Гипотезы происхождения жизни
Происхождение жизни на Земле является одной из важнейших проблем естествознания. На протяжении десятков веков менялись взгляды на проблему жизни, высказывались разные идеи, гипотезы и концепции. Некоторые из них получили широкое распространение в разные периоды истории развития естествознания. В настоящее время существует пять гипотез возникновения жизни:
1. Креационизм – гипотеза, утверждающая, что жизнь создана сверхъестественным существом в результате акта творения. Имеет самую длинную историю. Основывается на наличии в живых организмах особой силы, «души», которая управляет всеми жизненными процессами.
2. Гипотеза стационарного состояния, согласно которой жизнь никогда не возникала, а существовала всегда. С изменением природных условий изменялись и виды: одни исчезали, другие появлялись. Основывается на исследовании палеонтологов.
3. Гипотеза самопроизвольного зарождения жизни, которая основывается на идее многократного возникновения жизни из неживого вещества, была выдвинута в древнем Китае и Индии как альтернатива креационизму. Эту гипотезу поддерживали Платон, Аристотель, Галилей, Декарт, Ламарк. Суть гипотезы: низшие живые организмы возникли из ила, сырой почвы, гниющего мяса. В опровержение этой гипотезы Ф.Реди сформулировал принцип: «Все живое – от живого», после того, как нашел причину появления червей на гниющем мясе. Л.Пастер своими опытами с вирусами окончательно доказал несостоятельность идеи спонтанного зарождения жизни.
4. Гипотеза панспермии, согласно которой жизнь была занесена на Землю из космического пространства. Впервые была высказана Г.Рихтером в конце 19 столетия. Данная концепция допускает возможность происхождения жизни в разное время в разных частях Вселенной и переносе ее различными путями на Землю (метеориты, астероиды, космическая пыль).
5. Гипотеза исторического происхождения жизни путем биохимической эволюции. Авторами являются А.Опарин и С.Холдейн. С точки зрения гипотезы А.Опарина, а также с позиций современной науки возникновение жизни из неживого вещества произошло в результате естественных процессов во Вселенной при длительной эволюции материи. А.Опарин выделил несколько этапов биохимической эволюции, конечной целью которых явилась примитивная живая клетка. Эволюция шла по схеме:
А) геохимическая эволюция планеты Земля, синтез простейших соединений, таких как СО2, NH3, H2O и т.д., переход воды из парообразного состояния в жидкое в результате постепенного охлаждения Земли. Эволюция атмосферы и гидросферы.
Б) образование из неорганических соединений органических веществ – аминокислот – и их накопление в первичном океане в результате электромагнитного воздействия Солнца, космического излучения и электрических разрядов.
В) постепенное усложнение органических соединений и образование белковых структур.
Г) выделение белковых структур из среды, образование водных комплексов и создание вокруг белков водной оболочки.
Д) слияние таких комплексов и образование коацерватов, способных обмениваться веществом и энергией с окружающей средой.
Е) поглощение коацерватами металлов, что привело к образованию ферментов, ускоряющих биохимические процессы.
Ж) образование гидрофобных липидных границ между коацерватами и внешней средой, что привело к образованию полупроницаемых мембран, которые обеспечивали сохранение стабильности функционирования коацервата.
З) выработка в ходе эволюции у этих образований процессов саморегуляции и самовоспроизведения.
По мнению академика В.Вернадского возникновение жизни связано с мощным скачком, который внес в эволюцию столько противоречий, что они создали условия для зарождения живой материи. Чрезвычайная сложность организации живой материи является доказательством того, что зарождение жизни является результатом длительного процесса биологической эволюции.
6. Современная теория биологической эволюции
Под эволюцией понимают одну из форм движения, для которой характерны постепенные, непрерывные, накапливающиеся перемены, приводящие к качественным сдвигам в развитии живой природы. В процессе становления эволюционной парадигмы выделяют три основных этапа:
· Первый этап – традиционная биология; наиболее яркий ее представитель – шведский ученый К.Линней.
· Второй этап – классическая теория биологической эволюции; создатель – английский естествоиспытатель Ч.Дарвин.
· Третий этап – синтетическая теория биологической эволюции. Ее содержание явилось результатом идей Ч.Дарвина и чешского ботаника, основателя генетики Г.Менделя.
Общетеоретической основой традиционной биологии, которая господствовала в биологической мысли с древнейших времен вплоть до XIX века, была концепция креационизма, исходившая из представления о единовременном возникновении всех форм жизни на Земле. Задачей традиционной биологии было построение классификации и систематизация всех живых существ. Самый значительный вклад в решение данной задачи внес К.Линней, создавший систему классификации живых организмов, которая вскрыла целостность, единство, взаимосвязь и преемственность организмов, что в свою очередь подвело ученых к мысли о том, что все многообразие форм живой природы является результатом биологической эволюции. Традиционная биология накапливает свой научный материал путем непосредственного наблюдения живой природы, поэтому она продолжается развиваться и в настоящее время.
Теория Ч.Дарвина стала результатом обобщения огромного количества разнообразных фактических данных. Объяснение Дарвиным процесса эволюции можно свести к следующим положениям:
1. Любой группе животных и растений свойственна изменчивость. Изменчивость одно из свойств, внутренне присущих живым организмам.
2. Число организмов каждого вида, рождающихся на свет, значительно больше того их числа, которое может найти себе пропитание, выжить и оставить потомство. Большая часть потомства в каждом поколении гибнет.
3. Поскольку рождается больше особей, чем может выжить, существует конкуренция, борьба за пищу и место обитания.
4. Наследственные изменения, облегчающие организму выживание в определенной среде, дают своим обладателям преимущество перед другими, менее приспособленными организмами. Выживающие особи дают начало следующему поколению и, таким образом, происходит отбор наиболее приспособленных представителей (естественный отбор).
