Гипотеза Опарина-Холдейна
Всего получено оценок: 537.
Всего получено оценок: 537.
Наибольшей популярностью у современных учёных пользуется гипотеза Опарина-Холдейна о происхождении жизни на Земле. Согласно гипотезе жизнь произошла из неживой материи (абиогенно) в результате сложных биохимических реакций.
Положения
Чтобы рассказать кратко о гипотезе возникновения жизни, следует выделить три этапа становления жизни по Опарину:
Биологической эволюции предшествовала химическая эволюция, в результате которой в атмосфере Земли абиогенным путем образовались из неорганических веществ органические. Их синтез осуществлялся в бескислородных условиях под действием ультрафиолетовых лучей и разрядов молний.
Из органических веществ в океане возникали биополимеры. Из органических соединений в воде образовывались сгустки – коацерватные капли, которые со временем отделились от внешней среды мембраной из липидов. Так возникли пробионты – примитивные формы жизни. Появление в пробионтах нуклеиновых кислот способствовало передаче наследственной информации и усложнению организации. В результате длительного естественного отбора остались только те из них, которые были способны к успешному воспроизводству.
Рис. 2. Пробионты.
Пробионты или проклетки до сих пор не были получены экспериментальным путём. Поэтому до конца непонятно, как возник генетический код и примитивное скопление биополимеров смогло перейти от неживого пребывания в бульоне к воспроизводству, питанию и дыханию.
История
Гипотеза Опарина-Холдейна прошла долгий путь и не раз критиковалась. История становления гипотезы описана в таблице.
Основные положения теории Опарина-Холдейна
Происхождение жизни на Земле согласно теории Опарина-Холдейна
До сих пор нет однозначного ответа на вопрос о возникновении жизни на нашей планете. Одним из первых ученых, отважившимся ответить на него, был советский биолог А.И. Опарин. Апогей его деятельности пришелся на 50-70 годы ХХ века, однако еще в 1924 г. вышла в свет его книга «Происхождение жизни», в которой ученый изложил главные идеи своей гипотезы.
Опарин считал, что живые организмы на планете зародилась вследствие долговременного эволюционного процесса формирования живой материи из неживой. Простые органические соединения сформировались из неорганических под воздействием факторов окружающей среды и сложных биохимических процессов. Близкие предположения высказал в 1929 г. британский биолог Дж. Холдейн.
Таким образом, в основе теории лежит концепция абиогенеза.
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
Абиогенез — естественный процесс возникновения жизни из неорганической среды.
Теория Опарина-Холдейна завоевала большую популярность и в рамках школьного курса биологии является основополагающей в контексте объяснения появления жизни на Земле. Но в свете последних научных открытий она вызывает много вопросов и выглядит несколько устарелой.
Основные положения, в чем суть, достоинства и недостатки
Согласно теории Опарина, биологической эволюции на Земле предшествовала эволюция химическая, предопределившая возникновение сложных соединений. Образование жизни происходило в определенной последовательности:
Жизнь, согласно теории, смогла образоваться только в условиях давней атмосферы, имеющей значительные отличия от современной, и отсутствия живых существ. Схема развития и зарождения жизни согласно теории Опарина:
На изначальном этапе своего существования Земля являлась горячим шаром. Она постепенно остывает, и около 4 млрд лет назад на ее поверхности образовалась твердая кора.
Вещества из недр планеты, прорвавшиеся наружу, со временем сформировали атмосферу. Она состояла из:
Образовывается первичный океан, где начинают синтезироваться простые органические молекулы: аминокислоты, нуклеотиды, сахара, жирные и органические кислоты, спирты. Они накапливаются и формируют «первичный бульон». Энергетическими факторами синтеза стали:
Далее из простых органических соединений образовались белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. В дальнейшем процессе главную роль Опарин отводил белкам. Они формировали коллоидные гидрофильные комплексы, которые объединялись в коацерваты — многомолекулярные органические сгустки, отделенные от остальной водной массы.
Из внешнего мира в них попадали органические соединения, которые провоцировали синтез более сложных веществ. Коацерваты и окружающую среду разграничивали молекулы липидов, которые стали основой для формирования простой клеточной мембраны.
