Тема 6. Предпосылки развития жизни Теория Большого взрыва как гипотеза

Вселенной. Большой биологический взрыв как гипотеза перехода от неживой к

живой форме организации материи. Основные этапы процесса возникновения и эволюции биосферы. Гипотезы происхождения и развития жизни. Биогеохимические принципы (законы) эволюции биосферы В.И. Вернадского. Цикличность биосферных процессов

жизнь?
Литература:
М.М. Камшилов. Эволюция биосферы. М.: Наука, 1979. - 256

с.
Проблемы зарождения и эволюции биосферы. М.: Наука, 2008. - 560 с

развиваться на планете, масса которой не превышает определенной величины.
Если

масса планеты превысит 1/20 массы Солнца, на ней начнутся интенсивные ядерные реакции, поднимется Т, она начнет светиться. Даже планеты с массой, составляющей 0.01 массы Солнца, по своим температурным данным не пригодна для развития жизни.
Планета, имеющая массу 0.001 массы Солнца, будет холодной, но в ее атмосфере сохранится H2, NH3, CH4 в соотношениях, характерных для Космоса, а лучи Солнца не смогут проникать сквозь мощную атмосферу. Таковы Юпитер, Сатурн и другие крупные планеты Солнечной системы. Следовательно, планеты большой массы непригодны для развития жизни.
Другая крайность – планеты малой массы (Меркурий и Луна), которые в силу слабой интенсивности тяготения не способны удерживать в течение длительного времени атмосферу, необходимую для развития жизни.
Из планет Солнечной системы первому условию, таким образом, удовлетворяют лишь Земля, Венера и в меньшей степени Марс. Вероятность встречи в Космосе планеты подходящей массы оценивается (А.И. Опарин, В.Г. Фесенков) в 1%.

относительное постоянство и оптимум радиации, получаемой от центрального светила.
Для

соблюдения этого условия планета должна иметь орбиту, приближающуюся к круговой, ее расстояние от Солнца не должно быть слишком малым или слишком большим.
Наконец, центральное светило должно характеризоваться относительным постоянством излучения. Вероятность второго условия оценивается (А.И. Опарин, В.Г. Фесенков) в 0.01%.
Вероятность соблюдения обоих условий (оптимум массы и постоянства, оптимум радиации) составляет 0.001%.
По А.И. Опарину, В.Г. Фесенкову, в нашей Галактике, где насчитывается более 150 млрд. звезд, таких планет может быть несколько сотен. Однако отсутствие космических препятствий развитию жизни еще не означает, что жизнь на них обязательно разовьется.

живые организмы построены из наиболее простых и наиболее распространенных в

космосе атомов (H, C, N, O)
Важнейшее значение имеют P и S. Они занимают место в третьем периоде табл. Менделеева и также обладают способностью образовывать кратные связи. Это делает их особенно пригодными для накопления энергии и ее переноса строго дозированными порциями.
S входит в состав белков, а P – неотъемлемая составная часть нуклеиновых кислот, с фосфорным обменом связана также высшая нервная деятельность.
Кроме перечисленных шести элементов органогенов, в состав живых организмов входят положительные ионы металлов Na, K, Ca, Mg и отрицательный ион Cl, а также микроэлементы, встречающиеся в организмах в малых количествах, - Mn, Fe, Co, Cu, Zn - и еще более редкие – B, Al, V, Mo, J. Остальные элементы входят в состав живого вещества в меньших количествах.

распространенных элементов, но и элементов, особенно пригодных для осуществления жизнедеятельности,

для осуществления функций жизни, говорит о том, что жизнь использует свойства этих атомов.
Например, Si не входит в больших количествах, но он активно используется диатомовыми водорослями для формирования кремниевых створок, некоторыми губками для построения скелета, высшими растениями для придания прочности стеблю и т.д.
J (иод) входит в состав гормона щитовидной железы позвоночных животных – тороксина, играющего большую роль в обмене веществ, в явлениях, например, метаморфоза у амфибий.

