Происхождение и развитие жизни на Земле. Происхождение и развитие жизни на Земле Фурсов. Фгбоу во вгу реферат по предмету Актуальные проблемы современной геологии Тема реферата Происхождение и развитие жизни на Земле аспирант
 Скачать 4.27 Mb.
|
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ФГБОУ ВО ВГУ) Реферат по предмету Актуальные проблемы современной геологии Тема реферата: «Происхождение и развитие жизни на Земле»
Воронеж - 2022 г. СодержаниеСтр. Введение 4 Теории возникновения жизни на Земле 7 Современные научные представления 17 Литература 19 ВведениеВопрос происхождение и развитие жизни на Земле важен и для геологии, т.к. биосфера – тоже оболочка и влияет на литосферу, атмосферу, гидросферу. Геологическая часть проблемы происхождения жизни: когда она появилась и каковы были тогда специфические условия (потом они не повторялись – живое возникало только из живого). 3,5 млрд лет назад в Африке и Австралии постройки цианобактерий. 3,8 млрд в Гренландии нет прямых следов, но по изотопам углеродистых соединений и соотношениям U/Th можно предположить, что жизнь была уже тогда. Однозначное свидетельство появления жидкой воды – 3,8 млрд лет, осадочные породы Гренландии. Итак – жизнь достоверно существовала 3,5 млрд лет назад, но не исключено, что и раньше. Значит, истоки жизни нужно искать в условиях гадея. Но у нас очень мало данных об этих условиях; единственное, что сохранилось – обломочные цирконы Западной Австралии, но данные по ним очень противоречивые. Скорее всего, к концу гадея была восстановительная атмосфера из соединений C, H, N; земля видимо покрыта первичной базальтовой или коматиитовой корой, и по температуре допускала наличие жидкой воды. Видимо, этого было достаточно для образования пребиотических органических соединений, а затем РНК, ДНК и клетки. Но эксперименты по синтезу РНК в близких к земным условиям неудачны. Тогда возможно жизнь привнесена из космоса. Органические соединения есть почти во всех метеоритах и звёздной пыли, а на ледниковом щите Антарктиды найден предположительно марсианский метеорит с предположительно органическими остатками. Но возможно это лишь пребиотические соединения. Но в таком случае проблема происхождения жизни не решается, а отодвигается за рамки Земли, а стало быть – геологии. Вероятно, что жизнь повсеместно распространена в космосе, а Земля просто оказалась наиболее благоприятной для ее расцвета. Но тогда вопрос – отчего идет эволюция и почему в сторону усложнения? Почему первые 2,5 млрд лет были только прокариоты – бактерии и водоросли? Возможно, они ждали кислорода в атмосфере? Но почему затем большая пауза между эукариотами и многоклеточными? Почему затем пауза перед эдиакарской фауной? И с чего всего через 60 млн внезапная ее смена на кембрийскую? Почему такие длинные периоды застоя чередовались со скачками, лишь отдаленно коррелирующими с развитием литосферы? Теория Дарвина про борьбу за существование даже вкупе с генетикой не объясняет этого. Генный уровень теории эволюции – предметом отбора являются случайные генные мутации. Их частота повышается в стрессовой ситуации. Передаваться могут и благоприобретенные мутации, причем не только «вертикально» (по наследству), но и «горизонтально» (от современников); особенно – у бактерий. Отличие «нового дарвинизма» от классического – мутации возникают не только извне, но и под влиянием среды; т.е. не просто отбор случайных мутаций, подходящих под новые условия, но и сами условия могут вызывать мутации. Тогда резкое появление эдиакарской фауны можно объяснить стремительным исчезновением самого большого в истории ледникового покрова, которое вероятно спровоцировано гигантским импактом, что подтверждается иридиевой аномалией на границе тиллитов и карбонатной покрышки (т.е. как раз смена ледниковых эпох) в Намибии. А кембрийский взрыв – видимо из-за резкого изменения состава атмосферы и воды в результате распада Родинии и таяния ледников. Было ли это следствием какого-то космического события? Неизвестно. В течение фанерозоя – развитие в сторону усложнения, но неравномерное, с периодами катастрофических вымираний и расцвета более сложных организмов на границах эр (более мелких – на границах периодов). Мел-палеогеновое вымирание (динозавры и т.