Предмет биологии: сущность живого, происхождение жизни

     «Жизнь – есть способ существования белковых тел, существенным моментом, которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка». Органический обмен веществ представляет единство двух процессов – ассимиляции и диссимиляции. Первый из них ведет ко всему новому и новому синтезу органической материи – построению самого живого тела и связанному с этим накоплению потенциальной энергии, заключенной в сложных органических веществах. Второй процесс ведет к разрушению органических веществ, при котором освобождается скрытая в них потенциальная энергия,  а продукты распада выводятся из организма и выделяются в окружающую среду.  Из органического обмена веществ вытекают все основные свойства живых тел:

раздражимость, подвижность, рост, развитие, размножение, а такженаследственность и изменчивость.

В неживой природе тоже идет процесс  обмена веществ. Но он отличается оторганического обмена на что указывал Фридрих Энгельс в работе «Анти-Дюринг»:«другие неживые тела тоже изменяются, разлагаются или комбинируются в ходеестественного процесса, но они при этом перестают быть тем, чем были раньше.

Скала, которая подверглась выветриванию уже больше не скала; метал в результате окисления, превращается в ржавчину. Но то, что в мертвых телах является причиной разрушения у белка становится основным условием существования. Как только в белковом теле прекращается это непрерывное превращение составных частей, эта постоянная смена питания и выделение, - сэтого момента само белковое тело прекращает свое существование, оно разлагается, то есть умирает».

1. Проблема происхождения жизни.                     

Проблема происхождения жизни  являлась одной из самых дискуссионных  проблем биологии. Изучение истории христианской религии показывает, что библейское представление о внезапном возникновении жизни создалось в результате наивных наблюдений окружающей природы и невежественного истолкования этих наблюдений.

Точно так же и многие философы древней Греции, и в том числе  Аристотель, признавали внезапное самозарождение живых существ, допуская, что черви, моллюски и насекомые развиваются из гниющего мяса и навоза под воздействием особого нематериального начала – жизненной среды.

Представление о самопроизвольном зарождении насекомых, червей и других многоклеточных живых существ были опровергнуты в середине 17 века работами итальянского ученого Франческо Реди. Поставив опыт, в котором мясо в глубоком сосуде было покрытом кисеей (тканью), Реди показал, что личинки мух развиваются не из гниющего мяса, а из яиц, отложенных самками насекомых.

С открытием микроскопа и изучением  микроскопических живых существ  гипотеза самопроизвольного зарождения приняла иную форму. В 1745 году Нидгеем первый высказал мысль, что в сенных настоях сами собой развиваются мелкие организмы, инфузории, которых создает особая находящаяся сила произрастания.

Спор между естествоиспытателями по вопросу о самопроизвольном зарождении микроскопических живых существ продолжался до 1862 года, когда эта гипотеза была опровергнута опытами Луи Пастера. Пастер показал, что даже самые малые формы организмов, а именно бактерии рождаются из спор, имеющих столь незаметные размеры, что создается иллюзия самозарождения. Вскоре после того как стали известны эти работы Пастера, начали развиваться гипотезы, утверждающей вечность жизни. К ним относятся гипотеза космических зачатков (космозеев) и гипотеза панспермии (всеобщих зачатков).

Идею космических зачатков высказал в 1865 году немецкий врач Г. Рихтер, утверждавший, что жизнь вечна и зачатки ее могут переноситься с одной планеты на другую. Находясь высоко в воздухе, зачатки организмов могут прилипать к пролетающим мимо них метеоритам и так попадают в мировое пространство.

Метеорит, несущий на себе такие  «космические зачатки», упав на поверхность какой-нибудь планеты, может явиться источником жизни на ней. Таким путем по Рихтеру, жизнь была занесена и на Землю.

Гипотеза панспермии была предложена в 1907 году шведским ученым Сванте Аррениусом. Он считал невозможным занос зачатков жизни на Земле с метеоритами, предполагая, что поверхность метеорита вследствие трения об атмосферу настолько раскаляется, что любые зародыши, находящиеся  на ней, должны потерять всхожесть.

Обе гипотезы признают вечность жизни  и закрывают путь к материалистическому решению проблемы ее возникновения на Земле. Объяснить существование жизни на Земле с заносом зародышей с других планет – это значит отказаться от объяснения процесса, в результате которых возникла жизнь.