жизни на Земле. Принято считать, что водная среда была первой,

в которой развивалась жизнь. В последующем живые организмы овладели наземно-воздушной средой, создали и заселили почву.
Вода как среда обитания – очень простое и очень сложное вещество, имеет аномальные свойства, имеющие экологическую значимость как на планетарном, так и на организменном уровне.
Большое значение по своей значимости для обеспечения жизни на Земле играет также диоксид углерода. Благодаря высокой диэлектрической проницаемости вода на Земле представляет собой раствор солей, газов, в частности, диоксида углерода. Американский физиолог Л. Гендерсон (1924) считает диоксид углерода вторым после воды веществом по своей пригодности для жизни. Диоксид углерода хорошо растворяется в воде, поскольку он постоянно присутствует в атмосферном воздухе, то, согласно закону Генри-Дальтона, никакие химические процессы не могут привести к его исчезновению в воде Мирового океана. Диоксид углерода вместе со своими нейтральными солями (карбонатная или карбонатно-кальциевая система) способен поддерживать буферность относительно концентрации ионов водорода. Диоксид углерода участвует также в составе буферной системы, поддерживающей нейтральную реакцию крови. Диоксид углерода – источник углерода в питании зеленых растений и некоторых хемотрофных бактерий.

Т, устойчивым составом, постоянным осмотическим давлением и подвижностью, что обеспечивает

перенос питательных веществ, из разнообразие.
Океан представляет собой идеальную среду по исключительному постоянству физических условий жизни, по богатству и разнообразию источников питания. Трудно было бы ожидать возникновения жизни в условиях непостоянной, изменчивой среды.
НА ЗЕМЛЕ СОЗДАЛИСЬ УСЛОВИЯ ДЛЯ БОЛЕЕ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО ПУТИ ЭВОЛЮЦИИ – РАЗВИТИЯ МАТЕРИИ В НАПРАВЛЕНИИ ЖИЗНИ.

советский математик и геофизик А.А. Фридман нашел решение уравнений общей

теории относительности А. Эйнштейна. Оказалось, что решение является нестационарным, то есть Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься.
В 1929 г. американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил разбегание галактик, что свидетельствовало о расширении Вселенной.
Обращая мысленно вспять картину расширения Вселенной, ученые пришли к выводу что примерно 20 млрд. лет назад Вселенная была сжатой в точку и имела сколько угодно большую плотность.
В результате Большого взрыва она начала расширяться, иначе говоря, существовать.
Ученые смогли восстановить картину развития Вселенной с малых долей первой секунды после Большого взрыва, но никто не знает ни причин, вызвавших взрыв, ни то, что было до него.
"Теория Большого взрыва в настоящее время столь надежно установлена и верна, сколько верно то, что Земля вращается вокруг Солнца« (академик Зельдович, 1982 г.).
Спустя 15 млрд. лет после Большого взрыва, то есть примерно 5 млрд. лет назад, сформировалась планета Земля как космическое тело.

форме организации материи
Еще Луи Пастер в XIX в. первым

обратил внимание на то, что в неживой природе молекулы либо зеркально симметричны (H2O, CO2), либо одинаково часто встречаются их правые и левые стереоизомеры.
Молекулы, из которых построены живые организмы, зеркально асимметричны, то есть хиральны, чаще всего они подобны винтам, а во многих случаях ими и являются (например, двойная спираль молекулы ДНК).
Но самое главное, эти молекулы встречаются в природе лишь в каком-то одном варианте - либо только левом, либо только правом: это так называемые хирально чистые молекулы (так, спираль молекулы ДНК всегда только правая).
Пастер, а затем Вернадский полагали, что именно здесь проходит граница между химией живой и неживой природы.
Можно сказать, что в отличие от неорганических объектов живые организмы построены из винтов, причем винты одного типа только левые, другого - только правые.

существовавшей до того зеркальной симметрии, образованием хирально чистых молекул.
Современная наука

пришла к выводу, что переход от мира зеркально симметричных соединений к хирально чистому состоянию живого вещества биосферы произошел не в процессе длительной эволюции, а скачком - в виде своеобразного Большого биологического взрыва.
Происхождение этого состояния, возможно, связано с катастрофой, то есть с достижением развивающейся средой критической точки (точки бифуркации), за которой теряется устойчивость прежнего симметричного состояния.
Это акт самоорганизации материи.
По некоторым оценкам процесс глобального перехода к хиральной чистоте значительной части молекул мог произойти всего за 1 - 10 млн. лет.

