Как появилась жизнь? - ЭВОЛЮЦИЯ - РЕГУЛИРУЕМЫЙ ПРОЦЕСС

Постановка проблемы урока

Л. Пастер: Живые организмы рождаются только от других живых организмов.

А.И. Опарин: Жизнь на Земле появилась из неживого.

• Чем отличаются взгляды учёных? Предположите, как их можно примирить. (См. с. 350.)

Необходимые базовые знания

• Чем динамическая устойчивость отличается от статической? (§ 1)

• Из каких веществ состоят организмы? (§ 4)

• Что такое обмен веществ? (§ 4)

• В чём биологический смысл наследственности? (§31)

Решение проблемы

Живое происходит только от живого

Гипотеза самозарождения жизни долгое время казалась очевидной. В оставленном куске мяса заводятся “черви” — личинки мух. В грязном белье заводятся мыши. А уж сколько всякой твари заводится в речном или озёрном иле! Первую “мину” под эту гипотезу заложил Франческо Реди в XVII в. Он накрывал мясо чистой тряпкой. Вскоре на тряпке оказывались яйца, из которых впоследствии выводились личинки мух. Но в мясе они не зарождались. Значит, живое возникает только от живого (рис. 47.1).

47.1. “Самозарождение” личинок мух в куске мяса - А; под тряпкой “самозарождения” не происходит – Б.

Ему возразили. Срываем с дерева совершенно целое яблоко. Разрезаем, а внутри червяк - гусеница яблонной плодожорки. Как она туда попала? Самозародилась — считали учёные XVII века. Но А. Валлиснери пронаблюдал, что бабочка откладывает яйца в цветок, а уже затем вокруг яиц образуется плод. Выходит, Реди был прав.

Однако даже закрытое мясо и фрукты портятся. К концу XVII века А. Левенгук изобретает микроскоп и обнаруживает в гниющих продуктах массу микроскопических “зверюшек”. Уж они-то наверняка само- зародились. Это казалось настолько правдоподобным, что ещё Ламарк

• Почему продукты и посуду, оставленную на столе, накрывают полотенцем?

в начале XIX века был уверен в реальности зарождения жизни из неживого вещества. Только Л. Пастер (1822-1895) сумел объяснить, откуда взялись микроорганизмы, удивившие Левенгука (рис. 47.2 и 47.3).

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

47.3. Бульон остаётся прозрачным в колбе с припаянной открытой 3-образной трубкой. Однако капля бульона, оставленная в колене трубки, мутнеет очень скоро.

Опыт Луи Пастера

• Споры бактерий чрезвычайно малы и легко разносятся ветром. Объясните, откуда, как и в каких случаях они попадают в бульон.

В результате опытов Пастера была изобретена пастеризация. Оказалось, продукты в герметичной упаковке достаточно в течение получаса выдержать при температуре 60^—70°С, чтобы они долго не портились. Не так долго, как консервы, но всё-таки...

47.4. Луи Пастер — французский микробиолог.

• На каких свойствах бактерий основана пастеризация?

После опытов Пастера уже никто не сомневался, что живое происходит только от живого.

Важны также время и место    

Несмотря на авторитет Пастера, нашлись люди, которые истолковали его результаты иначе. Невозможность самозарождения жизни, по их мнению, доказывает Божественное сотворение организмов — по крайней мере, их изначальных предков.

Но не надо торопиться с выводами. Были и другие версии. В самом деле, если жизнь не возникает из неживой природы на наших глазах, то это ещё не значит, что такого не могло случиться нигде и никогда. Ведь облик Земли в начале её существования был далёк от современного. А сегодня похожие планеты есть в других местах Вселенной.

Гипотезы происхождения жизни.

Гипотеза	Сущность	Отношение науки
Креационизм	Жизнь сотворена	Предмет веры не требует ни подтверждения, ни опровержения
Панспермия	Споры жизни занесены из космоса	В Солнечной системе нет других населённых планет. А пока споры жизни долетят от других звёзд, они будут “расстреляны” жёстким излучением
Абиогенез	Жизнь зародилась из неживой природы	Такая возможность признаётся большинством учёных

Креационисты настаивают на Божественном сотворении жизни, не вникая в детали исследования природы. Но у науки — другой путь: ни слова на веру, ни шага без доказательств.

Последователи панспермии не могут объяснить, как споры выживают в межзвёздном пространстве. К тому же их гипотеза уходит от вопроса о происхождении жизни там, откуда она занесена.

Немало вопросов остаётся и у сторонников абиогенеза. Если жизнь появилась на нашей планете, то почему не осталось следов самых первых примитивных зарождающихся живых организмов? Возможен ответ, что далеко не все существовавшие в прошлом живые организмы сохранялись в палеонтологической летописи. Так, млекопитающие произошли от зверообразных рептилий, на птиц — от динозавров. Но настоящих промежуточных форм между ними так и не найдено, хотя учёные не сомневаются в их происхождении друг от друга. Палеонтологическая летопись, безусловно, неполна.

47.5. Перенос спор жизни на метеоритах маловероятен.

Сторонники абиогенеза могут привести в защиту своей точки зрения другие доводы. Например, как теперь известно, в химический состав организмов входят не любые, а только лёгкие изотопы кислорода и углерода. Следовательно, когда мы находим породы с высокой концентрацией этих изотопов, то можем сделать вывод, что эти вещества созданы с помощью живых организмов. По таким находкам мы знаем, что жизнь на Земле существует около 4 млрд лет. Для реконструкции процесса возникновения жизни такого рода ископаемых безнадёжно мало. Но это не противоречит возможности её зарождения путём абиогенеза — химической эволюции, которая затем перешла в эволюцию биологическую.