Импульсом для формирования синтетической теории эволюции послужило открытие закона наследования и расшифровка структуры ДНК. Синтетическая теория эволюции по своему содержанию является синтезом дарвинизма и достижений молекулярной биологии. Суть теории заключается в представлении процесса эволюции как соревнования генетических программ, которое определяет индивидуальное развитие организмов. Причем важную роль в определении общего направления эволюции играет главное программирующее устройство, в качестве которого выступает биосфера в целом. Именно биосфера определяет скорость и направление эволюционного преобразования видов, входящих в ее состав.
Биоэтика
На первый взгляд кажется, что между этикой и биологией нет ничего общего. Ведь этика является отраслью социально-гуманитарного знания, исследующей идеальную сферу предписаний, норм и принципов человеческого поведения, в то время как биология – одна из естественных наук, познающая реальные факты, характеризующие сущность жизни. Тем не менее, связь между биологией и этикой есть. Ведь человек есть продукт длительной биологической эволюции. А одной из сторон эволюции является борьба за существование, в ходе которой применяются не только физические меры, но и психологические, в том числе и этические нормы.
Биоэтика как раз и занимается изучением психических процессов, которые, возникнув на ранних этапах эволюции живого, постепенно развивались и привели к появлению совокупности требований и принципов, именуемых человеческой этикой. Биоэтика по направлению своих интересов наиболее близко подходит к объекту исследования социально-гуманитарных наук, занимаясь изучением следующих основных проблем:
· Проблемы глубинных, биологических истоков этических принципов человеческого поведения, проявлений зачатков этих принципов в поведении живых организмов уже на ранних стадиях биологической эволюции.
· Разрешения на этой основе вопросов соотношения в этических принципах человека врожденного и приобретенного, биологического и социального и бессознательного.
· Разработки комплекса новых этических норм, актуальность которых связана с возможностью глубоких последствий для человека крупнейших открытий современной биологии, в частности генетики.
Сложные поведенческие программы, присущие животному миру, и нормы человеческой этики имеют единое биогенное происхождение. Основываясь на этом, биоэтика в качестве центральной идеи выдвигает мысль о том, что принципы человеческого поведения имеют не только социальные, но и биологические предпосылки. Биоэтика обнаруживает в нашем внутреннем мире и в нашем поведении, помимо форм, порожденных разумом, культурой, обществом, есть и формы, обусловленные древними генетическими программами, доставшимися нам от наших животных предков. Важным направлением современной биоэтики является поиск новых подходов к нравственной оценке таких феноменов как эвтаназия, нарушение половой определенности, клонирование.
Жизнь на Земле началась три миллиарда лет назад. С тех пор эволюция превратила элементарные одноклеточные организмы в разнообразие форм, цветов, размеров и функций, которое мы наблюдаем сегодня. Но каким именно образом возникла жизнь в первичном бульоне - воде, содержащейся в неглубоких источниках и насыщенной аминокислотами и нуклеотидами?
Существует масса теоретических ответов на вопрос, что именно стало причиной возникновения жизни, от удара молнии до космического тела. Вот только некоторые из них.
Искра электричества
Той самой метафорической искрой жизни могла стать вполне буквальная искра или множество искр, источником которых была молния. Электрические искры, попадающие в воду, могли стать причиной образования аминокислот и глюкозы, преобразуя их из богатой метаном, водой, водородом и аммиаком атмосферы. Эта теория даже была подтверждена экспериментально в 1953 году, доказывая, что молния вполне могла оказаться причиной формирования основных элементов, необходимых для возникновения первых форм жизни.
После проведения эксперимента ученым удалось доказать, что ранняя атмосфера нашей планеты не могла содержать достаточное количество водорода, однако вулканические облака, покрывающие поверхность Земли, могли включать в себя все необходимые элементы и, соответственно, достаточно электронов, чтобы вызывать молнию.
Подводные гидротермальные источники
Сравнительно сильные глубоководные жерла могли стать необходимым источником водорода для формирования первых живых организмов на их каменистых поверхностях. Даже сегодня вокруг гидротермальных источников, даже на большой глубине, развиваются разнообразнейшие экосистемы.
Глина
Первые органические молекулы могли встретиться на глиняной поверхности. В глине всегда содержится достаточное количество органических компонентов, кроме того, она могла бы стать своего рода организатором этих компонентов в более сложные и эффективные структуры, похожие на ДНК.
Фактически ДНК является своеобразной картой для аминокислот, указывающей, как именно они должны быть организованы в клетках сложных жиров. Группа биологов из Университета Глазго в Шотландии утверждает, что глина могла бы стать такой картой для простейших полимеров и жиров, до тех пор пока они не научились «самоорганизации».
Панспермия
Эта теория заставляет задуматься над возможностью космического происхождения жизни. То есть, согласно ее постулатам, жизнь возникла не на Земле, а всего лишь была принесена сюда с помощью метеорита, например, с Марса. На земле было найдено достаточно осколков, которые предположительно попали к нам с красной планеты. Еще одним способом «космического такси» для неизвестных форм жизни являются кометы, которые способны путешествовать между звездными системами.
Даже если это правда, панспермия все равно не способна ответить на вопрос, как именно зародилась жизнь там, откуда ее принесло на планету Земля.
Под ледяным покровом
Вполне возможно, что океаны и материки три миллиарда лет назад были покрыты толстым слоем льда, ведь Солнце светило не так ярко, как сегодня. Лед мог стать защитным слоем для хрупких органических молекул, не позволяя ультрафиолетовым лучам и космическим телам, сталкивающимся с поверхностью, причинять вред первым и слабым формам жизни. Кроме того, более низкая температура могла стать причиной эволюции первых молекул в более крепкие и продолжительные.