Впоследствии коацерваты стали увеличиваться в размерах, взаимодействовать между собой, с окружающей средой. После слияния коацерватов и нуклеиновых кислот появились протобионты — примитивные жизненные формы, которые могли самовоспроизводиться. Они были анаэробами и гетеротрофами, передавали наследственную информацию очередным поколениям, а также подвергались естественному отбору. С этого времени берет начало органическая эволюция.
Схожие идеи относительно происхождения жизни выдвигал и Дж. Холдейн. Однако он считал, что формировались не коацерваты, а макромолекулярные вещества, имеющие способность к воспроизводству. По его мнению, изначальными веществами были нуклеиновые кислоты, а не белки.
Плюсы теории Опарина-Холдейна:
Минусы теории:
Развитие и доказательства
Теория Опарина-Холдейна вызвала оживленные дискуссии в ученом мире, претерпела много критики. В свете новых данных, полученных современной наукой, она претерпела значительные преобразования. К примеру, в 1979 г. британский биолог Р. Докинз в книге «Эгоистический ген» выразил догадку об образовании в «первичном бульоне» не коацерватов, а способных к самовоспроизведению молекул, которые наполнили океан. Ныне ученые дополнили и видоизменили теорию следующими утверждениями.
Новые модифицированные гипотезы:
Воссоздание процессов эволюции в лаборатории
В 1953 г. американские исследователи С. Миллер и Г. Юри решили экспериментально показать процесс появления органики из химических веществ. В соединенных колбах были смоделированы предположительные условия возникновения жизни на планете.
Колбы были заполнены смесью газов, подобной по составу с древней атмосферой, которая поддавалась воздействию (нагреванию, электрическим разрядам). На протяжении недели в колбе были замечены аминокислоты и другие органические соединения.
Другие ученые неоднократно осуществляли подобные эксперименты и получали аминокислоты, но в лабораторных условиях никогда не были синтезированы нуклеиновые кислоты, липиды, протеины и полисахариды.
Однако Миллер и Юри проводили свой опыт в середине ХХ века и основывались на тогдашних представлениях о возможном составе древней атмосферы Земли. Современные ученые посредством экспериментов и компьютерного моделирования изменили эти представления.
Главными компонентами атмосферы были углекислый газ и азот, причем огромная концентрация первого создавала значительный парниковый эффект, сильно прогревавший океан. При воссоздании условий такой атмосферы в аппарате Миллера органические соединения не образуются.
Выводы:
Гипотеза А. И. Опарина о происхождении жизни на Земле
Содержание
2.1 Гипотеза А. И. Опарина о происхождении жизни на Земле
2.2 Сильные и слабые стороны концепции
4. Используемая литература
Введение
Жизнь – такое понятное и вместе с тем такое загадочное для каждого мыслящего человека слово. Казалось бы, что смысл этого слова должен быть ясен и однозначен для всех времен и всех народов. Однако, мы знаем, что на протяжении многих веков менялись взгляды на проблему происхождения жизни, и было высказано большое количество самых разнообразных гипотез и концепций. Некоторые из них получили широкое распространение и доминировали в те или иные периоды развития естествознания.
Одним из главных препятствий, стоявших в начале XX в. на пути решения проблемы возникновения жизни, было господствовавшее в науке и основанное на повседневном опыте убеждение, что между органическими и неорганическими соединениями не существует никакой взаимосвязи. До середины XX в. многие ученые полагали, что органические соединения могут возникать только в живом организме, биогенно. Именно поэтому их назвали органическими соединениями в противоположность веществам неживой природы — минералам, которые получили название неорганических соединений. Считалось, что природа неорганических веществ совершенно иная, а поэтому возникновение даже простейших организмов из неорганических веществ принципиально невозможно. Однако после того, как из обычных химических элементов было синтезировано первое органическое соединение, представление о двух разных сущностях органических и неорганических веществ оказалось несостоятельным. В результате этого открытия возникли органическая химия и биохимия, изучающие химические процессы в живых организмах.
Кроме того, данное научное открытие позволило создать концепцию биохимической эволюции, согласно которой жизнь на Земле возникла в результате физических и химических процессов. Исходную основу этой гипотезы составили данные о сходстве веществ, входящих в состав растений и животных, а также о возможности в лабораторных условиях синтезировать органические вещества, составляющие белок.