п.) скорее всего из-за гигантского импакта, что доказывается иридиевыеми аномалиями в разных местах, ископаемыми кратерами этого возраста. Но по поводу других рубежей нет столь достоверных данных. Еще гипотеза: вулканическая активность, периоды вымираний кореллируют с периодами развития трапповых полей. Есть вариант «синтетической» гипотезы: импакты вызывают плюмы, от них – вулканическая деятельность, и всё это вместе приводит к вымираниям. События хорошо коррелируют, но неясно, как импакт вызовет плюм, если плюм из ядра, а импакт влияет только на первый километр литосферы. До 1995 года не знали систем, подобных солнечной, а за 1995-2006 открыли 150 таких. Там даже есть планеты не только гиганты, но и похожие на Землю. В метеоритах находят соединения, пригодные для возникновения из них РНК. Возможно, они возникли на протопланетной стадии образования Солнечной системы. Открыто былое наличие воды на Марсе. В метеоритах найдено вещество, похожее на постройки цианобактерий. В чём особенности Земли и пригодность для жизни: расположение внутри орбит планет-гигантов обеспечивает устойчивость орбиты; присутствие Луны даёт стабильности оси вращения; оптимальный размер для возникновения жидкого ядра и соответственно – магнитного поля, предохраняющего от космического излучения; размер оптимальный, чтобы гравитационное поле могло удержать атмосферу; перепад температур 4000 между внешним ядром и поверхностью вызывает плюмы и ТЛП, которые порождают магматизм и вулканизм, дающие в атмосферу углекислый газ для производства кислорода растениями; субдукция удаляет с поверхности избыток воды и углекислоты, что не позволяет возникнуть парниковому эффекту как на Венере; оптимальное положение относительно солнца создаёт нужную температуру; дифференциация мантии под воздействием плюмовой тектоники и ТЛП позволили в коре накопиться всем нужным веществам – Ca, Mg, P, Si + Cu, Fe, Ni, Mn, Al, Ti, U; накоплению нужных веществ способствовало химическое выветривание из-за взаимодействия литосферы с атмосферой, гидросферой и биосферой; жизнь создала угли, нефть, газ, которые обеспечивают существование человечества. Теории возникновения жизни на ЗемлеСреди множества теорий возникновения жизни на Земле рассмотрим основные: Концепция креационизма: многообразие современных форм органического мира является результатом сотворения их Богом. Недоказуема. Гипотеза самозарождения жизни: в далёком прошлом жизнь возникла абиогенным путём - так же, как некоторые живые организмы возникают из неживой материи в настоящее время. Опровергнута результатами опытов Ф. Реди, Л. Спалланцани, Л. Пастера. Гипотеза стационарного состояния: Земля и жизнь на ней никогда не возникали, они существуют вечно. Опровергнута палеонтологическими находками. Гипотеза панспермии: жизнь занесена на Землю из космоса. Не имеет прямых доказательств. Гипотеза биохимической эволюции Опарина - Холдейна (гипотеза абиогенеза): в далёком прошлом жизнь возникла абиогенным путём и эволюционировала от простых форм к сложным; в настоящее время процесс возникновения жизни невозможен. Имеет экспериментальные доказательства: результаты опытов Миллера - Юри, палеонтологические данные. Сторонники креационизма (от лат. creatio [креацио] - «создание») считают, что мир в его разнообразии был создан Богом (или богами) по заранее продуманному плану. Практически все религиозные учения утверждают, что человек и все другие живые существа созданы Богом. Фактов, подтверждающих эту концепцию, не существует. Главный аргумент сторонников креационизма: целесообразность устройства живых организмов и их сообществ, хорошая приспособленность к условиям обитания.  Рис. 1. Бог создаёт Солнце, Луну и звёзды. [Картина Яна Брейгеля Младшего, 1620-е гг] . До XIX в. многие учёные-естествоиспытатели были креационистами. Основоположник систематики, шведский учёный Карл Линней считал, что все виды растений и животных существуют со времени сотворения мира и созданы Богом независимо друг от друга. Французский анатом и палеонтолог Жорж Кювье полагал, что после божественного акта творения в течение истории Земли происходили обширные катастрофы (землетрясения, потопы, извержения вулканов), после которых опустошённые места заселялись организмами, пережившими катаклизмы в отдалённых местах. Эту гипотезу Кювье называют теорией катастроф.