Мир РНК
Теория мира РНК основана на философском вопросе яйца и курицы. Дело в том, что для образования (удвоения) ДНК нужны белки, а белки не могут самовоспроизводиться без той самой карты, заложенной в ДНК. Так каким же образом возникла жизнь, если одно не может появиться без другого, но оба прекрасно существуют в настоящем? Ответом может стать РНК - рибонуклеиновая кислота, которая способна хранить информацию, как ДНК, и служить в качестве белковых энзимов. На основе РНК образовалась более совершенная ДНК, затем более эффективные белки полностью заменили собой РНК.
Сегодня РНК существует и выполняет несколько функций в сложных организмах, например, отвечает за работу некоторых генов. Эта теория вполне логична, однако она не отвечает на вопрос, что послужило катализатором для образования самой рибонуклеиновой кислоты. Предположение, что она могла появиться сама собой, отвергает большинство ученых. Теоретическим объяснением является формирование простейших кислот ПНК и ТНК, которые затем развились в РНК.
Простейшее начало
Эта теория называется голобиозом и происходит из идеи о том, что жизнь началась не из сложных молекул РНК и первичного генетического кода, а из простейших частиц, взаимодействующих между собой ради обмена веществ. Возможно, эти частицы со временем развили защитную оболочку, вроде мембраны, а затем и эволюционировали в один, более комплексный, организм. Эту модель называют «ферментной моделью обмена веществ», в то время как теорию мира РНК называют «моделью первичного генетического кода».
Один из самых важных вопросов, много лет занимающих умы ученых и обычных людей, - это вопрос возникновения и развития многообразия форм жизни на нашей планете.
На данный момент теории можно классифицировать в одну из 5 больших групп:
- Креационизм.
- Самозарождение жизни.
- Гипотеза стационарного состояния.
- Панспермия.
- Теория эволюции.
Каждая из концепций по-своему интересна и необычна, так что обязательно следует ознакомиться с ними подробнее, ведь происхождение жизни - это вопрос, на который каждый мыслящий человек желает знать ответ.
К креационизму относятся традиционные верования о том, что жизнь была создана неким высшим существом - Богом. Согласно этой версии, доказательством того, что все живое на Земле было создано высшим разумом, как бы он ни назывался, является душа. Эта гипотеза зародилась в очень древние времена, еще до основания мировых религий, однако наука все равно отрицает жизнеспособность этой теории происхождения жизни, поскольку наличие души у людей недоказуемо, а ведь это основной аргумент апологетов креационизма.
Гипотеза о самопроизвольном зарождении жизни появилась на Востоке и была поддержана многими знаменитыми философами и мыслителями Древней Греции и Рима. Согласно этой версии, жизнь может при определенных условиях зародиться в неорганических веществах и неживых предметах. Например, в гниющем мясе могут зародиться личинки мух, а в сыром иле - головастики. Такой подход также не выдерживает никакой критики со стороны научного сообщества.
Гипотеза кажется, появилась вместе с появлением людей, поскольку она говорит о том, что жизнь не зарождалась - она существовала всегда примерно в таком состоянии, в котором пребывает сейчас.
В основном эту теорию поддерживают исследования палеонтологов, находящих все более древние свидетельства наличия жизни на Земле. Правда, строго говоря, эта гипотеза несколько выделяется из данной классификации, поскольку такой вопрос, как происхождение жизни, она вообще не затрагивает.
Гипотеза панспермии является одной из самых интересных и спорных. Согласно этой концепции, в результате того, что на планету каким-то образом были занесены, например, микроорганизмы. В частности, исследования одного ученого, изучавшего метеориты Ефремовка и Мурчисонский, показали наличие в их веществе окаменелых остатков микроорганизмов. Подтверждения этих исследований, однако, не существует.
К этой же группе относится теория палеоконтакта, говорящая о том, что фактором, запустившим происхождение жизни и ее развитие, было посещение Земли инопланетянами, занесшими на планету микроорганизмы или даже специально заселившими ее. Эта гипотеза получает все большее распространение в мире.
Наконец, одна из самых популярных объясняющих происхождение жизни, - об эволюционном появлении и развитии живого на планете. Этот процесс все еще продолжается.
Таковы основные гипотезы, пытающиеся объяснить происхождение жизни и ее многообразие. Ни одну их них нельзя пока однозначно принять или отвергнуть. Кто знает, может быть, в будущем люди все-таки разгадают эту загадку?
Представление о жизни на Земле неоднозначно. Существует несколько гипотез о происхождении жизни на Земле.
Креационизм – земная жизнь была создана Творцом. Представления о Божественном сотворении мира придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религиозных учений. Ни доказать, ни опровергнуть креационистическую концепцию в настоящее время невозможно.
Гипотеза вечности жизни – жизнь, как и сама Вселенная, существовала всегда, и будет существовать вечно, не имея начала и конца. Вместе с тем отдельные тела и образования – галактики, звезды, планеты, организмы – возникают и погибают, т.е. существование во времени ограничено. Жизнь могла распространяться от одной галактики к другой и эта идея «заноса» на Землю жизни из Космоса называется панспермией . Идеи «вечности и безначальности» жизни придерживались многие ученые, среди них С.П. Костычев, В.И. Вернадский.
Гипотеза самопроизвольного зарождения жизни из неживой материи. Идеи о самозарождении жизни высказывались еще со времен античности. На протяжении тысячелетий они верили в возможность постоянного самопроизвольного зарождения жизни , считая его обычным способом появления живых существ из неживой материи. По мнению многих ученых средневековья, рыбы могли зарождаться из ила, черви – из почвы, мыши – из тряпок, мухи – из гнилого мяса.
В XVII в. итальянский ученый Ф. Реди экспериментально показал невозможность постоянного самозарождения живого. В нескольких стеклянных сосудах он поместил кусочки мяса. Часть из них он оставил открытыми, а часть прикрыл кисеей. Личинки мух появились только в открытых сосудах, в закрытых их не было. Принцип Реди: «живое – от живого». Окончательно версия о постоянном самозарождении живых организмов была опровергнута в середине XIX в. Л. Пастером. Опыты убедительно показывали, что в современную эпоху живые организмы любого размера происходят от других живых организмов.
