Возникновение жизни

1.

Возникновение жизни

2.

Жизнь — основное понятие биологии — активная
форма существования материи, в некотором
смысле высшая по сравнению с её физической и
химической формами существования; совокупность
физических и химических процессов, протекающих в
клетке, позволяющих осуществлять обмен веществ
и её деление (вне клетки жизнь не существует,
вирусы проявляют свойства живой материи только
после переноса генетического материала в клетку).
Приспосабливаясь к окружающей среде, живая
клетка формирует всё многообразие живых
организмов. Основной атрибут живой материи —
генетическая информация, используемая для
репликации.

3.

Проявление жизни характеризуется:
1) Организацией (высокоупорядоченное строение)
2) Метаболизмом (получение энергии из
окружающей среды и использование её на
поддержание и усиление своей упорядоченности)
3) Ростом (способность к развитию)
4) Адаптацией (адаптированы к своей среде)
5) Реакцией на раздражители (активное
реагирование на окружающую среду)
6) Воспроизводством (все живое размножается)
7) Хранением информаци, необходимой каждому
живому организму, расщепленной в нем,
содержащейся в хромосомах и генах, и
передающейся от каждого индивидуума потомкам

4.

Примеры определения
понятия "жизнь"

5.

Фридрих Энгельс дал следующее определение: «Жизнь
есть способ существования белковых тел, существенным
моментом которого является постоянный обмен веществ с
окружающей их внешней природой, причём с
прекращением этого обмена веществ прекращается и
жизнь, что приводит к разложению белка»

6.

Российский ученый М.
В. Волькенштейн дал
новое определение
понятию жизнь: «Живые
тела, существующие на
Земле, представляют
собой открытые,
саморегулирующиеся и
самовоспроизводящиея
системы, построенные
из биополимеров —
белков и нуклеиновых
кислот».

7.

Согласно взглядам одного из основоположников
танатологии Мари Франсуа Ксавье Биша́, жизнь — это
совокупность явлений, сопротивляющихся смерти.

8.

С точки зрения второго начала термодинамики,
жизнь — это процесс или система, вектор развития
которой противоположен по направлению
остальным, «неживым» объектам вселенной, и
направлен на уменьшение собственной энтропии.

9.

10.

В. Н. Пармон дал
следующее определение:
«Жизнь — это фазовообособленная форма
существования
функционирующих
автокатализаторов,
способных к химическим
мутациям и претерпевших
достаточно длительную
эволюцию за счёт
естественного отбора».

11.

По Озангеру и Моровицу: «Жизнь есть свойство
материи, приводящее к сопряженной циркуляции
биоэлементов в водной среде, движимое, в
конечном счете, энергией солнечного излучения по
пути увеличения сложности».

12.

Существуют также
кибернетические
определения жизни.
По определению А. А.
Ляпунова, жизнь —
это
«высокоустойчивое
состояние вещества,
использующее для
выработки
сохраняющих реакций
информацию,
кодируемую
состояниями
отдельных молекул».

13.

Существует и
физиологическое
определение жизни,
данное в 1929 году А. Ф.
Самойловым, которое
не было великим
учёным до конца
исследовано:
«Жизнь — это
замкнутый круг
рефлекторной
деятельности».

14.

Согласно официальному определению NASA,
выработанному в 1994 году и применяющемуся в
задачах поиска жизни во Вселенной, жизнь —
«самоподдерживающаяся химическая система,
способная к дарвиновской эволюции».

15.

Жизнь качественно превосходит другие формы существования
материи в отношении многообразия и сложности химических
компонентов и динамики протекающих в живом превращений.
Живые системы характеризуются гораздо более высоким
уровнем структурной и функциональной упорядоченности в
пространстве и во времени.
Живые системы обмениваются с окружающей средой энергией,
веществом и информацией, являясь, таким образом, открытыми
системами. При этом, в отличие от неживых систем, в них не
происходит выравнивания энергетических разностей и
перестройки структур в сторону более вероятных форм, а
непрерывно происходит работа «против равновесия». На этом
основаны ошибочные утверждения, что живые системы якобы
не подчиняются второму закону термодинамики. Однако
снижение энтропии в живых системах возможно только за счёт
повышения энтропии в окружающей среде (негэнтропия), так что
в целом процесс повышения энтропии продолжается, что
вполне согласуется с требованиями второго закона
термодинамики.

16.

