnalyticalLaboratory) вивчили 13 метеоритів - вуглистих хондритів і уреілітов - знайдених в Антарктиді. У каменях виявилися амінокислоти. На користь їх позаземного походження свідчать такі деталі: речовини були не пов'язані в білкові або полімерні ланцюги, як, швидше за все, сталося б при забрудненні каменів природними речовинами; в цих амінокислотах спостерігався лише невеликий відсоток протеїногенних; в зразках льоду, взятих в місцях знахідок, амінокислоти виявлені лише в слідових кількостях. Але не амінокислоти самі по собі здивували дослідників. Адже такі речовини вчені вже виявляли в метеоритах, причому концентрації бували і вищі. У новому дослідженні особливий інтерес викликав інший факт. Аналіз мінералів показав, що дані метеорити в минулому сильно нагрівалися, деякі - більш ніж до тисячі градусів за Цельсієм. Це означає, що батьківські тіла цих метеоритів - астероїди - розжарювалися або при взаємних зіткненнях, або за рахунок розпаду радіоактивних елементів. А в таких умовах важко очікувати появи амінокислот. Фахівці NASA проаналізували особливості ланцюжків, їх ізотопний склад та інші параметри і прийшли до висновку, що спостерігають результат процесу Фішера - Тропша, що використовується в промисловості для створення штучних вуглеводнів, одержання мастильних матеріалів і синтетичного бензину. На астероїдах умови для такого процесу могли сформуватися в кам'яних порах, що містять потрібну суміш газів і мають ряд мінералів що виступають у ролі каталізаторів. Цікаво, що для проведення даних реакцій не потрібна рідка вода - достатньо водню, монооксиду вуглецю та азоту. Виходить, що деякі пребіотичні компоненти життя могли виникнути в Сонячній системі дуже рано, ще до появи великих небесних тіл з рідкою водою. Вони могли народитися навіть на пилових частинках протопланетної туманності. І аналогічні процеси цілком могли йти в інших планетних системах.
Разом із гіпотезою панспермії в сучасній науковій літературі зберігається також гіпотеза про випадковий характер виникнення на Землі первинної живої молекули, яка з'явилася лише раз за весь час існування нашої планети. Через цю обставину експериментальну перевірку даної гіпотези провести неможливо. Ця гіпотеза набула широкого поширення серед генетиків у зв'язку з відкриттям ролі ДНК у явищах спадковості. Г. Меллер у 1929 р. розвивав думку, що чисто випадково на Землі виникла одинична «жива генна молекула», що володіла внутрішньомолекулярноюжиттєвизначальною будовою, яку вона пронесла незмінною через увесь розвиток земного життя. Довгий час моделлю такої «живої молекули» вважали частинку нуклеопротеїду вірусу тютюнової мозаїки, але зараз стало очевидним, що віруси не можна розглядати як проміжний етап на шляху виникнення життя: спершу повинно було виникнути життя, а потім вірус. Проте ідея випадкового виникнення ДНК дотепер широко поширена в науковій літературі, хоча вірогідність такої події дуже мала.
Таким чином, впродовж століть змінювалися погляди на цю проблему, але наука все ще далека від її вирішення. Сьогодні продовжуються суперечки про суть життя: чи є вона просто надзвичайно впорядкованим станом звичайних атомів і молекул, з яких складається «жива речовина», чи існують поки не відкриті елементарні «частинки життя», що переводять звичайні хімічні й фізичні речовини в живий стан. Вагомих доказів і аргументів на користь справедливості тієї чи іншої точки зору немає.
Очевидно, більш продуктивно розглядати життя як особливу форму руху матерії, що закономірно виникла на певному етапі її розвитку. Зрозуміло, виникнення життя містило елемент випадковості, але воно було не абсолютно випадковим, а в основі своїй закономірним, необхідним. Раніше ми вже говорили про процеси самоорганізації матерії. Мабуть, поява життя відбулася в ході цього процесу, коли хімічна еволюція після однієї з точок біфуркації привела до появи живого організму й початку біологічної еволюції. Тому сьогодні найбільш перспективним напрямком для природознавства є дослідження виникнення життя з неживої матерії на нашій планеті в ході процесів самоорганізації.
Концепція Опаріна
Однією з головних перешкод, які стояли на початку минулого століття на шляху вирішення проблеми виникнення життя, було засноване на повсякденному досвіді переконання в тому, що органічні речовини в природних умовах виникають тільки біогенно (тобто шляхом їх синтезу живими істотами), яке панувало тоді в науці. Вважалося, що уявити собі природне виникнення навіть простих організмів із неорганічних речовин (вуглекислоти, води, азоту і т.д.) абсолютно неможливо. Тому велике значення мала поява концепції А.І. Опаріна, яка вступила в суперечність із загальноприйнятою тоді думкою. Він виступив із твердженням, що монополія біотичного синтезу органічних речовин характерна лише для сучасної епохи існування нашої планети. На початку ж свого існування, коли Земля була безжиттєвою, на ній здійснювалися абіотичні синтези вуглецевих сполук і їх подальша предбіологічна еволюція. Здійснювалося поступове ускладнення цих сполук, формування з них індивідуальних фазовідокремлених систем, перетворення їх на протобіонти, а потім і на первинні живі істоти.