Рис. 2. Учёные - сторонники креационизма: а - Карл Линней; б - Жорж Кювье . И Линней, и Кювье отрицали также изменение видов и их эволюцию. Они считали, что виды сразу были сотворены совершенными и всегда оставались такими, какими были созданы. Другие, более поздние последователи креационизма соглашались с существованием эволюционного процесса, но считали, что начало эволюции было связано с актом творения. Так как концепцию креационизма невозможно ни доказать, ни опровергнуть, её нельзя рассматривать в качестве научной гипотезы и следует относить к вопросам веры. Однозначный ответ на вопрос о возникновении жизни не может дать даже современная наука, поскольку гипотетическое знание носит вероятный, а не достоверный характер и требует обоснований. В ходе рассмотрения и доказательства одни из гипотез ложатся в основу научных теорий, другие уточняются и видоизменяются, а третьи отбрасываются, если не выдерживают проверки. Существует несколько научных гипотез о происхождении жизни. Все эти гипотезы формировались на основе двух противоположных идей. Идея биогенеза (от греч. bios [биос] - «жизнь» и genesis [генезис] - «происхождение») заключается в том, что живое происходит только от живого. Идея абиогенеза (от лат. a- [а] - отрицательная приставка) основывается на том, что живое возникло (или возникает до сих пор) из неживого. Гипотеза стационарного состояния Эта гипотеза утверждает, что Земля и жизнь на ней никогда не возникали, а существуют вечно. При этом живое может произойти только от живого (идея биогенеза), а у всех живущих видов есть две возможности развития: поддержание численности или вымирание. Эта гипотеза опровергнута данными астрономических наблюдений, геологических и палеонтологических исследований и всерьёз наукой не рассматривается. Гипотеза панспермии Согласно гипотезе панспермии (от др.-греч. pan [пан] - «весь, всякий» и sperma [сперма] - «семя»), жизнь занесена на Землю из космоса. Такое объяснение не предлагает решения проблемы происхождения жизни в целом, например во всей Вселенной, а лишь объясняет её появление на нашей планете.  Рис. 3. Летящий метеорит (реконструкция) . Согласно теории панспермии, предложенной Ю. Либихом, в 1865 году немецким учёным Германом Эбергардом Рихтером и окончательно сформулированной шведским учёным Аррениусом в 1895 году, жизнь могла быть занесена на Землю из космоса. Наиболее вероятно попадание живых организмов внеземного происхождения с метеоритами и космической пылью. Это предположение основывается на данных о высокой устойчивости некоторых организмов и их спор к радиации, глубокому вакууму, низким температурам и другим воздействиям. Однако до сих пор нет достоверных фактов, подтверждающих внеземное происхождение микроорганизмов, найденных в метеоритах. Но если бы даже они попали на Землю и дали начало жизни на нашей планете, вопрос об изначальном возникновении жизни оставался бы без ответа. Главный аргумент сторонников этой гипотезы состоит в том, что некоторые микроорганизмы, а особенно их споры, могут сохранять жизнеспособность при очень жёстких воздействиях - в отсутствие воды, при очень низких или высоких температурах, при радиоактивном облучении. При этом до сих пор никаких форм жизни в космосе обнаружено не было, однако при изучении метеоритов и марсианского грунта были найдены органические молекулы. Предполагается, что их синтез осуществлялся абиогенным путём из неорганических веществ. Фрэнсис Крик и Лесли Оргел предложили в 1973 году другой вариант — управляемую панспермию, то есть намеренное «заражение» Земли (наряду с другими планетными системами) микроорганизмами, доставленными на непилотируемых космических аппаратах развитой инопланетной цивилизацией, которая, возможно, находилась перед глобальной катастрофой или же просто надеялась произвести терраформирование других планет для будущей колонизации. В пользу своей теории они привели два основных довода — универсальность генетического кода (известные другие вариации кода используются в биосфере гораздо реже и мало отличаются от универсального) и значительную роль молибдена в некоторых ферментах. Молибден — очень редкий элемент для всей Солнечной системы. По словам авторов, первоначальная цивилизация, возможно, обитала возле звезды, обогащённой молибденом. Против возражения о том, что теория панспермии (в том числе управляемой) не решает вопрос о зарождении жизни, они выдвинули следующий аргумент: на планетах другого неизвестного нам типа вероятность зарождения жизни изначально может быть намного выше, чем на