Подробное решение параграф 6 по биологии для учащихся 11 класса, авторов Теремов А.В., Петросова Р.А. 2017
Вопрос. Вспомните основные теории возникновения жизни на Земле. Рассмотрите рисунки 31, 32. Какие этапы неорганической эволюции показаны на них?
Ответ. Основные теории:
Теория биохимической эволюции
Согласно этой теории процесс, приведший к возникновению жизни на Земле, может быть разделён на три этапа:
1. Возникновение органических веществ. 2. Возникновение белков. 3. Возникновение белковых тел
Теория панспермии
Согласно теории Панспермии, предложенной в 1865 году немецким ученым Г. Рихтером и окончательно сформулированной шведским ученым Аррениусом в 1895 году, жизнь могла быть занесена на Землю из космоса. Наиболее вероятно попадание живых организмов внеземного происхождения с метеоритами и космической пылью.
Теория стационарного состояния жизни
Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень незначительно. Согласно этой версии, виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности – либо изменение численности, либо вымирание.
Теория самозарождения
Согласно этой гипотезе, определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало» , которое при подходящих условиях может создать живой организм.
Теория креационизма
Креационизм (от англ. creation – создание) – религиозно-философская концепция, в рамках которой всё многообразие органического мира, человечества, планеты Земля, а также мир в целом, рассматриваются как намеренно созданные неким сверхсуществом или божеством.
На рис. 31 показан этап коацервации – самопроизвольного разделения водного раствора мономеров на фазы с различной концентрацией. Белковые структуры обособлялись от массы воды и сливались друг с другом, формируя коацерватные капли. В них вещества вступали в дальнейшие химические реакции, что вело к их усложнению – химической эволюции.
На рис. 32 показано формирование мембран и возникновение первых клеток. На границе трех сред (воздух, вода и суша) образовывалась пленка, состоящая из молекул белков и липидов. Она могла прогибаться, образуя одномембранные пузырьки.
Вопрос 1. Перечислите основные теории возникновения жизни на Земле. Какие из них могут быть причислены к биогенезу, а какие – к абиогенезу?
Ответ. Биогенез и теория панспермии. В основе представлений о биогенезе лежит идея вечности жизни. Поскольку, если живые организмы происходят только от других живых организмов, то их цепочка должна тянуться в прошлое бесконечно. ... Несостоятельность представлений о вечности жизни означает несостоятельность теории биогенеза.
Абиогенез (от греческого а – отрицат. частица, bíos – жизнь и génesis – происхождение). Теория возникновения живых существ из веществ неорганической природы. До середины 19 в. под абиогенезом понималось самопроизвольное зарождение, т. е. внезапное возникновение из неживых материалов сложноорганизованных живых существ. Так, ещё в 17 в. верили в самозарождение червей, рыб, лягушек и даже мышей из росы, ила, грязи. Однако итальянский учёный Ф. Реди в 1668 показал, что личинки мух в гниющем мясе появляются только из отложенных мухами яиц. В 18 в. итальянский учёный Л. Спалланцани установил, что в прокипяченных бульонах микроорганизмы не развиваются. Окончательно это доказал в 1861 французский учёный Л. Пастер, опыты которого не отрицают, однако, возможности абиогенеза.
Биопоэз (от греч. bios – жизнь и poiesis – становление) рассматривает процесс возникновения живого из неживого как результат химической эволюции углеродных соединений. Биопоэз можно рассматривать как абиогенез, осуществившийся на Земле в прошлом и невозможный в настоящее время. На основании ряда гипотез и открытий основные положения этой теории сформулировал в 1947 г. английский ученый Джон Бернал. Согласно биопоэзу, возникновение жизни на любой планете неизбежно, если создаются и существуют длительное время два условия – определенные неорганические соединения и источники энергии. В возникновении жизни биопоэз выделяет три этапа: 1) абиогенный (вне живых систем) синтез органических соединений из неорганических; 2) образование из органических мономеров биологических полимеров; 3) формирование из биологических полимеров мембранных структур и первых клеток. Первые два этапа связаны с неорганической (планетарной и химической) эволюцией, третий – с органической (биологической) эволюцией. в прежние геологические эпохи.
Вопрос 2. Кем и как была доказана невозможность самопроизвольного зарождения жизни на Земле?
Ответ. На первом месте следует поставить имя итальянского врача Франческо Реди. В 1668 г. он опубликовал результаты следующих простых опытов. В 8 стеклянных сосудов было положено по куску свежего мяса. Четыре сосуда были оставлены открытыми, а четыре других были накрыты марлей. Через несколько дней в загнившем мясе появились «черви» (личинки мух). Однако они появились только на мясе, лежавшем в открытых сосудах. На мясе в сосудах, прикрытых марлей, червей не было. Это свидетельствует о том, что черви зарождаются не из самого мяса (как было принято считать), а из яиц, отложенных в мясе мухами. Это был неотразимый удар по представлению о самопроизвольном зарождении. Взгляды о самопроизвольном зарождении держались особенно долго в области микробиологии. Если мясной бульон, или раствор сахара, или еще какой-нибудь подобный отвар или раствор поставить в теплое место – все равно, в открытых или закрытых сосудах, – в них через несколько дней кишат микробы. Микробы находятся повсюду: в воде, воздухе, земле, в пыли, среди других организмов; они появляются всегда при гниении и брожении. Казалось бесспорным, что вся природа проникнута жизнью и жизнь проявляется всегда при подходящих условиях тепла и влажности.