Эти открытия легли в основу концепции А. И. Опарина, опубликованной в 1924 г. в книге «Происхождение жизни», где была изложена принципиально новая гипотеза происхождения жизни.
Основная часть
Гипотеза А. И. Опарина о происхождении жизни на Земле
В 1924 г. русский ученый Александр Иванович Опарин впервые сформулировал основные положения концепции предбиологической эволюции.
Появление жизни он рассматривал как единый естественный процесс, который состоял из протекавшей в условиях ранней Земли первоначальной химической эволюции, перешедшей постепенно на качественно новый уровень — биохимическую эволюцию. Суть гипотезы сводилась к следующему: зарождение жизни на Земле — длительный эволюционный процесс становления живой материи в недрах неживой. И произошло это путем химической эволюции, в результате которой простейшие органические вещества образовались из неорганических под влиянием сильнодействующих физико-химических факторов.
Рассматривая проблему возникновения жизни путем биохимической эволюции, Опарин выделяет три этапа перехода от неживой материи к живой:
1) этап синтеза исходных органических соединений из неорганических веществ в условиях первичной атмосферы ранней Земли;
2) этап формирования в первичных водоемах Земли из накопившихся органических соединений биополимеров, липидов, углеводородов;
3) этап самоорганизации сложных органических соединений, возникновение на их основе и эволюционное совершенствование процессов обмена веществом и воспроизводства органических структур, завершающееся образованием простейшей клетки.
На первом этапе, около 4 млрд. лет назад, когда Земля была безжизненной, на ней происходили абиотический синтез углеродистых соединений и их последующая предбиологическая эволюция. Для этого периода эволюции Земли были характерны многочисленные вулканические извержения с выбросом огромного количества раскаленной лавы. По мере остывания планеты водяные пары, находившиеся в атмосфере, конденсировались и обрушивались на Землю ливнями, образуя огромные водные пространства. Поскольку поверхность Земли оставалась все-таки горячей, вода испарялась, а затем, охлаждаясь в верхних слоях атмосферы, вновь выпадала на поверхность планеты. Эти процессы продолжались многие миллионы лет. Таким образом, в водах первичного океана были растворены различные соли. Кроме того, в него попадали и органические соединения: сахара, аминокислоты, азотистые основания, органические кислоты и т.п., непрерывно образующиеся в атмосфере под действием ультрафиолетового излучения, высокой температуры и активной вулканической деятельности.
Первичный океан, вероятно, содержал в растворенном виде различные органические и неорганические молекулы, попавшие в него из атмосферы и поверхностных слоев Земли. Концентрация органических соединений постоянно увеличивалась, и, в конце концов, воды океана стали «бульоном» из белковоподобных веществ — пептидов.
На втором этапе, по мере смягчения условий на Земле, под воздействием на химические смеси первичного океана электрических разрядов, тепловой энергии и ультрафиолетовых лучей стало возможным образование сложных органических соединений — биополимеров и нуклеотидов, которые, постепенно объединяясь и усложняясь, превращались в протобионтов (доклеточные предки живых организмов). Итогом эволюции сложных органических веществ стало появление коацерватов, или коацерватных капель.
Коацерваты — это комплексы коллоидных частиц, раствор которых разделяется на два слоя: слой, богатый коллоидными частицами, и жидкость, почти свободную от них. Коацерваты обладали способностью поглощать различные вещества, растворенные в водах первичного океана. В результате внутреннее строение коацерватов менялось, что вело или к их распаду, или к накоплению веществ, т.е. к росту и изменению химического состава, повышающего их устойчивость в постоянно меняющихся условиях. Теория биохимической эволюции рассматривает коацерваты как предбиологические системы, представляющие собой группы молекул, окруженные водной оболочкой. Коацерваты оказались способными поглощать из внешней среды различные органические вещества, что обеспечило возможность первичного обмена веществ со средой.