биогеохимической.
Для этого были необходимы уникальные и неповторимые условия ранней

эволюции Земли как планеты.
Но как только появились первые предбиологические формы и праорганизмы, начал действовать принцип Реди: живое происходит только от живого, между живым и неживым веществом существует непроходимая граница, хотя и имеется постоянное взаимодействие.
Это обобщение было сделано итальянским естествоиспытателем и врачом Реди еще в XVII веке. Если бы сложились локальные условия для возникновения жизни в наши дни (например, в жерле потухшего вулкана) или она была бы привнесена из космоса, то либо не смогла бы долго существовать, либо стала глобальным бедствием. В первом случае она была бы уничтожена ныне существующими организмами, во втором - подавила бы их. Но второй вариант мало вероятен: живое - достаточно хорошо приспособлено к условиям Земли и потому обладает большой надежностью.
В развитой биосфере повторное возникновение живого исключено.

системы – коацерваты, условия прогрессивной эволюции простейших живых организмов.
Биогеохимические

принципы (законы) эволюции биосферы В.И. Вернадского.
Литература: М.М. Камшилов. Эволюция биосферы. М.: Наука, 1979. - 256 с. Проблемы зарождения и эволюции биосферы. М.: Наука, 2008. - 560 с.
Колчинский Э. И. Эволюция биосферы: Историко-критические очерки исследований в СССР. – Л.: Наука, 1990. – 236 с.

материи.

Биосфера предстает как совокупность грандиозных процессов синтеза и деструкции

органического вещества, рождения, развития и смерти особей.
 

этап формирования геохимической среды
Накопление разнообразных органических соединений, образующихся во многих процессах

на Земле или привносимых на ее поверхность из космоса.
2. Предбиологическая эволюция (завершилась к рубежу 4,0 млрд. лет назад)
Начинается с синтеза самовоспроизводящихся структур в первичном мировом океане (теория Опарина-Холдейна) и упорядочения органических структур.
Завершается формированием генетического кода.
3. Эволюция биосферы
С возникновением генетического кода завершается стадия предбиологической эволюции и начинается собственно эволюция жизни.

историческом прошлом в результате биохимической эволюции.

Авторы:
Отечественный биохимик академик

А. Опарин (1923 г.)
Английский физиолог С. Холдейн (1929 г.).

(1957, 1960) первично имели место гетеротрофные формы обмена: исходным источником

энергии и строительных материалов для первых живых существ служило абиогенное органическое вещество, а способность к фотосинтезу возникла позже как добавочная надстройка на прежний гетеротрофный механизм обмена веществ (А.И. Опарин. Жизнь, ее природа, происхождение и развитие. М.: Наука, 1969, с. 97, 256).

Представление о наличии на этих ранних этапах сообществ автотрофных организмов – идея о возможности использования УФ облучения в примитивных биосинтезах – идея о фотоавтотрофии (Г. Блюм, В.И. Вернадский, И.П. Наумов, Б.П. Токин, М.М. Камшилов, Г. Гаффрон, Д. Арнона …).
Фотосинтез особого рода (отличный от современного) мог возникнуть очень рано в ходе органической эволюции, м.б., в самом ее начале.
Пока атмосфера содержала СН4, NН3, СО, пары H2O, H2S, под влиянием УФ излучения Солнца возможен синтез органического вещества (реакция Миллера-Юри). Фотохимические реакции синтеза типа реакции Миллера - Юри считаются зародышем фотоавтотрофии.

это обстоятельство обратил внимание В.И. Вернадский, рассматривая геохимические функции живого

вещества: «...среди миллионов видов нет ни одного, который мог бы исполнять один все геохимические функции жизни, существующие в биосфере изначала. Следовательно, изначала морфологический состав живой природы в биосфере должен быть сложным».
Следовательно, изначала морфологический состав живой природы в биосфере должен быть сложным .
Поэтому «первое появление жизни при создании биосферы должно было произойти не в виде появления одного какого-либо организма, а в виде их совокупности, отвечающей геохимическим функциям жизни» .