Гипотеза биохимической эволюции. По представлениям, высказанным в 20-х гг. ХХ в. А.И.Опариным, а затем Дж. Холдейном, жизнь, а точнее, живое, возникло из неживой материи на Земле в результате биохимической эволюции .
Условия возникновения жизни при биохимической эволюции
В настоящее время учеными предложены более или менее вероятные объяснения, каким образом в первичных условиях Земли из неживой материи постепенно, шаг за шагом, развились разнообразные формы жизни. Возникновению жизни путем химической эволюции способствовали следующие условия:
— первоначальное отсутствие жизни;
— наличие в атмосфере соединений, обладающих восстановительными свойствами (при почти полном отсутствии кислорода О 2);
— наличие воды и биогенных веществ;
— наличие источника энергии (относительно высокая температура, мощные электрические разряды, высокий уровень УФ-излучения).
Механизм возникновения жизни
Возраст Земли составляет около 4,6–4,7 млрд. лет. Жизнь имеет свою историю, начавшуюся, по палеонтологическим данным, 3–3,5 млрд. лет назад.
В 1924 г. русский академик А.И. Опарин выдвинул гипотезу о механизме зарождения жизни. В 1953 г. американские ученые С. Миллер и Г. Юри экспериментально подтвердили гипотезу образование органических веществ (мономеров) из газов, присутствующих в первичной атмосфере Земли.
В настоящее время имеется уже достаточно много неоспоримых доказательств того, что первичная атмосфера Земли была бескислородной и, вероятно, состояла главным образом из водяных паров H 2 O, водорода H 2 и углекислого газа CO 2 с небольшой примесью других газов (NH 3 , CH 4 , CO, H 2 S). Возникшая на Земле жизнь постепенно изменила эти условия и преобразовала химию верхних оболочек планеты.
Происхождение жизни на Земле — подробности для пытливых умов
Согласно биохимической теории А.И. Опарина в отсутствие кислорода и живых организмов, абиогено синтезировались простейшие органические соединения – мономеров , предшественники биологических макромолекул живого вещества и ряда других органических соединений.
Возможными источниками энергии для образования органических веществ без участия живых организмов, видимо, являлись электрические разряды, ультрафиолетовое излучение, радиоактивные частицы, космические лучи, ударные волны от метеоритов, попадавших в земную атмосферу, теплота от интенсивной вулканической деятельности. В отсутствие кислорода, который мог бы их разрушить, а также живых организмов, которые использовали бы их в качестве пищи, абиогенно образовавшиеся органические вещества накапливались в Мировом океане – «первичном бульоне ».
Следующим шагом было образование более крупных полимеров из малых органических мономеров, опять же без участия живых организмов. Американский ученый С. Фокс в результате нагревания смеси сухих аминокислот получил полипептиды различной длины. Они были названы протеиноидами, т.е. белковообразными веществами. Видимо, на первобытной Земле образование таких протеиноидов и полинуклеотидов со случайной последовательностью аминокислот или нуклеотидов могло происходить при испарении воды в водоемах, остававшихся после отлива.
Если полимер образовался, он способен влиять на образование других полимеров. Некоторые протеиноиды способны, подобно ферментам, катализировать определенные химические реакции: именно эта способность, наверное, была главной чертой, определившей их последующую эволюцию. Эксперименты показывают, что один полинуклеотид, возникший из смеси нуклеотидов может служить матрицей для синтеза другого.
Полипептиды благодаря их амфотерности формировали коллоидные гидрофильные комплексы (т.е. молекулы воды, образуя вокруг белковых молекул оболочку, обособляли их от всей массы воды). При этом отдельные комплексы ассоциировались друг с другом, что приводило к образованию обособленных от первичной среды капель коацерватов , способных поглощать и избирательно накапливать различные соединения . Естественный отбор способствовал выживанию наиболее устойчивых коацерватных систем, способных к дальнейшему усложнению.
Дальнейшая самоорганизация сложных молекул, происходившая за счет концентрирования на границе между коацерватами и внешней средой молекул липидов, привела к образованию перегородок мембранного типа. Во внутренних полостях коацерватов, куда уже только выборочно проникать молекулы, началась эволюцию от химических реакций к биохимическим. Одной из важнейших ступеней этой теории явилось объединение способности полинуклеотидов с каталитической активностью белков-ферментов.
Точка зрения Опарина и его сторонников по существу сформировала гипотезу голобиоза : структурную основу доклеточного предка (биоида) составляют жизнеподобные открытые (коацерватные) микросистемы, типа клеточной, способные к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма . Первичной белковая субстанция.
Гипотеза генобиоза : первичной была макромолекулярная система, подобная гену, способная к саморепродукции . Первичной признана молекула РНК.
Начальные этапы развития жизни на Земле
Современное представление о жизни на Земле сводится к тому, что первые примитивные клетки появились в водной среде Земли 3,8 млрд. лет назад – анаэробные, гетеротрофные прокариоты , они питались синтезированными абиогенно органическими веществами или менее удачливыми своими собратьями; энергетические потребности удовлетворяли за счет брожения.
При увеличении численности гетеротрофных прокариотических клеток запас органических соединений в первичном океане истощался. В этих условиях значительное преимущество при отборе должны были приобрести организмы, способные к автотрофности , т.е. к синтезу органических орг. веществ из неорганических. Видимо, первыми автотрофными организмами были хемосинтезирующие бактерии . Следующим этапом было развитие реакций с использованием солнечного света – фотосинтез .
Для первых фотосинтезирующих бактерий источником электронов был сероводород. Значительно позже у цианобактерий (синезеленых водорослей) развился более сложный процесс получения электронов из воды. В качестве побочного продукта фотосинтеза в земной атмосфере начал накапливаться кислород. Это явилось предпосылкой для возникновения в ходе эволюции аэробного дыхания
. Способность синтезировать при дыхании большее количество АТФ позволяла организмам расти и размножаться быстрее, а также усложнять свои структуры и обмен веществ.