На третьем этапе, как предполагал Опарин, начал действовать естественный отбор. В массе коацерватных капель происходил отбор коацерватов, наиболее устойчивых к данным условиям среды. Процесс отбора шел в течение многих миллионов лет, в результате чего сохранилась только малая часть коацерватов. Однако сохранившиеся коацерватные капли обладали способностью к первичному метаболизму. А обмен веществ — первейшее свойство жизни. Вместе с тем, достигнув определенных размеров, материнская капля могла распадаться на дочерние, которые сохраняли особенности материнской структуры. Таким образом, можно говорить о приобретении коацерватами свойства самовоспроизведения — одного из важнейших признаков жизни. По сути дела, на этой стадии коацерваты превратились в простейшие живые организмы.
Дальнейшая эволюция этих предбиологических структур была возможна только при усложнении обменных и энергетических процессов внутри коацервата. Более прочную изоляцию внутренней среды от внешних воздействий могла обеспечить только мембрана. Вокруг коацерватов, богатых органическими соединениями, возникли слои липидов, отделившие коацерват от окружающей его водной среды. В процессе эволюции липиды трансформировались в наружную мембрану, что значительно повысило жизнеспособность и устойчивость организмов.
Схематическое представление пути происхождения жизни согласно белково-коацерватной теории А.И. Опарина
Современное двуединое понятие первобытного бульона и самозарождения жизни исходит из теории Опарина-Хэлдейна о происхождении жизни.
Наибольшим успехом теории Опарина-Хэлдейна стал широко разрекламированный эксперимент, проведенный в 1953 году американским аспирантом Стэнли Миллером.
Публикация данных эксперимента Миллера вызвала беспрецедентный интерес, и вскоре многие другие ученые стали повторять этот эксперимент. При этом обнаружилось, что видоизменение условий эксперимента дает возможность получать небольшое количество других аминокислот. Однако повторить эксперимент было сложно, и многие результаты были получены только после множества безрезультатных попыток.
Основные положения
Теория Опарина о происхождении жизни на Земле базируется на ряде важнейших принципов. Жизнь на планете, согласно взглядам отечественного ученого, зарождалась в три этапа. Сначала возникли органические соединения как таковые. Далее произошло образование белков, полисахаридов и липидов, то есть полимерных соединений. Наконец, процесс завершился появлением примитивных, но уже способных к воспроизводству, живых организмов.
Вторая особенность гипотезы — согласно ей, биологической (биогенной) эволюции предшествовала химическая, которая стала основной причиной появления сложных веществ. Сущность процесса:
Положения теории вполне логичны и вытекают одно из другого. Однако важно понимать то, какая проблема не была решена гипотезой Опарина. Дело в том, что пробионты (или проклетки, прообраз современных клеток) по сей день не изучены досконально. Поэтому непонятно, что именно побудило скопление полимеров перейти от нежилого состояния к дыханию, питанию и воспроизводству.
История и эксперименты
Как и любая другая теория происхождения жизни, гипотеза Опарина подвергалась критике оппонентов и формулировалась в течение продолжительного времени. Прежде всего, основные положения академик опубликовал в труде «Происхождение жизни», в котором предположил, что растворенные в жидкости биополимеры под воздействием внешних условий оказываются способными к образованию коацерватов или коацерватных капель.
Они представляют собой средоточие органического вещества, отделенного от внешней среды посредством мембраны и способное поддерживать обмен с нею. Данный процесс представляет собой предшествующую стадию коагуляции — соединения мельчайших частиц воедино.
Именно эти два процесса являются причиной образования из «первичного бульона» (термин введен в научный обиход академиком) аминокислот. А они, в свою очередь, стали основой всего живого.
Интересно, что независимо от Опарина данным вопросом начал заниматься британский биолог Джон Холдейн, также интересовавшийся зарождением жизни на Земле. Однако во взглядах двух исследователей можно отметить разницу: Холдейн полагал, что в «первичном бульоне» образовывались не коацерваты, а макромолекулярные вещества, также способные к воспроизводству. Таким образом, первичными веществами были нуклеиновые кислоты, а не белки.
Последующая разработка
Следующий этап развития теории — опыты и исследования американского химика Стэнли Миллера, который заинтересовался данным вопросом еще в студенческие годы. Ему удалось воссоздать искусственную среду и получить из неживой материи аминокислоты. Суть эксперимента:
Однако эксперимент Миллера до сих пор критикуется представителями научного мира и не признается доказательством достоверности гипотезы Опарина и Холдейна.