Земле, например, из-за наличия особенных минералов с высокой каталитической активностью. В 1981 году Ф. Крик написал книгу «Life itself: its origin and nature» (Crick, 1981) в которой он более подробно, чем в статье, и в популярной форме излагает гипотезу управляемой панспермии. Академик РАН А. Ю. Розанов, глава комиссии по астробиологии в Российской академии наук, считает, что жизнь на Землю была занесена из космоса [4]. Гипотеза самозарождения жизни Эта гипотеза - о возникновении жизни абиогенным путём - существовала с древности, параллельно с креационистскими представлениями о сотворении живых организмов. Сторонники гипотезы самозарождения считали, что условия, необходимые для возникновения жизни, имелись в далёком прошлом, поскольку они имеются и в настоящее время. Так, знаменитый древнегреческий учёный Аристотель считал, что лягушки родятся из ила; из домашней пыли образуется моль; из гниющего мяса появляются черви и мухи; роса, сгущаясь на листьях капусты, порождает гусениц, которые, в свою очередь, порождают бабочек-капустниц. Так же обстоит дело и у растений: лишь некоторые из них развиваются из семян, но многие под действием сил природы возникают из определённых частей растений, разлагающейся земли и гниющей травы. В начале XVII в. голландский учёный и врач Ян Баптиста ван Гельмонт поставил опыт. Он поместил в тёмную кладовую глиняный горшок с грязной одеждой, пшеничными зёрнами и горстью пыли. Через три недели исследователь обнаружил в кладовой мышей. Ван Гельмонт предположил, что при определённых условиях - в темноте, при наличии зерна и грязного белья - мыши способны самозарождаться. Активным началом в процессе самозарождения ван Гельмонт считал человеческий пот.  Рис. 4. Эксперимент Яна ван Гельмонта . Итальянский учёный Франческо Реди в 1668 г. опубликовал результаты опытов, опровергающих теорию самозарождения. Он оставлял гнить куски мяса и рыбы в разных сосудах - открытых или затянутых тонкой материей - и доказал, что в закрытых от мух сосудах никогда не происходит самозарождения червей (червями он называл личинок мух). На основании этого опыта Реди выдвинул новую гипотезу: мухи и черви не зарождаются самопроизвольно в гниющих продуктах, они выводятся из яичек, отложенных туда другими мухами.  Рис. 5. Эксперимент Франческо Реди . После опытов Франческо Реди и его последователей научное сообщество стало склоняться к мысли, что самозарождение относительно крупных животных (головастиков, червей, насекомых), скорее всего, не происходит. Примерно в то же время, когда Реди проводил эксперименты, учёные начали активно использовать новое изобретение - микроскоп. Наблюдения в микроскоп доказали существование микромира - мира крошечных живых организмов. Стало известно, например, что в настое сена или в мясном бульоне через некоторое время обнаруживается большое число микроорганизмов (их называли анималькулями - от лат. «зверюшки»). Сторонники самозарождения жизни считали, что эти микроорганизмы возникали в жидкостях благодаря существованию в воздухе «жизненной силы», превращающей неживое вещество в живую материю. Во второй половине XVIII в. итальянский исследователь Ладзаро Спалланцани предложил эксперимент, проверяющий возможности спонтанного возникновения микроорганизмов в питательной среде. Учёный считал, что микроорганизмы возникают не из воздуха, а от других микроорганизмов. Было известно, что при кипячении микроорганизмы погибают, поэтому Спалланцани разлил мясной бульон по стеклянным колбам и прокипятил их. Контрольные колбы он оставил открытыми, а экспериментальные - запаял. В результате микроорганизмы появились только в открытых колбах (то есть они были занесены туда из воздуха), что позволило учёному сделать вывод о невозможности их самозарождения. Однако противники Спалланцани не сдавались. По их мнению, во время кипячения вместе с микроорганизмами в колбах была убита и та самая «жизненная сила», а анималькули не могут возникнуть там, где этой силы нет. Окончательно разрешил вопрос возможности самозарождения французский биолог Луи Пастер. Это произошло только во второй половине XIX в. Пастер использовал колбы с горизонтальным S-образным горлышком. В открытое горлышко из воздуха могла проникать «жизненная сила», а споры микроорганизмов оседали на изгибе трубки и не попадали в колбу. Питательный бульон в колбе оставался стерильным, микроорганизмы в нём не возникали. В результате ряда экспериментов Пастер окончательно опроверг теорию спонтанного зарождения жизни и доказал справедливость теории биогенеза: «всё живое от живого».