Считают, что предками эукариот были прокариотические клетки. Согласно теории клеточного симбиогенеза эукариотическая клетка представляет сложную структуру, состоящую из нескольких прокариотических клеток, которые взаимодополняют друг друга. Целый ряд данных свидетельствует о происхождении митохондрий и хлоропластов, а возможно, и жгутиков от ранних прокариотических клеток, ставших внутренними симбионтами большей по размерам анаэробной клетки.
Глубокие преобразования в строении и функционировании значительно увеличили эволюционные возможности эукариот, которые, появившись всего 0,9 млрд. лет назад, смогли достигнуть многоклеточного уровня и сформировать современную флору и фауну. Для сравнения следует сказать, что с момента появления первых прокариотических клеток (3,8 млрд. лет назад) до появления первых эукариотических клеток потребовалось 2,5 млрд. лет.
Происхождение жизни на Земле: Основные этапы развития биосферы
| Эон | Эра | Период | Возраст (начало), млн. лет | Органический мир |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Криптозой | Архей | 4500±100 | Образование Земли. Возникновение прокариот и примитивных эукариот. | |
| Протерозой | 2600±100 | Распространены водоросли, бактерии, все типы беспозвоночных. | ||
| Фанерозой | Палеозой | Кембрий | 570±10 | Процветание водорослей и водных беспозвоночных. |
| Ордовик | 495±20 | |||
| Силур | 418±15 | Появление наземных растений (псилофитов) и беспозвоночных. | ||
| Девон | 400±10 | Богатая флора псилофитов, появляются мхи, папоротниковидные, грибы, кистеперые и двоякодышащие рыбы. | ||
| Карбон | 360±10 | Обилие древовидных папоротников, исчезновение псилофитов. Доминируют земноводные, моллюски, рыбы; появляются рептилии. | ||
| Пермь | 290±10 | Богатая флора травянистых и семенных папоротников, появление голосеменных; вымирание древовидных папоротниковидных. Господство морских беспозвоночных, акул; развитие рептилий; вымирают трилобиты. | ||
| Мезозой | Триас | 245±10 | Преобладают древние голосемянные; вымирают семенные папоротники. Преобладают земноводные, рептилии; появляются костистые рыбы, млекопитающие. | |
| Юра | 204±5 | Господствуют современные голосемянные; появляются первые покрытосемянные; вымирают древние голосемянные. Господствуют гигантские рептилии, костистые рыбы, насекомые. | ||
| Мел | 130±5 | Доминируют современные покрытосемянные; сокращаются папоротники и голосемянные. Преобладают костистые рыбы, первоптицы, мелкие млекопитающие; вымирают гигантские рептилии. | ||
| Кайнозой | Палеоген | 65±3 | Широко распространены покрытосемянные, особенно травянистые. Доминируют млекопитающие, птицы, насекомые. Исчезают многие рептилии, головоногие моллюски. | |
| Неоген | 23±1 | |||
| Антропоген (четвертич.) | 1,8 | Современный растительный и животный мир. Эволюция и господство человека. |
Многообразие живых организмов – основа организации и
устойчивости биосферы
Современное биологическое разнообразие: на Земле от 5 до 30 млн. видов. Биологическое разнообразие – как результат взаимодействия двух процессов – видообразования и вымирания. Биологическое разнообразие – наиболее ценный «ресурс» планеты. Биологическое разнообразие включает два понятия: генетическое разнообразие или многообразие генетических свойств у особей одного вида и видовое разнообразие или число различных видов внутри сообщества или всей биосферы. Биоразнообразие обеспечивает новыми источниками питания, энергии, сырья, химических и лекарственных продуктов. Генетическое разнообразие позволяет видам совершенствоваться, приспосабливаться, использовать необходимые ресурсы, найти место в биогеохимическом круговороте Земли. Биоразнообразие – страховая политика природы против катастроф.
Структура биологического разнообразия. Единицы системы – демы и популяции. Генофонд популяции.
Эволюция биологического разнообразия. Сквозная эволюционная тенденция – увеличение разнообразия , прерываемое резкими спадами в результате массовых вымираний видов.
Воздействие человека на биологическое разнообразие. Прямой ущерб в результате человеческой деятельности. Косвенный ущерб от воздействий, нарушающих сбалансированные соотношения и процессы в экосистемах.
Сохранение биологического разнообразия. Инвентаризация и охрана биологического разнообразия. Сочетание прав человека с правами животных. Биоэтика. Сочетание этических принципов и экономических интересов. Сохранение и естественная эволюция биологического разнообразия.
Биологическое разнообразие как индикатор воздействий. Используются как отдельные компоненты биологического разнообразия, так и суммарные показатели. Нарушение структуры функции или сукцессионной последовательности развития экосистемы обычно выражается в сокращении биологического разнообразия.
В настоящее время на Земле описано около 3 млн. видов живых организмов. В современной систематике живых организмов существует следующая иерархия таксонов: царство, отдел (тип в систематике животных), класс, порядок (отряд в систематике животных), семейство, род, вид. Кроме того, выделяют промежуточные таксоны: над- и подцарства, над- и подотделы и т.д.
Цели урока:
Расширение и обобщение знаний обучающихся о различных взглядах на возникновение жизни на Земле;
Создание проблемно-ориентированной развивающей среды как условия раскрытия интеллектуального потенциала личности выпускника средней школы.
Оборудование:
Портреты выдающихся ученых и философов прошлого;
Презентации: “Креационизм”, “Развитие представлений о возникновении жизни”;
Карточка для выполнения лабораторной работы: “Анализ и оценка различных гипотез происхождения жизни”;
Карточка “Краткий словарь терминов”;
Компьютер, проектор, экран.
Ход урока
1. Актуализация знаний.
