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.
- Процесс самовоспроизведения возник раньше образования мембран и обмена веществ.
- Источниками энергии в процессе возникновения органических соединений, кроме указанных в теории Опарина-Холдейна, являлись также природная радиация, солнечный ветер.
- Древняя атмосфера имела иной состав, чем представлено в теории. Основными элементами были углекислый газ и азот, другие компоненты имели малую концентрацию.
- «Первичный бульон» — неподходящая среда для возникновения жизни, поскольку белки в воде неустойчивые, а значит, легко распадаются. Кроме того, процесс самовоспроизводства аминокислот в «первичном бульоне» считается недостижимым.
Новые модифицированные гипотезы:
- гипотеза «первичной пиццы (органические молекулы возникли на минеральных подкладках при их повторяющемся высыхании);
- гипотеза «первичного майонеза» (примитивные мембраны существовали до появления способности к самовоспроизведению).
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:
- естественную радиоактивность;
- вулканические извержения;
- солнечный ветер.
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:
- В водной среде белки обладают неустойчивостью, поэтому велик риск их распада. На безжизненной планете для образования соединений аминокислот требовалось избавление от воды, с этой целью можно было использовать лагуны, заливы, а также вулканические районы.
- «Первичный бульон» лишен границ, вот почему, несмотря на наличие мембран, первичные аминокислоты «растекались», передавая свои клетки соседним, что делало процесс самовоспроизводства невозможным.
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:
- На формирование сложных соединений оказала влияние атмосфера Земли, лишенная кислорода, а также разряды молний и УФ-лучи солнца.
- Органические вещества стали основой появления биополимеров, которые, в свою очередь, использовались для образования примитивных форм жизни (пробионтов).
- Когда в пробионтах появились нуклеиновые кислоты, они получили возможность передавать наследственную информацию и усложняться в следующих поколениях.
- Результат естественного отбора — выжить смогли лишь те организмы, которые оказались способными к воспроизводству.
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.
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:
- В колбах, связанных между собой, были имитированы условия планеты.
- Колбы заполнили аммиаком, водородом и монооксидом углерода — смесью газов, которые составляли атмосферу Земли раннего периода.
- Часть системы составляла кипящая вода, пары при этом подвергались воздействию имитирующих молнию разрядов электричества.
- После охлаждения пар накапливался в нижней трубке в виде конденсата.
- Через неделю непрерывного процесса в колбе удалось обнаружить сахара, липиды и аминокислоты.
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:
- Русский исследователь — создатель теории — был убежден, что самозарождение жизни из неживой материи, то есть аборигенное, было возможным исключительно в условиях древнейшей атмосферы.
- Холдейн считал, что первичной была макромолекулярная система, способная к самовоспроизводству, а не коацерватная система.
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:
- Отсутствие кислорода (сейчас его образуют зеленые растения, которые в тот период, конечно, не существовали).
- Определенный температурный режим — очень жарко.
- Наличие источников энергии.
- Обязательное наличие воды.
Согласно теории Опарина-Холдейна о происхождении жизни, можно выделить 5 этапов становления и развития жизни на планете, которые в наглядной форме представлены в таблице.
| Этап | Основные события |
| Первый — 6,5−3,5 млрд лет назад | Образовалась первичная атмосфера, включающая аммиак, метан, водород, пары воды, углекислый газ и окись углерода. |
| Второй | Поверхность планеты охлаждается до температуры +100°C, происходит образование первичного океана за счет конденсации водяного пара. В воде растворяются газы и минеральные вещества. Все это сопровождается сильнейшими грозами. Удары молний и ультрафиолетовые радиации становятся причиной синтеза аминокислот, сахаров, азотистых соединений — простых органических образований. |
| Третий | Формирование белков простейшей структуры. Коацерватов, жиров. |
| Четвертый — 3,5−3 миллиарда лет назад | Появление протобионтов, способных к обмену веществ и самовоспроизведению. |
| Пятый — 3 миллиарда лет назад | Появление организмов с клеточным строением (прокариот-бактерий) |
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.
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:
- образование органических веществ;
- возникновение полимерных соединений;
- зарождение первых, предельно простых организмов, которые могли воспроизводиться.
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:
- гидрогена;
- метана;
- аммиака;
- двуокиси углерода;
- нитрогена;
- водяных паров.
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:
- ультрафиолетовое излучение Солнца;
- космическое излучение;
- интенсивные молнии как источник электрических разрядов;
- извержения вулканов.
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:
- создание логической концепции, ставшей основой для современных теорий возникновения биологической жизни;
- экспериментально подтверждена возможность абиогенного синтеза органических биополимеров;
- соотносится с гипотезой химической эволюции.
Минусы теории:
- коацерваты и протобионты не получены экспериментальным путем;
- не объясняет момент перехода от органических соединений к живым организмам и появление генетического кода.
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
Определение
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.
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: