2. Основна частина
2.1 Гіпотеза А. І. Опаріна про походження життя на Землі
2.2 Сильні і слабкі сторони концепції
4. Використана література
Життя - таке зрозуміле і в той же час таке загадкове для кожної мислячої людини слово. Здавалося б, що сенс цього слова повинен бути ясний і однозначний для всіх часів і всіх народів. Однак, ми знаємо, що на протязі багатьох століть змінювалися погляди на проблему походження життя, і було висловлено велику кількість найрізноманітніших гіпотез і концепцій. Деякі з них набули широкого поширення і домінували в ті чи інші періоди розвитку природознавства.
Одним з головних перешкод, що стояли на початку XX ст. на шляху вирішення проблеми виникнення життя, було пануюче в науці і засноване на повсякденному досвіді переконання, що між органічними і неорганічними сполуками не існує ніякого взаємозв'язку. До середини XX в. багато вчених вважали, що органічні сполуки можуть виникати тільки в живому організмі, біогенної. Саме тому їх назвали органічними сполуками в протилежність речовин неживої природи - мінералів, які отримали назву неорганічних сполук. Вважалося, що природа неорганічних речовин зовсім інша, а тому виникнення навіть найпростіших організмів з неорганічних речовин принципово неможливо. Однак після того, як зі звичайних хімічних елементів було синтезованоперший органічна сполука, уявлення про двох різних сутності органічних і неорганічних речовин виявилося неспроможним. В результаті цього відкриття виникли органічна хімія і біохімія, які вивчають хімічні процеси в живих організмах.
Крім того, дане наукове відкриття дозволило створити концепцію біохімічної еволюції, згідно з якою життя на Землі виникла в результаті фізичних і хімічних процесів. Вихідну основу цієї гіпотези склали дані про подібність речовин, що входять до складу рослин і тварин, а також про можливості в лабораторних умовах синтезувати органічні речовини, складові білок.
2.1. Гіпотеза А. І. Опаріна про походження життя на Землі
У 1924 р український вчений Олександр Іванович Опарін вперше сформулював основні положення концепції предбиологической еволюції.
Поява життя він розглядав як єдиний природний процес, який складався з протікала в умовах ранньої Землі первісної хімічної еволюції, перейшла поступово на якісно новий рівень - біохімічну еволюцію. Суть гіпотези зводилася до наступного: зародження життя на Землі - тривалий еволюційний процес становлення живої матерії в надрах неживої. І сталося це шляхом хімічної еволюції, в результаті якої найпростіші органічні речовини утворилися з неорганічних під впливом сильнодіючих фізико-хімічних факторів.
Розглядаючи проблему виникнення життя шляхом біохімічної еволюції, Опарін виділяє три етапи переходу від неживої матерії до живої:
1) етап синтезу вихідних органічних сполук з неорганічних речовин в умовах первинної атмосфери ранньої Землі;
2) етап формування в первинних водоймах Землі з накопичилися органічних сполук біополімерів, ліпідів, вуглеводнів;
3) етап самоорганізації складних органічних сполук, виникнення на їх основі і еволюційне вдосконалення процесів обміну речовиною і відтворення органічних структур, що завершується утворенням найпростішої клітини.
На першому етапі, близько 4 млрд. Років тому, коли Земля була млявою, на ній відбувалися абиотический синтез вуглецевих сполук і їх подальша предбиологического еволюція. Для цього періоду еволюції Землі були характерні численні вулканічні виверження з викидом величезної кількості розпеченої лави. У міру остигання планети водяну пару, що знаходилися в атмосфері, конденсованих і обрушувалися на Землю зливами, утворюючи величезні водні простори. Оскільки поверхня Землі залишалася все-таки гарячої, вода випаровувалася, а потім, охолоджуючись у верхніх шарах атмосфери, знову випадала на поверхню планети. Ці процеси тривали не один мільйон років. Таким чином, в водах первинного океану були розчинені різні солі. Крім того, в нього потрапляли і органічні сполуки: цукру, амінокислоти, азотисті основи, органічні кислоти і т.п. безперервно утворюються в атмосфері під дією ультрафіолетового випромінювання, високої температури і активної вулканічної діяльності.