Отличия живого от неживого и определение понятия “жизнь”. (краткая беседа).
2. Вступительное слово учителя.
Жизнь существует на Земле 4,5 миллиарда лет. Она заполняет все уголки нашей планеты. Озера, реки, моря, океаны, горы, равнины, пустыни, даже воздух – населены живыми существами. Предполагается, что за всю историю жизни на Земле существовало около 4,5 млрд. видов животных и растений.
Как возникла и развивалась жизнь на нашей планете? Проблема происхождения жизни исстари приковывала к себе человеческую мысль. С глубокой древности и до нашего времени было высказано множество гипотез о происхождении жизни на Земле. Но и по сей день нет окончательного ответа. Исследуя историю развития представлений о возникновении жизни мы можем лишь ознакомиться с научными теориями, предложенными учеными, с результатами их исследований по данному вопросу.
С глубокой древности и до нашего времени было высказано множество гипотез о происхождении жизни на Земле. Однако все их многообразие сводится у двум взаимоисключающим точкам зрения.
Сторонники теории биогенеза (от греч. био – жизнь и генезис – происхождение) полагали, что все живое происходит только от живого. Их противники защищали теорию абиогенеза считали возможным происхождение живого от неживого, т. е. в той или иной мере допускали самозарождение жизни.
Мы можем наблюдать элементы материалистических и идеалистических воззрений, пронизывающие всю историю формирования взглядов на возникновение жизни с древнейших времён до наших дней.
Возникновение Земли
С точки зрения современной науки Солнце и планеты возникли одновременно из межзвездного вещества - частиц пыли и газа. Это холодное вещество постепенно уплотнялось, сжималось, а затем распалось на несколько неравных сгустков. Один из них, самый большой, дал начало Солнцу. Его вещество, продолжая сжиматься, разогрелось, вокруг него образовалось вращающееся газопылевое облако, которое имело форму диска. Из плотных сгустков этого облака возникли планеты. Земля образовалась примерно 4,5 млрд. лет назад. Ученые определили это по возрасту самых древних горных пород.
Теория стационарного (постоянного) состояния
Как гласит теория стационарного состояния, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; условия окружающей среды, были всегда возможны для того чтобы поддерживать жизнь, а если и изменялись, то не на много. Согласно этой версии, виды живых существ также никогда не образовывались, они существовали всегда, и у каждого вида имеются всего лишь две возможной реальности - либо изменение численности, либо вымирание. Но гипотеза стационарного состояния в корне противоречит данным современной науки, в частности астрономии, эти данные, указывают на конечное существование времени жизни любых звёзд и, соответственно, планетарных систем вокруг этих светил. По современным оценкам, основанным на учете скоростей радиоактивного распада, возраст Земли, Солнца и Солнечной системы исчисляется ~4,6 млрд. лет. Поэтому эта гипотеза обычно не рассматривается академической наукой.
Сторонники этой теории отказываются признавать, что наличие или отсутствие определенных ископаемых остатков (останков) может направленно акцентировать внимание на время возникновения или вымирания отдельных, разных видов, и приводит в качестве примера представителя кистеперых рыб - латимерию (целаканта).
Теория самозарождения жизни
Теория спонтанного зарождения возникла в древнем Китае, Вавилоне и Греции в качестве альтернативы креационизму, с которым она сосуществовала. Приверженцем этой теории был и Аристотель. Её последователи считали, что определённые вещества содержат “активное начало”, которое при подходящих условиях может создать живой организм.
Среди мореплавателей были известны взгляды на появление бернакельского гуся. Этот гусь вырастает на обломках сосны, носящихся по морским пучинам. Вначале он имеет вид капельки смолы. Он прикрепляется клювом к дереву и выделяет для безопасности твердую скорлупу, в которой живет спокойно и беззаботно. Через некоторое время у гуся вырастают перья, и тогда он сходит с куска коры в воду и начинает плавать. А в один прекрасный день взмахивает крыльями и улетает.
В течение долгих веков, свято веря в акт Божественного творения, люди, кроме того, были твёрдо убеждены, что жизнь постоянно зарождается самопроизвольно. Ещё древнегреческий философ Аристотель писал, что не только растения, черви, насекомые, но даже рыбы, лягушки и мыши могут рождаться из влажной почвы или гниющего ила. Голландский учёный Ян Ван Гельмонта в XVII в. описал свой опыт, утверждая, что живые мыши якобы зарождались у него из грязного белья и горсти пшеницы, запертых в шкафу. Другой натуралист, Гриндель фон Ах, так рассказывал о якобы наблюдавшемся им самозарождении живой лягушки: “Хочу описать появление на свет лягушки, которое мне удалось наблюдать при помощи микроскопа. Однажды я взял каплю майской росы и, тщательно наблюдая за ней под микроскопом, заметил, что у меня сформировывается какое-то существо. Прилежно наблюдая на второй день, я заметил, что появилось уже туловище, но голова ещё казалась не ясно сформированной; продолжая свои наблюдения на третий день, я убедился, что наблюдаемое мною существо есть не что иное, как лягушка с головой и ногами. Прилагаемый рисунок всё поясняет”.
“Таковы факты, - писал в своем труде Аристотель, - живое может возникать в результате не только спаривания организмов, но и в результате разложения почвы, самозарождаясь под действием сил природы из разлагающейся земли.”
4. Комментарий учителя об оценке исследований проблемы происхождения жизни в 18-19 веках.
Против такого подхода к проблеме зарождения жизни выступил итальянский натуралист Франческо Реди. “Убежденность была бы тщетной,- писал он, - если бы ее нельзя было подтвердить экспериментом. Поэтому я взял 2 сосуда, поместил туда угря. Один сосуд был закрыт, а другой оставался открытым, Можно было видеть, что личинки мух появились только в открытом сосуде. Значит, личинки зарождаются не самопроизвольно, а из отложенных мухами яиц.”