Рис. 6. Луи Пастер (а) и колба Пастера с S-образным горлышком (б) После того как в середине XIX в. эксперимент Пастера поставил точку в вопросе о невозможности абиогенного происхождения живых организмов, даже самых примитивных, научная проблема возникновения жизни на нашей планете ещё долгое время оставалась открытой.  Рис. 7. Александр Иванович Опарин . В 1924 г. российский биохимик Александр Иванович Опарин выдвинул гипотезу о возникновении первых живых организмов в ходе постепенной химической эволюции молекул, содержащих углерод. Учёный предположил, что под влиянием солнечного излучения, мощных электрических разрядов (молний) и извержений вулканов в атмосфере древней Земли 4–4,5 млрд лет назад из неорганических веществ могли возникнуть простейшие органические соединения, необходимые для появления жизни. Самоорганизация сгустков органических молекул в водах древнего океана привела к появлению первых примитивных одноклеточных существ, похожих на современных бактерий. Одновременно с А. И. Опариным подобные взгляды на возможность зарождения жизни были высказаны американским учёным Джоном Холдейном. Их гипотеза возродила интерес учёных к идеям самозарождения (абиогенеза). Современные научные представленияХимическая эволюция или пребиотическая эволюция — первый этап эволюции жизни, в ходе которого органические, пребиотические вещества возникли из неорганических молекул под влиянием внешних энергетических и селекционных факторов и в силу развёртывания процессов самоорганизации, свойственных всем относительно сложным системам, к которым относится большинство углеродосодержащих молекул. Также этими терминами обозначается теория возникновения и развития тех молекул, которые имеют принципиальное значение для возникновения и развития живого вещества. Генобиоз и голобиоз В зависимости от того, что считается первичным, различают два методологических подхода к вопросу возникновения жизни: Генобиоз — методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на убеждении в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода. Голобиоз — методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на идее первичности структур, наделённых способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма. Мир РНК как предшественник современной жизни К XXI веку теория Опарина—Холдейна, предполагающая изначальное возникновение белков, практически уступила место (Крицкий, 2004) современной гипотезе мира РНК (Власов, 2019). Толчком к её разработке послужило открытие рибозимов — молекул РНК, обладающих ферментативной активностью и поэтому способных соединять в себе функции, которые в настоящих клетках в основном выполняют по отдельности белки и ДНК — то есть катализирование биохимических реакций и хранение наследственной информации. Таким образом, предполагается, что первые живые существа были РНК-организмами без белков и ДНК, а прообразом их мог стать автокаталитический цикл, образованный рибозимами, способными катализировать синтез своих собственных копий (Марков, 2010). Сахара, необходимые для синтеза РНК, в частности, рибоза, обнаружены в метеоритах и наверняка присутствовали в то время на Земле (Власов, 2019). Мир полиароматических углеводородов как предшественник мира РНК Гипотеза мира полиароматических углеводородов пытается ответить на вопрос, как возникли первые РНК, предлагая вариант химической эволюции от полициклических ароматических углеводородов до РНК-подобных цепочек. ЛитератураКрицкий, М. С. Коферменты и эволюция мира РНК : [арх. 19 октября 2016] / М. С. Крицкий, Т. А. Телегина // Успехи биологической химии : журн. — 2004. — Т. 44. — С. 341—364. Власов, Кирилл. Сахар из Мурчисонского метеорита имеет внеземное происхождение // Элементы.ру. — 2019. — 20 декабря. — Дата обращения: 21.12.2019. Марков, А. В. . Рождение сложности : Эволюционная биология сегодня: неожиданные открытия и новые вопросы. — М. : Астрель : CORPUS, 2010 . — С. 60. — 248 с. — (Элементы). — ISBN 978-5-17-084031-1. Круглый стол в Дубне: внеземная жизнь есть. Правда.Ру (26 декабря 2011). Дата обращения: 20 января 2012 Crick F. Life itself: its origin and nature. — Simon and Schuster, 1981. — 192 p. — ISBN 0671255622. «„Directed Panspermia“ by Francis Crick and Leslie E Orgel in Icarus (1973) Volume 19 pages 341—346». Дата обращения: 21 октября 2009. |