Вопрос был окончательно разрешен спустя еще 80 лет. Исключительный интерес вопроса о происхождении жизни и о возможности самозарождения микробов побудил Парижскую академию наук в 1860 г. назначить премию за работу, содержащую разрешение этого вопроса. Премия была присуждена химику и бактериологу, замечательному экспериментатору Луи Пастеру. Пастер поместил бульон в склянку с длинным узким горлышком S-образной формы. Теперь воздух в сосуд проходил свободно, но микробы из воздуха проникнуть в него не могли, так как они должны были осесть в S-образном колене горлышка. Затем Пастер прокипятил бульон, чтобы убить всех находившихся в нем микробов. После этого сосуды были оставлены в спокойном месте. Теперь микробы в них не заводились. Проходили месяцы, и содержимое сосудов оставалось стерильным. Стоило, однако, один из таких сосудов повернуть так, чтобы содержавшимся в нем бульоном обмыть S-образное колено горлышка и чтобы жидкость обратно стекла в колбу, в ней вскоре же начиналось гниение. Это происходило потому, что в бульон попадали споры и живые микробы, находившиеся в S-образной части горлышка. Таким образом, невозможность самопроизвольного зарождения микроорганизмов была убедительно и окончательно доказана.
Вопрос 3. Каковы основные этапы неорганической эволюции?
Ответ. Всего три этапа.
1 этап – планетарная эволюция. Согласно современным научным взглядам Земля и другие планеты Солнечной системы образовались в результате планетарной эволюции около 5 млрд лет назад из газопылевого облака первичного космического вещества. При вращении облако уплощалось и разогревалось, в результате чего сформировались Солнце и планеты. Последующее охлаждение Солнца и планет привело к формированию их структур. Так, у Земли образовались кора, мантия, ядро и первичная атмосфера, состоявшая из метана (СН4), аммиака (NH3), углекислого газа (С02), угарного газа (СО), водорода (Н2) и паров воды (Н20). Кислорода (02), присутствующего в современной атмосфере, тогда не было, т.е. первичная атмосфера Земли имела не окислительный, как сейчас, а восстановительный характер. Позднее благодаря конденсации паров воды сформировалась гидросфера – первичный океан.
Второй этап – химическая эволюция. Затем началась химическая эволюция. В условиях восстановительной первичной атмосферы Земли мог происходить абиогенный синтез органических соединений из неорганических с помощью электрической и световой энергии. Это предположение основывается на ряде гипотез и имеет экспериментальное подтверждение. Так, в 1924 г. отечественный ученый Александр Иванович Опарин в работе «Происхождение жизни» высказал коацерватную гипотезу, согласно которой начальные этапы химической эволюции были связаны с формированием белковых структур. Первые белки могли создаваться из неорганических соединений в восстановительной атмосфере древней Земли за счет энергии мощных электрических разрядов. В 1929 г. английский ученый Джон Холдейн сформулировал гипотезу первичного бульона. Согласно этой гипотезе, первичные органические вещества на Земле синтезировались из неорганических за счет энергии солнечной радиации (главным образом ультрафиолетового излучения). В 1953 г. американские ученые Стенли Миллер и Гарольд Юри в специально сконструированной установке получили первое экспериментальное подтверждение гипотез Опарина и Холдейна. Обнаруженные ими в результате химических реакций органические соединения: молочная кислота, циано- водород, мочевина и аминокислоты (глицин, аланин, аспарагиновая кислота и др.) образовались из смеси газов (СН4, NH3, Н2) и паров воды под воздействием электрических разрядов.
Третьим, завершающим шагом химической эволюции стало формирование мембран и возникновение первых клеток. На границе трех сред (воздух, вода и суша) образовывалась пленка, состоящая из молекул белков и липидов. Она могла прогибаться, образуя одномембранные пузырьки. Пузырьки поднимались ветром и, падая на поверхность пленки, покрывались второй мембраной благодаря гидрофобному отталкиванию между неполярными хвостами молекул липидов. В течение миллионов лет мембраны совершенствовались, приобретая избирательную проницаемость, что привело к образованию пробионтов.
Вопрос 4. Какие условия и химические соединения необходимы для абиогенного синтеза органических соединений из неорганических? Почему невозможно повторное возникновение жизни на Земле?
Ответ. Химическими опытами (впервые в 1953 г. С. Миллер и Г. Юри), моделирующих условия древней Земли, была доказана возможность абиогенного синтеза органических веществ из неорганических. При пропускании электрических разрядов через газовую смесь (СН4, NH3, Н2), имитировавшую первобытную атмосферу, в присутсвии паров воды были получены аминокислоты, органические кислоты, азотистые основания, АТФ и др.
В настоящее время это невозможно, так как вновь образовавшиеся вещества мгновенно оказываются поглощенными в виде пищи микроорганизмами или сразу окисляются кислородом атмосферы
Вопрос 5. Каким требованиям должны были удовлетворять молекулы органических соединений, чтобы химическая эволюция могла перейти в органическую (биологическую)?
Ответ. Пробионтов можно считать предшественниками первых клеток, так как в них еще не происходил обмен веществ, превращение энергии и отсутствовало точное копирование генетической информации. Переход от пробионтов к первым клеткам, обладавшим этими важнейшими признаками живого, означал появление жизни и начало органической (биологической) эволюции.