Первинний океан, ймовірно, містив в розчиненому вигляді різні органічні і неорганічні молекули, що потрапили в нього з атмосфери і поверхневих шарів Землі. Концентрація органічних сполук постійно збільшувалася, і, врешті-решт, води океану стали «бульйоном» з белковоподобних речовин - пептидів.
На другому етапі, у міру пом'якшення умов на Землі, під впливом на хімічні суміші первинного океану електричних розрядів, теплової енергії і ультрафіолетових променів стало можливим утворення складних органічних сполук - біополімерів і нуклеотидів, які, поступово об'єднуючись і ускладнюючи, перетворювалися в протобионтов (доклеточного предки живих організмів). Підсумком еволюції складних органічних речовин стала поява коацерватов, або коацерватних крапель.
Коацервати - це комплекси колоїдних частинок, розчин яких поділяється на два шари: шар, багатий колоїдними частинками, і рідина, майже вільну від них. Коацервати мали здатність поглинати різні речовини, розчинені у водах первинного океану. В результаті внутрішню будову коацерватов змінювалося, а це призводило або до їх розпаду, або до накопичення речовин, тобто до зростання і зміни хімічного складу, що підвищує їх стійкість в постійно мінливих умовах. Теорія біохімічної еволюції розглядає Коацервати як предбиологического системи, що представляють собою групи молекул, оточені водною оболонкою. Коацервати виявилися здатними поглинати із зовнішнього середовища різні органічні речовини, що забезпечило можливість первинного обміну речовин із середовищем.
На третьому етапі, як припускав Опарін, почав діяти природний відбір. У масі коацерватних крапель відбувався відбір коацерватов, найбільш стійких до даних умов середовища. Процес відбору йшов протягом багатьох мільйонів років, в результаті чого збереглася тільки мала частина коацерватов. Однак збереглися коацерватние краплі мали здатність до первинному метаболізму. А обмін речовин - найперша властивість життя. Разом з тим, досягнувши певних розмірів, материнська крапля могла розпадатися на дочірні, які зберігали особливості материнської структури. Таким чином, можна говорити про придбання коацерватами властивості самовідтворення - одного з найважливіших ознак життя. По суті справи, на цій стадії Коацервати перетворилися в найпростіші живі організми.
Подальша еволюція цих передбіологічних структур була можлива тільки при ускладненні обмінних та енергетичних процесів усередині коацервата. Міцнішу ізоляцію внутрішнього середовища від зовнішніх впливів могла забезпечити тільки мембрана. Навколо коацерватов, багатих органічними сполуками, виникли шари ліпідів, які відділили коацерват від навколишнього його водного середовища. В процесі еволюції ліпіди трансформувалися в зовнішню мембрану, що значно підвищило життєздатність і стійкість організмів.
У протоклетках начебто коацерватов або мікросфер йшли реакціїполімеризації нуклеотидів, поки з них не сформувався Протогена - первинний ген, здатний каталізувати виникнення певної послідовності - перша білка. Ймовірно, першим таким білком був попередник ферменту, що каталізує синтез ДНК або РНК. Тіпротоклеткі, в яких виник примітивний механізм спадковості і білкового синтезу, швидше ділилися і забрали в себе всі органічні речовини первинного океану. На цій стадії йшов уже природний відбір на швидкість розмноження; будь-яке вдосконалення біосинтезу підхоплювалося, і нові протоклеткі витісняли всі попередні.
Схематичне представлення шляху походження життя згідно білково-коацерватной теорії А.І. Опаріна
Сучасне двоєдиної поняття первісного бульйону і самозародження життя виходить з теорії Опаріна-Хелдейн про походження життя.