Книга Опаріна «Походження життя» була опублікована ще в 1924 р., хоча пік досліджень опарінської школи приходиться на 50 - 60-і роки. Появу життя він почав розглядати як єдиний природний процес, який складався з первинної хімічної еволюції в умовах ранньої Землі, що перейшла поступово на якісно новий рівень - біохімічну еволюцію. На його думку, цей процес із самого початку був нерозривно пов'язаний з геологічною еволюцією Землі. Тому Опарін припустив і експериментально довів, що під дією електричних розрядів, теплової енергії, ультрафіолетових променів на газові суміші, що містять пари води, аміаку, ціану, метану й ін., з'явилися амінокислоти, нуклеотиди та їх полімери, які в міру збільшення концентрації органічних речовин у «первинному бульйоні» гідросфери Землі сприяли виникненню колоїдних систем, так званих коацерватних крапель.
Згідно з гіпотезою Опаріна, виникнення й розвиток хімічної еволюції відбулися в ході утворення і накопичення в первинних водоймах початкових органічних молекул. Увесь подальший процес йому уявлявся таким чином. Органічні речовини зіштовхувалися в порівняно неглибоких місцях первинних водойм, що прогріваються Сонцем. Сонячне випромінювання доносило у той час до поверхні Землі ультрафіолетові промені, які у наш час стримуються озоновим шаром атмосфери. У свою чергу ультрафіолетові промені забезпечували енергією протікання хімічних реакцій між органічними сполуками. Таким чином, у деяких зонах первинних водойм протікали випадкові хімічні реакції. Значна їх частина швидко завершилася через нестачу початкової сировини. Але в хаосі хімічних реакцій довільно виникали і закріплювалися реакції циклічних типів, які мали здатність до самопідтримування. Результатом цих реакцій і стали коацервати - цілісні системи, що просторово відокремилися. Істотною їх особливістю була здатність поглинати із зовнішнього середовища різні органічні речовини, що забезпечувало можливість первинного обміну речовин із середовищем. А вже функціонуючий «природний відбір» сприяв «виживанню» найбільш стійких коацерватних систем. Іншими словами, первинна клітинна структура, описана Опаріним, була відкритою хімічною мікроструктурою і вже була наділена здібністю до первинного метаболізму (обміну речовин), хоча ще не мала системи для передачі генетичної інформації на основі функціонування нуклеїнових кислот.
У ході «природного відбору», що розвивався, виникли найважливіші властивості життя, що відрізняють її від попереднього етапу розвитку. Виниклі цілісні багатомолекулярні системи, фазово відокремлені від навколишнього середовища певною межею поділу, які зберігають із нею взаємодію по типу відкритих систем. Тільки такі системи, що черпають із зовнішнього середовища речовини і енергію, можуть протистояти наростанню ентропії і навіть сприяти її зменшенню в процесі свого зростання й розвитку, що є характерною ознакою всіх живих істот.
Природний відбір зберігав ті цілісні системи, в яких більш здійсненою була функція обміну речовин, що сприяла швидкому росту системи і її динамічній стійкості в даних умовах існування, цим і пояснюється доцільність будови живих об'єктів, тобто пристосованість внутрішньомолекулярної й надмолекулярної будови частин до виконуваних ними функцій і пристосованість організму в цілому до існування в даних умовах зовнішнього середовища. Системи, які виживали в ході природного відбору, мали специфічну будову білково- і нуклеоподібних полімерів, які і зумовили появу третьої якості живого – спадковості - специфічної для живого форми передачі інформації. Органічна хімія знає приклади реакцій такого типу. Їх відбір і виживання слід розглядати як можливий якісний стрибок, що створив передумови для переходу від хімічної до біологічної еволюції. Разом з відбором і вдосконаленням циклічних комплексів відбувався відбір і вдосконалення органічних молекул, що беруть участь у цих реакціях.
Популярність концепції Опаріна в науковому світі дуже велика. Але у цієї концепції є як сильні, так і слабкі сторони. Сильною стороною концепції є її достатньо точна відповідність теорії хімічної еволюції, згідно з якою у процесі добіологічної (абіогенної) еволюції матерії зародження життя - закономірний результат. Переконливим аргументом на користь цієї концепції є також можливість експериментальної перевірки її основних положень. Це стосується не тільки лабораторного відтворення передбачуваних фізико-хімічних умов первісної Землі, але і коацерватів, які імітують доклітинних предків життя і їх функціональні здібності. Слабкою стороною концепції А.І. Опаріна є допускання можливості самовідтворення коацерватних структур за відсутності молекулярних систем із функціями генетичного коду. Існування цих систем пояснювалося наявністю у них властивостей відкритих мікросистем, які виживають за рахунок залучення в них ферментів, що знаходяться в готовому вигляді в навколишньому середовищі. А це означає, що в рамках концепції Опаріна не вдається вирішити головну проблему - про рушійні сили саморозвитку хімічних систем і переходу від хімічної еволюції до біологічної, розкрити причину таємничого стрибка від неживої матерії до живої.
Дата добавления: 2018-05-09; просмотров: 405; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!