1 История развития представлений о возникновении жизни
1.1 Самозарождение жизни
1.2 Теория стационарного состояния
1.3 Теория Опарина — Холдейна
1.4 Зарождение жизни в горячей воде
2 Современные научные представления
2.1 Генобиоз и голобиоз
2.2 Мир РНК как предшественник современной жизни
2.3 Мир полиароматических углеводородов как
предшественник мира РНК
3 Альтернативные концепции
3.1 Панспермия

17.

1 История развития представлений о возникновении
жизни

18.

1.1 Самозарождение жизни

19.

Самозарождение — спонтанное зарождение
живых существ из неживых материалов; в
общем случае, самопроизвольное
возникновение живого вещества из неживого. В
настоящее время общепризнанно, что
зарождение целых живых организмов
невозможно. Возникновение живого вещества
из неживого, по-видимому, практически
невозможно в современных природных
условиях. Однако в науке активно обсуждаются
возможные сценарии возникновения жизни на
ранних этапах существования Земли.

20.

Абиогенез
Полноценных
самостоятельных
организмов
(устаревшее
толкование)
Образование
органических
Соединений
(современное
толкование)

21.

Эта теория была распространена в Древнем
Китае, Вавилоне и Древнем Египте в качестве
альтернативы креационизму, с которым она
сосуществовала. Аристотель, которого часто
провозглашают основателем биологии,
придерживался теории спонтанного
зарождения жизни. Согласно этой гипотезе,
определённые «частицы» вещества содержат
некое «активное начало», которое при
подходящих условиях может создать живой
организм. Аристотель был прав, считая, что это
активное начало содержится в
оплодотворённом яйце, но ошибочно полагал,
что оно присутствует также в солнечном свете,
тине и гниющем мясе.

22.

Креациони́зм (от лат. creatio, род. п. creationis
— творение) — религиозная и философская
концепция, согласно которой основные формы
органического мира (жизнь), человечество,
планета Земля, а также мир в целом,
рассматриваются как непосредственно
созданные Творцом или Богом.

23.

24.

Витали́зм (от лат. vitalis — «жизненный») —
устаревшее учение о наличии в живых
организмах нематериальной
сверхъестественной силы, управляющей
жизненными явлениями — «жизненной силы»
(лат. vis vitalis) («души», «энтелехии», «археи»
и проч.). Теория витализма постулирует, что
процессы в биологических организмах зависят
от этой силы, и не могут быть объяснены с
точки зрения физики, химии или биохимии.

25.

Витализм развивался в масштабе
цивилизационных эпох:
в восточных учениях — «ци» или «прана»
(представление об энергетической структуре
человека), в учении Гиппократа эти энергии
назывались «гуморы»;
в аристотелевском классицизме сущность
живого выносилась вне физического контекста в
так называемые «энтелехии»;
в христианской, буддийской традициях
сущность/исток жизни относили непосредственно к
Абсолюту;
у Ганса Дриша энтелехия получила
интерпретацию в экспериментальных данных и
имеет антимеханистическую направленность;

26.

Известный учёный Ван Гельмонт описал
эксперимент, в котором он за три недели якобы
создал мышей. Для этого нужны были грязная
рубашка, тёмный шкаф и горсть пшеницы.
Активным началом в процессе зарождения
мыши Ван Гельмонт считал человеческий пот.

27.

В 1668 году итальянский биолог и врач
Франческо Реди подошёл к проблеме
возникновения жизни более строго и подверг
сомнению теорию спонтанного зарождения.
Реди установил, что маленькие белые
червячки, появляющиеся на гниющем мясе —
это личинки мух. Проведя ряд экспериментов,
он получил данные, подтверждающие мысль о
том, что жизнь может возникнуть только из
предшествующей жизни (концепция
биогенеза). В горшочках с мясом, накрытых
марлей, мухи не заводились.

28.

29.

В то время как эксперименты Реди, казалось
бы, опровергли спонтанное зарождение мух,
первые микроскопические исследования
Антони ван Левенгука усилили эту теорию
применительно к микроорганизмам. Сам
Левенгук не вступал в споры между
сторонниками биогенеза и спонтанного
зарождения, однако его наблюдения под
микроскопом давали пищу обеим теориям.

30.

31.

В 1860 году этой проблемой занялся
французский химик Луи Пастер. Однако Пастер
не ставил перед собой вопрос о
происхождении жизни. Он интересовался
проблемой самозарождения микробов в связи
с возможностью борьбы с инфекционными
заболеваниями. Если «жизненная сила»
существует, то бороться с болезнями
бессмысленно: сколько микробов ни
уничтожай, они самозародятся вновь. Если же
микробы всегда приходят извне, тогда есть
шанс.

32.

33.