Експеримент Міллера, який став поворотним пунктом в цій області, був гранично простий. Апарат складався з двох скляних колб, з'єднаних в замкнуту ланцюг. В одну з колб поміщено пристрій, що імітує грозові ефекти - два електроди, між якими відбувається розряд при напрузі близько 60 тисяч вольт; в інший колбі постійно кипить вода. Потім апарат заповнюється атмосферою, імовірно що існувала на древній Землі: метаном, воднем і аміаком. Апарат пропрацював тиждень, після чого були досліджені продукти реакції. В основному вийшла в'язке місиво випадкових сполук; в розчині також було виявлено певну кількість органічних речовин, в тому числі і найпростіші амінокислоти - гліцин (NH2CH2COOH) і аланін (NH2CH (CH3) COOH).
Публікація даних експерименту Міллера викликала безпрецедентний інтерес, і незабаром багато інших вчених стали повторювати цей експеримент. При цьому виявилося, що видозміна умов експерименту дає можливість отримувати невелику кількість інших амінокислот. Однак повторити експеримент було складно, і багато результати були отримані тільки після безлічі безрезультатних спроб.
Повідомлялося про те, що в процесі експериментів виникли основні компоненти, необхідні для життя. Так, в широко поширеному підручнику біохімії Ленинджер (Lehninger, 1970) говориться, що в ході експериментів були отримані представники всіх найважливіших типів молекул, наявних в клітинах. Це твердження абсолютно невірно, так як з багатьох біохімічних речовин, наявних в клітинах, тільки два подібні до тих, що отримані в експериментах типу міллеровських - це гліцин і аланін. Але і вони були представлені в дуже малих концентраціях. До того ж в ході експериментів ні разу не були отримані нуклеїнові кислоти, протеїн, ліпід і полісахарид - більше 90% речовин, що складають живу клітину.
2.2 Сильні і слабкі сторони концепції
Популярність концепції Опаріна в науковому світі дуже велика. Його учні і послідовники і сьогодні продовжують дослідження в цьому напрямку. Але у цій концепції є як сильні, так і слабкі сторони.
Сильною стороною концепції є досить точне експериментальне обгрунтування хімічної еволюції, згідно з якою зародження життя є закономірним результатом добіологіческой еволюції матерії. Переконливим аргументом на користь цієї концепції є також можливість експериментальної перевірки її основних положень. Це стосується не тільки лабораторного відтворення передбачуваних фізико-хімічних умов первинної Землі, але і коацерватов, що імітують доклітинних предків і їх функціональні особливості.
Слабкою стороною концепції є неможливість пояснення самого моменту стрибка від складних органічних сполук до живих організмів, адже ні в одному з поставлених експериментів отримати життя так і не вдалося. Крім того, Опарін допускав можливість самовідтворення коацерватов за відсутності молекулярних систем з функціями генетичного коду. Іншими словами, без реконструкції еволюції механізму спадковості пояснити процес стрибка від неживого до живого не вдається. Тому сьогодні вважається, що вирішити цю складну проблему біології без залучення концепції відкритих каталітичних систем, молекулярної біології, а також кібернетики не вийде
У виконаній мною роботі розглядається теорія А. І. Опаріна про походження життя на Землі. У сучасній науці відома значна кількість концепцій про походження життя на Землі, але, тим не менш, популярність концепції Опаріна в науковому світі дуже велика.
А. І. Опарін, висунувши низку тез в 30 роках, намагався довести випадковість і спонтанність виникнення живої клітини, але його праці не увінчалися успіхом і він змушений зізнатися: "На жаль, походження клітини є самим туманним питанням, що охоплює теорію еволюції в цілому" .
Однак до цього моменту йому вдалося переконати більшість західних вчених, які вірили в натуралістичну дарвиновскую теорію походження видів.
Підводячи підсумок, можна сказати, що в питанні появи життя на нашій Землі ще багато залишається неясного і невизначеного. Ця проблема далека від свого остаточного вирішення.