развивалась как биотический круговорот веществ:
на базе большого абиотического круговорота

минеральных элементов, включающего изменение агрегатных состояний их соединений (круговорот воды) возник круговорот органического вещества, основанный на противоположных процессах синтеза и разрушения. Более устойчивые соединения сохранялись, малоустойчивые распадались.
Этот круговорот, как считается, возник очень рано, на его основе шло формирование всех других особенностей, отличающих живое от неживого.

объединяющих качественно разные организмы
1). Если безраздельно господствуют процессы деструкции,

то возникновение сложного из простого невозможно само по себе.
2). В тупик приводит и обратное предположение о преобладании процессов синтеза: все органические вещества за миллиарды лет преобразовались бы в какие-то сложные агрегаты без обмена веществ, это будет не жизнь, а кристаллизация.
 
Клод Бернар:
«Жизнь может быть только там, где есть вместе и синтез, и органическое разрушение»

синтетиков и деструкторов (Вернадский, 1931, Камшилов, 1970).
Основа жизни — взаимодействие

одноклеточных продуцентов и деструкторов
Внутреннее белое полукольцо — продуценты, темное полукольцо — деструкторы.
На кольце одноклеточных развивается надстройка из многоклеточных: растения (Р), растительноядные животные (Г), хищники различных порядков (X1, Х3), паразиты и сапрофиты из одноклеточных и вирусы проникают во все этажи надстройки (Л, С); пунктиром представлены связи между сапрофитами и паразитами разных уровней.
Организмы всех уровней объединяются в темном полукольце одноклеточных деструкторов.

Этот круговорот возник на базе абиотического круговорота,
в недрах которого стали формироваться циклы органического вещества в виде синтеза и распада химических соединений углерода.

основанный на взаимодействии фотоавтотрофии и гетеротрофии.
Космическая энергия солнечного излучения

всегда была основным энергетическим источником жизни.

из желатины, гуммиарабика и
рибонуклеиновой кислоты.
Увеличение в 320 раз

превратилась в простейший живой организм
Наука признает принципиальную возможность возникновения самовоспроизведения

на основе прогрессирующего усложнения организации. Естественный, хотя и длительный, путь к этому – консервация в малом объеме свойств (информации), рассеянной в среде.
Сложность на своем низшем уровне является вырождающейся
Но существует некий минимальный уровень сложности, начиная с которого эта склонность к вырождению не абсолютна, преодоление же этого уровня делает возможным создание самоподдерживающихся систем.
«…действительно существенные и активные явления жизни и обучения начинаются лишь после того, как организм достиг некоторой ступени сложности.» (Ноберт Винер)
Способность к интеграции информации пропорциональна степени сложности системы и, следовательно, является самоускоряющимся процессом.

— молекул сахаров, аминокислот, азотистых оснований, жирных кислот и других

органических веществ, а также минеральных соединений.
2. Эти компоненты взаимодействовали между собой, образуя более сложные комплексы, в частности коацерваты.
3. Имелась свободная энергия в виде УФ излучения Солнца, под воздействием которой шел синтез более сложных соединений из относительно простых, а также, видимо, ускорялись синтетические процессы у протоорганизмов.
4. Неоднородность среды формирования обеспечивала в одних условиях деструкцию возникающих комплексов,- в других — оптимальный режим для протекания реакций синтеза. Взаимодействие процессов синтеза и деструкции привело к круговороту органического вещества — зародышу будущего биотического круговорота.
5. Возникновение способности к самовоспроизведению открыло широчайшие возможности прогрессивной эволюции.

Ритмикой называется повторяемость во времени комплекса процессов, которые каждый раз

развиваются в одном направлении. При этом различают две ее формы: периодическую - это ритмы одинаковой длительности (время оборота Земли вокруг оси) и циклическую - ритмы переменной длительности. Периодичность в биосфере проявляется во многих процессах: тектонических, осадконакоплении, климатических, биологических и многих других. Ритмы бывают разной продолжительности: геологические, вековые, внутривековые, годовые, суточные и т.д.
Ритмичность - это форма своеобразной пульсации биосферы как целостной системы, причем ритмы как и круговороты веществ, замкнуты в себе. Знание и учет ритмических явлений необходимы при рациональном природопользовании и охране естественных ресурсов нашей планеты.