Своими опытами он доказал, что бактерии вездесущи, и что
неживые материалы легко могут быть заражены живыми
существами, если их не стерилизовать должным образом.
Учёный кипятил в воде различные среды, в которых могли
бы образоваться микроорганизмы. При дополнительном
кипячении микроорганизмы и их споры погибали. Пастер
присоединил к S-образной трубке запаянную колбу со
свободным концом. Споры микроорганизмов оседали на
изогнутой трубке и не могли проникнуть в питательную
среду. Хорошо прокипячённая питательная среда
оставалась стерильной, в ней не обнаруживалось
зарождения жизни, несмотря на то, что доступ воздуха и
«жизненной силы» был обеспечен. Вывод: «жизненной
силы» не существует, и в настоящее время микроорганизмы
не самозарождаются из неживого субстрата.

34.

35.

Эксперимент Пастера доказывает лишь
невозможность зарождения микроорганизмов
конкретно в тех питательных средах, которые
он использовал, при весьма ограниченном
диапазоне условий и в течение коротких
промежутков времени. Но он не доказывает
невозможность самозарождения жизни в
течение сотен миллионов лет химической
эволюции, в самых разных средах и при
разных условиях (особенно при условиях
ранней Земли: в бескислородной атмосфере,
наполненной метаном, углекислым газом,
аммиаком и циановодородом, при пропускании
электрических разрядов и т. д.).

36.

1.2 Теория стационарного состояния
(этернизм)

37.

Согласно теории стационарного состояния,
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.Используя
палеонтологические данные для
подтверждения теории стационарного
состояния, её сторонники интерпретируют
появление ископаемых останков в
экологическом аспекте.

38.

Сторонники этой гипотезы не признают, что
наличие или отсутствие определённых
ископаемых остатков может указывать на
время появления или вымирания того или
иного вида, и приводит в качестве примера
представителя кистепёрых рыб — латимерию.
По палеонтологическим данным кистеперые
вымерли в конце мелового периода. Однако
это заключение пришлось пересмотреть, когда
в районе Мадагаскара были найдены живые
представители кистеперых.

39.

Однако гипотеза стационарного состояния в
корне противоречит данным современной
астрономии, которые указывают на конечное
время существования любых звёзд и,
соответственно, планетных систем вокруг
звёзд. По современным оценкам, основанным
на учете скоростей радиоактивного распада,
возраст Земли, Солнца и Солнечной системы
исчисляется ≈4,6 млрд лет. Поэтому эта
гипотеза не рассматривается академической
наукой.

40.

1.3 Теория Опарина — Холдейна
(теория «первичного бульона»)

41.

Первичный бульон — термин, введённый
советским биологом Александром Ивановичем
Опариным. В 1924 году он выдвинул теорию о
возникновении жизни на Земле через
превращение, в ходе постепенной химической
эволюции, молекул, содержащих углерод, в
первичный бульон.

42.

Первичный бульон предположительно
существовал в мелких водоёмах Земли 4 млрд
лет назад. Он состоял из аминокислот,
полипептидов, азотистых оснований,
нуклеотидов и образовался под воздействием
электрических разрядов, высокой температуры
и космического излучения. При этом
атмосфера Земли в то время не содержала
кислорода.

43.

44.

В 1924 году будущий академик Опарин
опубликовал статью «Происхождение жизни»,
которая в 1938 году была переведена на
английский и возродила интерес к теории
самозарождения. Опарин предположил, что в
растворах высокомолекулярных соединений
могут самопроизвольно образовываться зоны
повышенной концентрации, которые
относительно отделены от внешней среды и
могут поддерживать обмен с ней. Он назвал их
коацерватные капли, или просто коацерваты.

45.

Согласно его 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

46.

Проверил теорию Стэнли Миллер в 1953 году в
эксперименте Миллера — Юри. Он поместил
смесь H2O, NH3, CH4, CO2, CO в замкнутый
сосуд и стал пропускать через неё
электрические разряды (при температуре
80°С). Оказалось, что образуются
аминокислоты. Позднее в разных условиях
были получены также сахара и нуклеотиды. Он
сделал вывод, что эволюция может произойти
при фазовообособленном состоянии из
раствора (коацерватов). Однако такая система
не может сама себя воспроизводить.

47.

48.

Теория была обоснована, кроме одной
проблемы, на которую долго закрывали глаза
почти все специалисты в области
происхождения жизни. Если спонтанно, путём
случайных безматричных синтезов в
коацервате возникали единичные удачные
конструкции белковых молекул (например,
эффективные катализаторы, обеспечивающие
преимущество данному коацервату в росте и
размножении), то как они могли копироваться
для распространения внутри коацервата, а тем
более для передачи коацерватам-потомкам?