Диалектическая точка зрения на происхождение жизни была сформулирована Энгельсом в «Диалектике природы». Она исходит из основного положения, что жизнь представляет особую форму движения материи.

Материя никогда не остается в покое, она постоянно движется, развивается. В своем развитии она переходит во все новые и новые, более сложные формы. Такой особо сложной формой движения материи является жизнь. Живое вещество возникло как определенный этап в историческом развитии материи. Процесс возникновения живого из неживого был историческим процессом, прошедшим ряд этапов.

2. Теория происхождения жизни на Земле. Гипотеза А.И.Опарина.

 Под понятием «жизнь» большинство  ученых сейчас подразумевают  процесс существования сложных  систем, состоящих из больших  органических молекул и способных  самовоспроизводиться и поддерживать  свое существование в результате  обмена энергией и веществом  с окружающей средой. По современным  представлениям возраст Земли,  как и всей Солнечной системы,  около 4,6 млрд. лет, поэтому вряд  ли жизнь старше этого срока.  Существует и давняя гипотеза  о том, что жизнь имеет неземное  происхождение и занесена на  Землю извне, из космоса, однако  доказательств этого нет. Кроме  того, та жизнь, которую мы знаем,  удивительно приспособлена для  существования в земных условиях, и если она возникла вне  Земли, то на планете земного  типа. Поэтому обычно при изучении  происхождения жизни исходят  из тех условий, которые существовали на только что сформировавшейся Земле.

 Еще Ч.Дарвин понял, что жизнь может возникнуть только при отсутствии жизни. В 1871 г. он писал: «Но если бы сейчас …в каком-либо теплом водоеме, содержащем все необходимые соли аммония и фосфора и доступном воздействию света, тепла, электричества и т.п., химически образовался белок, способный к дальнейшим, все более сложным превращениям, то это вещество немедленно было бы разрушено или поглощено, что было невозможно в период до возникновения живых существ». Гетеротрофные организмы, распространенные сейчас на земле, использовали бы вновь возникающие органические вещества.

 Поэтому возникновение жизни  в привычных нам земных условиях невозможно.

 Второе условие, при котором  жизнь может возникнуть, - отсутствие  свободного кислорода в атмосфере.  Это важное открытие сделал  русский ученый

 А.И.Опарин в 1924 г. (к такому же выводу в 1929 г. пришел английский ученый

 Дж.Б.С.Холдейн). А.И.Опарин высказал предположение, что при мощных электрических разрядах в земной атмосфере, которая 4-4,5 млрд. лет назад состояла из азота, водорода, углекислого газа, паров воды и аммиака, возможно, с добавкой синильной кислоты (ее обнаружили в хвостах комет), могли возникнуть простейшие органические соединения, необходимые для возникновения жизни. Поэтому возникающие на поверхности Земли органические вещества могли накапливаться, не окисляясь. И сейчас на нашей планете они накапливаются только в бескислородных условиях, так возникают торф, каменный уголь и нефть. Создатель материалистической гипотезы возникновения жизни на Земле, русский биохимик, академик Александр Иванович Опарин (1894-

1980) посвятил всю свою жизнь проблеме происхождения живого.

 Американский биолог Ж.Леб в 1912 г. первым получил из смеси газов под действием электрического разряда простейший компонент белков – аминокислоту глицин.

 Возможно, кроме глицина он  получил и другие аминокислоты, но в то время еще не было  методов, позволяющих определить их малые количества.

 Открытие Леба прошло незамеченным, поэтому первый абиогенный синтез органических веществ (т.е. идущий без участия живых организмов) из случайной смеси газов приписывают американским ученым С.Миллеру и Г.Юри. В

1953 г. они поставили эксперимент  по программе, намеченной Опариным, и получили под действием электрических  разрядов напряжением до 60 тыс.В, имитирующих молнию, из водорода, метана, аммиака и паров воды под давлением в несколько Паскалей при t=80С сложную смесь из многих десятков органических веществ. Среди них преобладали органические (карбоновые) кислоты – муравьиная, уксусная и яблочная, их альдегиды, а также аминокислоты (в том числе глицин и аланин). Опыты Миллера и Юри были многократно проверены на смесях разных газов и при разных источниках энергии (солнечный свет, ультрафиолетовое и радиоактивное излучение и просто тепло). Органические вещества возникали во всех случаях. Полученные

 Миллером и Юри результаты побудили ученых различных стран заняться исследованиями возможных путей предбиологической эволюции. В 1957 году в

 Москве состоялся первый  Международный симпозиум по проблеме происхождения жизни.