Но противники Реди, так называемые виталисты (от лат. витас -жизнь)- сторонники всепроникающей жизненной силы- утверждали, что в закрытый горшок не мог поступить воздух, а вместе с ним и “жизненная сила”, поэтому личинки мух в закрытом сосуде и не появлялись.
Тогда Реди поставил гениальный по простоте опыт. Он поместил мертвых змей в 2 сосуда один оставил открытым, другой закрыл кисеей. Через некоторое время личинки мух появились только в открытом сосуде. Опыт убеждал в том, что растения и животные появляются только из семян или яиц, образуемых родительскими особями, но не могут возникнуть из неживой природы. А как быть с микроорганизмами? Споры между сторонниками биогенеза и абиогенеза продолжались.
В 1859 г. Французская академия наук назначила премию тому, кто положит конец спорам о самозарождении жизни. В 1862 г. Премию получил Луи Пастер. Он провел эксперимент, по простоте соперничавший с опытом Реди. В колбах он кипятил мясной бульон, в котором могли бы развиваться микроорганизмы. При кипячении они и их споры погибали. К колбе Пастер присоединил изогнутую трубку, споры микробов оседали в ней и не могли проникнуть в питательную среду, а доступ пресловутой “жизненной силы “ был обеспечен. Питательная среда оставалась стерильной, но стоило отломить трубку, как среда загнивала. Впоследствии на основе опыта Пастера были созданы методы:: пастеризации, консервации, учение об асептики и антисептике. Таковы были практические итоги теоретического спора.
5. Выступления обучающихся по анализу других гипотез происхождения жизни на Земле.
Гипотезы вечности жизни во Вселенной. Панспермия
Опровержение Л. Пастером теории самопроизвольного зарождения жизни сыграло двоякую роль. С одной стороны, представители идеалистической философии увидели в его опытах лишь непосредственное свидетельство принципиальной невозможности перехода от неорганической материи к живым существам в результате действия только естественных сил природы. Это вполне согласовывалось с их мнением о том, что для возникновения жизни необходимо вмешательство нематериального начала – творца. С другой стороны, некоторые материалистически мыслящие естествоиспытатели лишились теперь возможности использовать явление самозарождения жизни в качестве главного доказательства своих взглядов. Возникло представление вечности жизни во вселенной. Так появилась гипотеза панспермии, которую выдвинул немецкий химик Ю. Либих (1803 – 1873).
Согласно гипотезе панспермии жизнь существует вечно и переносится с планеты на планету метеоритами. Простейшие организмы или их споры (“семена жизни”), попадая на новую планету и найдя здесь благоприятные условия, размножаются, давая начало эволюции от простейших форм к сложным. Сторонником гипотезы панспермии был выдающийся отечественный естествоиспытатель В.И. Вернадский (1863 – 1945)
Особенно активно развивал теорию панспермии шведский физико-химик С. Аррениус (1859-1927). В опытах русского физика П.Н. Лебедева (1866-1912), открывшего давление светового потока, С. Аррениус увидел доказательство возможности переноса спор микроорганизмов с планеты на планету. Жизнь переносится, предполагал он, не в виде микроорганизмов на метеоритах, раскаляющихся при вхождении в плотные слои атмосферы, - сами споры могут перемещаться в мировом пространстве, движимые давлением солнечного света!
В дальнейшем и этот взгляд был отвергнут. В условиях космоса зачатки жизни в тех формах, которые известны нам на Земле, по видимому, не могут существовать, и все попытки обнаружить в космосе какие-либо формы жизни не дали пока положительных результатов. Тем не менее и некоторые современные ученые высказывают гипотезы о внеземном происхождении жизни. Так, американские ученые Ф. Крик и Л. Оргел полагают, что Земля была “засеяна” какими-то разумными существами, обитателями тех планетных систем, развитие жизни на которых опередило нашу Солнечную систему на миллиарды лет. Снарядив ракету и помести в неё контейнер с простейшими организмами, они запустили её по направлению к Земле, установив предварительно, что на нашей планете есть необходимые условия для жизни. Разумеется, доказать это нельзя и категорично опровергнуть не возможно.
Одним из свидетельств в пользу гипотезы внеземного происхождения жизни было обнаружение внутри метеорита, названного ALH 84001 палочковидных образований, напоминающих по форме окаменелые бактерии. Сам метеорит был частичкой марсианской коры, которая была выброшена в космос 16 млн. лет назад в результате взрыва на этой планете. А 13 тыс. лет назад он упал на Землю, в Антарктиде, где и был недавно обнаружен. Окончательно ответить на вопрос “Есть ли жизнь на Марсе?” удастся в скором будущем, когда будут опубликованы отчеты американского национального управления по аэронавтике и космическим исследованиям NASA. Эта организация осуществила запуск спутника на Марс с целью взятия образцов марсианского грунта и теперь проводит обработку полученного материала. Если исследования покажут, что микроорганизмы населяли Марс, то о занесении жизни из космоса можно будет говорить с большей долей уверенности.
Теория панспермии уводит нас от решения вопроса о происхождении жизни на Земле: если жизнь возникла не на Земле, то как она возникла вне её? Данная теория не нашла признания у многих ученых (не объясняет происхождение жизни)
Гипотеза креационизма
Гипотеза креационизма - взгляд на возникновение жизни с точки зрения верующих людей. Согласно этой гипотезе жизнь возникла в результате какого-то сверхъестественного события в прошлом. Ее придерживаются последователи всех религиозных концессий мира- ислама, христианства, буддизма, иудаизма. С точки зрения этих религий Вселенная состоит из материальной и духовной составляющих. Живую материю, то есть животный, растительный мир и человека породила духовная составляющая, другими словами Бог. Сторонники этой гипотезы приводят примеры особенностей живой материи, которые не могут быть объяснены современной наукой и с точки зрения религии демонстрируют существование Высшего Разума. Например: вирусы состоят из белковой оболочки и ДНК. В клетке хозяина для размножения вирусу необходимо удвоить молекулу ДНК, но для этого нужна огромная энергия, кто инициирует этот процесс? В рамках естественных наук вопрос пока без ответа.