Следовательно, абиогенетическое происхождение жизни на нашей планете - наиболее правдоподобная научная гипотеза.

Возникновение органических веществ

Подготовительные этапы происхождения жизни могут быть изучены экспериментально.

Об условиях на молодой Земле позволяют судить горные породы, залегавшие в то время у поверхности. Атмосфера отличалась отсутствием кислорода: его появление связано с фотосинтезом. Следовательно, не было и озонового экрана, который защищает нас от жёсткого ультрафиолетового излучения. Атмосфера была восстановительной и содержала высокие концентрации водорода, аммиака и метана. Эти газы поставляла вулканическая деятельность, активность которой была много выше теперешней. Когда температура и давление упали до такой степени, что вода могла конденсироваться из пара, на Землю обрушились дожди. Но на поверхности Земли вода снова закипала, а атмосферу сотрясали непрерывные грозы.

В опыте были воссозданы предполагаемые условия (рис. 47.6). Сосуд с кипящей водой поставлял водяные пары в камеру со смесью водорода, аммиака и метана, в которой периодически происходили электрические разряды. Холодильник конденсировал пары в воду, содержащую раствор образовавшихся веществ. Таким образом было показано, что из простых газов энергонасыщенной атмосферы могли формироваться многие органические соединения — необходимые компоненты будущей жизни, в частности аминокислоты и нуклеотиды.

47.6. Опыты, моделирующие процессы в первичной атмосфере Земли.

Коацерватная модель жизни

В рассмотренных опытах создавалось лишь сырьё для образования макромолекул. Но молекулы, как мы уже говорили, обладают статической устойчивостью. А все живые системы немыслимы без обмена с внешней средой, роста и развития, которые могут обеспечить лишь механизмы динамической устойчивости. Иными словами, жизнь — химическая машина, а не химическое соединение. Неужели она строится сама? Да, сама.

Простейшая система такого типа — это “клеточка” в опыте Траубе (рис. 47.7). Осторожно поместим в воду ложку жидкого масла того же удельного веса, что и вода. Масло образует в воде шар, а вокруг него вода образует плёнку поверхностного натяжения. Добавим в воду ещё несколько капель масла. Они будут свободно плавать в толще воды, пока шар не поглотит их при встрече. Это сравнивали с питанием.

47.7. Опыт Траубе.

Пока не была известна сложная структура настоящей клетки, в масляном шаре видели её аналог. Конечно, до клетки здесь далеко, но мы видим простейший пример самопроизвольного возникновения надмолекулярной структуры, которая даже избирательно относится к разным веществам: одни “поедает” и от этого растёт, а другие — нет.

47.8. Процесс распада крупного коацервата на “дочерние” моделирует процесс возникновения размножения.

Биохимик А.И. Опарин (1894 -1980) обнаружил подобные свойства у белков, образующих капли, отграниченные плёнкой поверхностного натяжения воды. Учёный назвал их коацерватами. Они способны поглощать воду и некоторые другие жидкости, сливаться между собой и увеличиваться в размерах. Очень крупные капли становятся неустойчивыми и распадаются на несколько капель поменьше, “размножаются”. Но и это весьма далеко от совершенства самых примитивных настоящих клеток. Вместе с тем внутри коацерватных капель создаётся особая среда, в которой могут устойчиво существовать более сложные органические молекулы, чем во внешней среде.

47.9. А.И. Опарин.

Дальнейшую судьбу коацерватоподобных систем можно представить себе так. Они вступят в “борьбу” за возможно более эффективное поглощение веществ из внешней среды. Это, в сущности, совершенствование обмена веществ и скорости роста, где главные “действующие лица” — белки. Препятствием для дальнейшего роста окажется распад коацервата на произвольные фрагменты: многие такие фрагменты не будут “наследовать” достоинств своих “предков”, что понизит эффективность поглощения ресурсов. Понадобится более совершенная система воспроизведения себе подобных (рис. 47.8). Это рано или поздно может завершиться матричным синтезом на базе нуклеиновых кислот.

Думается, что истинная клетка, даже бактерии - продукт длительной химической, а затем и биологической эволюции (рис. 47.10), никогда не будет воссоздана в эксперименте, подобно тому, как мы никогда не станем свидетелями происхождения рыб или млекопитающих. Пока мы далеки от детальной реконструкции процесса становления клеток. Но ничего невозможного в такой реконструкции, по-видимому, нет. Пока же мы можем наблюдать в опытах отдельные простые процессы, протекающие в клетках.

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

Обобщение новых знаний

На современной Земле только живое порождает новую жизнь. Скорее всего, жизнь имеет земное происхождение, и возникла она около 4 млрд лет назад. Повторение отдельных процессов, лежащих в основе происхождения жизни, возможно в лабораторных условиях. Но пока в эксперименте не удалось продвинуться дальше синтеза органических молекул и простейших примеров их самоорганизации.

Абиогенез

Применение знаний

1. Как Ф. Реди и Л. Пастер доказали невозможность самозарождения?

2. Чем отличались условия в период возникновения жизни от современных?

3. Приведите доводы земного происхождения жизни.

4. Какие эксперименты моделируют первые этапы химической эволюции?

5. Почему зарождение жизни не происходит в современных условиях?

6. Какие доводы можно привести человеку, считающему, что жизнь на Землю занесли инопланетяне? Разыграйте этот спор в паре.

7. Легко ли при космических путешествиях занести земную жизнь на другую планету?