 По данным, полученным в последнее  время нашими учеными, простейшие  органические вещества могут  возникать и в космическом  пространстве при температуре,  близкой к абсолютному нулю. В  принципе Земля могла бы получить  абиогенные органические вещества  и как приданое при возникновении.

 В результате океан превратился  в сложный раствор органических  веществ

(т.н. первичный океан), которым  в принципе могли бы питаться  анаэробные бактерии (организмы,  способные жить и развиваться  при отсутствии свободного кислорода и получающие энергию для жизнедеятельности за счет расщепления органических или неорганических веществ). Кроме аминокислот в нем были и предшественники нуклеиновых кислот – пуриновые основания, сахара, фосфаты и др.

 Однако низкомолекулярные органические  вещества еще не жизнь. Основу  жизни представляют биополимеры  – длинные молекулы белков  и нуклеиновых кислот, слагающиеся  из звеньев – аминокислот и  нуклеотидов. Реакция полимеризации  первичных звеньев в водном  растворе не идет, так как при  соединении друг с другом двух  аминокислот или двух нуклеотидов  отщепляется молекула воды. Реакция  в воде пойдет в обратную  сторону. Скорость расщепления  (гидролиза) биополимеров будет  больше, чем скорость их синтеза.  В цитоплазме наших клеток  синтез биополимеров - сложный процесс,  идущий с затратой энергии  АТФ. Чтобы он шел, нужны  ДНК, РНК и белки, которые  сами являются результатом этого  процесса. Ясно, что биополимеры  не могли возникнуть сами в первичном океане.

 Возможно, первичный синтез  биополимеров шел при замораживании  первичного океана или же при  нагревании сухого его остатка.  Американский исследователь С.У.  Фокс, нагревая до 130С сухую смесь  аминокислот, показал, что в  этом случае реакция полимеризации  идет (выделяющаяся вода испаряется) и получаются искусственные протеиноиды,  похожие на белки, имеющие до 200 и более аминокислот в цепи. Растворенные в воде, они обладали  свойствами белков, представляли  питательную среду для бактерий  и даже катализировали

(ускоряли) некоторые химические  реакции, как настоящие ферменты. Возможно, они возникали в предбиологическую  эпоху на раскаленных склонах  вулканов, а затем дожди смывали  их в первичный океан. Есть  и такая точка зрения, что синтез  биополимеров шел непосредственно  в первичной атмосфере и образующиеся  соединения выпадали в первичный океан в виде частиц пыли.

 Следующий предполагаемый этап  возникновения жизни – протоклетки. А.И.

 Опарин показал, что в стоящих  растворах органических веществ  образуются коацерваты – микроскопические  «капельки», ограниченные полупроницаемой  оболочкой – первичной мембраной.  В коацерватах могут концентрироваться  органические вещества, в них  быстрее идут реакции, обмен  веществ с окружающей средой, и они даже могут делиться, как бактерии. Подобный процесс  наблюдал при растворении искусственных  протеиноидов Фокс, он назвал эти шарики микросферами.

 В протоклетках вроде коацерватов или микросфер шли реакции полимеризации нуклеотидов, пока из них не сформировался протоген – первичный ген, способный катализировать возникновение определенной аминокислотной последовательности - первого белка. Вероятно, первым таким белком был предшественник фермента, катализирующего синтез ДНК или РНК. Те протоклетки, в которых возник примитивный механизм наследственности и белкового синтеза, быстрее делились и забрали в себя все органические вещества первичного океана. На этой стадии шел уже естественный отбор на скорость размножения; любое усовершенствование биосинтеза подхватывалось, и новые протоклетки вытесняли все предыдущие.

 Последние этапы возникновения  жизни – происхождение рибосом  и транспортных РНК, генетического  кода и энергетического механизма  клетки с использованием АТФ  – еще не удалось воспроизвести  в лаборатории. Все эти структуры  и процессы имеются уже у  самых примитивных микроорганизмов,  и принцип их строения и  функционирования не менялся  за всю историю Земли.