Значит ли это, что присущая многим стереотипная точка зрения о том, что наука и религия по сути своей противоречивы верна? Многие исследователи считают, что наука и религия это способы познания двух сторон единого мира - материальной и духовной реальности. На практике они должны не противопоставляться, а дополнять и поддерживать друг друга. Вот почему Альберт Эйнштейн говорил: “Наука без религии ущербна, религия без науки слепа”. Презентация 2
Гипотеза биохимической эволюции
Теория биохимической эволюции имеет наибольшее количество сторонников среди современных учёных. Земля возникла около пяти миллиардов лет назад; первоначально температура её поверхности была очень высокой. По мере её остывания образовались твёрдая поверхность (литосфера). Атмосфера, первоначально состоявшая из лёгких газов (водород, гелий), не могла эффективно удерживаться недостаточно плотной Землёй, и эти газы заменялись более тяжёлыми: водяным паром, углекислым газом, аммиаком и метаном. Когда температура Земли опустилась ниже 100° C, водяной пар начал конденсироваться, образуя мировой океан. В это время из первичных соединений и образовывалась сложные органические вещества; энергию для реакций синтеза доставляли грозовые разряды и интенсивная ультрафиолетовая радиация. Накоплению веществ способствовало отсутствие живых организмов – потребителей органики – и главного окислителя – кислорода.
Первичные органические вещества (белки) могли создаваться из неорганических в условиях восстановительного характера атмосферы за счет энергии мощных электрических разрядов. Белковые структуры (протобионты, по терминологии Опарина) благодаря амфотерности образовывали коллоидные гидрофильные комплексы (притягивали к себе молекулы воды) с общей водной оболочкой. Эти комплексы могли обособляться от всей массы воды и сливались друг с другом, образовывая коацерватные капли (коацервация - самопроизвольное разделение водного раствора полимеров на фазы с различной их концентрацией). В коацерватах вещества вступали в дальнейшие химические реакции (происходило избирательное поглощение ионов металлов и образование ферментов). Усложнение протобионтов достигалось отбором таких коацерватных капель, которые обладали преимуществом в лучшем использовании веществ и энергии среды. На границе между коацерватами и внешней средой из липидов сформировалась примитивная мембрана, что привело к возникновению первой клетки.
Современная наука рассматривает абиогенное возникновение жизни на Земле, считая эту теорию наиболее вероятной. Абиогенез состоит из трёх основных этапов развития жизни:
1. Абиогенное возникновение биологических мономеров.
2. Образование биологических полимеров.
3. Формирование мембранных структур и первичных организмов (пробионтов).
В настоящее время проблема происхождения жизни не решена. Ученые продолжают искать пути её решения.
7. Выполнение лабораторной работы
Лабораторная работа
“Анализ и оценка различных гипотез
происхождения жизни”
Цель исследования Охарактеризовать мифологические представления древних ученых, первые научные попытки объяснения сущности и процесса возникновения жизни, охарактеризовать экспериментальные доказательства гипотез: опыты Ф. Реди, взгляды В. Гарвея, эксперименты Л. Пастера, теории вечности жизни, материалистические представления о возникновении жизни на Земле. Ознакомиться с утверждениями сторонников панспермии, гипотезой о вечности жизни во Вселенной. Объяснить, почему данные теории не нашли признания у многих ученых.
Являются ли представленные гипотезы доказательными? Допускают ли они эволюционное развитие природы? Можно ли считать данные гипотезы научными? Укажите знаком (+) или (-)
| Гипотезы происхождения жизни | Доказательность гипотезы |
Эволюционное развитие |
Научность гипотезы |
|
| 1 | Креационизм | |||
| 2 | Витализм - теория самозарождения жизни | |||
| 3 | Теория панспермии | |||
| 4 | Теория стационарного состояния | |||
| 5 | Теория биохимической эволюции |
На основании произведенного анализа сделайте вывод о том, какая из гипотез происхождения жизни на Земле является более вероятной.
Терминологический словарь
Жизнь - одна из форм существования материи, закономерно возникающая при определенных условиях в процессе ее развития. Организмы отличаются от неживых объектов обменомвеществ, раздражимостью, способностью к размножению, росту, развитию, регуляции состава и функций, к различным формам движения, приспособляемостью к среде и т.п.
Абиогенез - теория, согласно которой живое может возникнуть из неживого.
В широком смысле абиогенез - попытка представить возникновение живого из неживого.
Биогенез - теория, согласно которой живое может возникнуть только из живого.
Витализм - теория, согласно которой всюду присутствует “жизненная сила”, которую достаточно лишь “вдохнуть”, и неживое станет живым.
Креационизм - теории, согласно которой жизнь возникла в результате некоего сверхъестественного события в прошлом, что чаще всего означает божественное творение.
Панспермия - теория, согласно которой “семена жизни” были занесены на Землю из космоса вместе с метеоритами или космической пылью.
Коацерваты - белковые комплексы, обособленные от массы воды, способные обмениваться веществами с окружающей средой и избирательно накапливать различные соединения.
Пробионты - примитивные гетеротрофные организмы, возникшие в“первичном бульоне”.
8. Подведение итогов
Жизнь - это лишь искра в бескрайней тьме: появится, померцает и исчезнет навсегда.
По сравнению с бесконечностью времени срок человеческой жизни лишь исчезающе краткое мгновенье, но это все, что нам здесь дано.
Поэтому надо вести свою жизнь в свете вечности и тратить время и таланты на дела, обладающие вечной ценностью.
Домашнее задание. Составить в форме презентации ответы на вопросы:
1. В чем заключается ценность жизни?
2. В чем смысл человеческой жизни?
3. Почему нужно беречь жизнь?