Еще один виток в развитии теории — книга «Эгоистичный ген», изданная Ричардом Докинзом, британским исследователем-биологом, в 1979 году. Здесь ученый предположил, что изначально в первичном бульоне самообразовались способные к воспроизводству молекулы, которые постепенно заполнили океан.
Отличия взглядов и вклад в науку
Рассмотрев основные положения теории Опарина, можно отметить, что они с Холдейном дошли до сходных идей вне зависимости друг от друга. Однако в гипотезах двух ученых имеются и некоторые различия. Основное из них — разное представление о том, какие именно изначальные элементы стали источниками зарождения жизни. Согласно взглядам Опарина, это были белки, Холдейн же полагал, что основную роль сыграли нуклеиновые кислоты.
Другое различие:
Вклад Опарина в биологию считается весомым, кратко можно отметить следующие положения. Прежде всего — это серьезная и обоснованная концепция зарождения жизни из «первичного бульона». Кроме того, ученый, действуя в непростых условиях российской действительности 20−30 годов прошлого века, изучал развитие жизни.
Суть теории
Кратко можно сформулировать основные постулаты гипотезы двух авторов: живые организмы появились на планете из неживой материи, однако для этого процесса необходимы были условия, царившие на Земле миллиарды лет назад. Сейчас представляется невозможным полностью воссоздать эту картину, ведь то, что творилось в атмосфере столь глубокой древности, может быть высказано лишь на уровне предположений.
Особенности атмосферы тех лет:
Кроме того, гипотеза подразумевает и нахождение в атмосфере неорганических веществ, которые стали предшественниками органических соединений.
Согласно теории, можно выделить 5 этапов становления и развития жизни на планете, которые в наглядной форме представлены в таблице.
Идея о составе первичной атмосферы планеты основана на данных других наук, а также анализе оболочек иных планет Солнечной системы. Кроме того, доказательства второй и третьей стадии удалось получить в ходе многочисленных экспериментов по синтезированию жизни.
Развитие и доказательства
Теории происхождения жизни на планете принято подразделять на две большие группы: биогенез — все живое произошло от живого и абиогенез — живая материя образовалась из неживой. Гипотеза Опарина-Холдейна относится ко второму классу. В настоящее время современные исследования позволили несколько видоизменить и дополнить ее.
Сейчас большая часть исследователей полагает, что сначала у организмов возникла способность к самовоспроизведению, а лишь потом — к обмену веществ. Именно самовоспроизведение является основой передачи полезных качеств представителям нового поколения, то есть важнейшим составляющим эволюции в целом и естественного отбора в частности.
Выделяют также и дополнительные источники энергии, под воздействием которого сформировались первые живые организмы. Кроме разрядов молний и УФ-лучей, к ним относят:
Все это помогло образованию химических связей. Изменились и представления ученых о составе атмосферы раннего периода, поскольку появились новые объективные данные. В частности, удалось установить, что концентрация углекислого газа была гораздо меньшей, чем полагали авторы гипотезы. Атмосфера планеты очень напоминала ту, которая сейчас наблюдается у Марса и Венеры: состояла в основном из углекислого газа и азота, другие же газы содержались в ней в весьма малой концентрации. Новые данные заставили повторить эксперимент Миллера, однако в его системе указанные вещества не повлекли за собой появления органики.
Сейчас теория о первоисточнике жизни, который автор решил назвать «первичным бульоном», считается устаревшей. На смену ей пришли гипотеза «первичной пиццы» (в соответствии с которой живые организмы появились на минеральных подложках при периодическом высыхании последних) и «первичного майонеза» (выдвинуть ее решил Гарольд Моровиц, суть: клеточные мембраны, а точнее, их примитивные аналоги, существовали до того, как появилась способность к самовоспроизводству).
Кроме того, удалось выявить определенные свойства «первичного бульона», которые делают его неподходящей средой для зарождения жизни:
Несмотря на выявленные современными исследователями недостатки, гипотеза Опарина и Холдейна стала важнейшим шагом в изучении особенностей появления первых живых организмов на планете. Ученым удалось создать четкую концепцию, которая в дальнейшем стала основой для множества теорий аборигенного зарождения жизни, их отправной точкой.