49.

50.

51.

52.

Однако было показано, что первые коацерваты
могли образоваться самопроизвольно из
липидов, синтезированных абиогенным путём,
и они могли вступить в симбиоз с «живыми
растворами» — колониями
самовоспроизводящихся молекул РНК, среди
которых были и рибозимы, катализирующие
синтез липидов, а такое сообщество уже
можно назвать организмом.

53.

Однако Ричард Докинз в своём «Эгоистичном гене»,
где он излагает геноцентрический взгляд на
эволюцию, предположил, что в первичном бульоне
возникли не коацерватные капли, а первые
молекулы-репликаторы, способные создавать копии
самих себя. Такой молекуле было достаточно
возникнуть единожды и копировать себя в
дальнейшем, используя органические соединения из
окружающей среды (насыщенного органикой
«бульона»). Сразу после появления репликатора, он
стал распространять свои копии по всем морям,
пока более мелкие молекулы, которые стали
«строительными блоками», не стали дефицитными,
что вынудило первичные репликаторы бороться за
выживание друг с другом и эволюционировать.

54.

1.4 Зарождение жизни в горячей воде

55.

Гипотезу о возникновении жизни вблизи
подводных вулканов высказал Л. М. Мухин в
начале 1970-х. Научные исследования
показывают, что зарождение жизни в
минеральной воде и, в особенности, гейзерах
наиболее вероятно. В 2005 году академик
Юрий Викторович Наточин высказал
предположение, отличное от общепринятой
концепции возникновения жизни в море, и
аргументировал гипотезу, согласно которой
средой возникновения протоклеток были
водоемы с преобладанием ионов К+, а не
морская вода с доминированием ионов Na+.

56.

57.

58.

В 2009 г. Армен Мулкиджанян и Михаил
Гальперин на основе анализа содержания
элементов в клетке также пришли к выводу,
что, вероятно, жизнь зародилась не в океане.
Дейвид Уард доказал, что в горячей
минеральной воде появились и сейчас
образуются строматолиты.

59.

Строматолиты (др.-греч. στρῶμα «подстилка» и λίθος
«камень», каменная подстилка, каменная
прослойка) — ископаемые остатки
цианобактериальных матов.

60.

61.

В 2011 г. Тадаси Сугавара создал протоклетку в
горячей воде.

62.

Исследования Мари-Лор Пон минерала
серпентина в геологической формации Исуа,
Гренландия, в 2011 г. показали, что жизнь
могла зародиться и в грязевых вулканах.

63.

64.

Лауреат Нобелевской премии биолог Джек
Шостак отметил, что мы можем легче
представить себе накопление органических
соединений в первичных озёрах, чем в океане.
Такого же мнения группа учёных под
руководством Евгения Кунина.

65.

2 Современные научные представления

66.

2.1 Генобиоз и голобиоз

67.

В зависимости от того, что считается
первичным, различают два методологических
подхода к вопросу возникновения жизни:
Генобиоз — методологический подход в
вопросе происхождения жизни, основанный на
убеждении в первичности молекулярной
системы со свойствами первичного
генетического кода.
Голобиоз — методологический подход в
вопросе происхождения жизни, основанный на
идее первичности структур, наделённых
способностью к элементарному обмену
веществ при участии ферментного механизма.

68.

2.2 Мир РНК как предшественник современной
жизни

69.

К XXI веку теория Опарина—Холдейна,
предполагающая изначальное возникновение
белков, практически уступила место более
современной. Толчком к её разработке послужило
открытие рибозимов — молекул РНК, обладающих
ферментативной активностью и поэтому способных
соединять в себе функции, которые в настоящих
клетках в основном выполняют по отдельности
белки и ДНК, то есть катализирование
биохимических реакций и хранение наследственной
информации. Таким образом, предполагается, что
первые живые существа были РНК-организмами без
белков и ДНК, а прообразом их мог стать
автокаталитический цикл, образованный теми
самыми рибозимами, способными катализировать
синтез своих собственных копий.

70.

71.

Мир РНК — гипотетический этап
возникновения жизни на Земле, когда как
функцию хранения генетической информации,
так и катализ химических реакций выполняли
ансамбли молекул рибонуклеиновых кислот.
Впоследствии из их ассоциаций возникла
современная ДНК-РНК-белковая жизнь,
обособленная мембраной от внешней среды.
Идея мира РНК была впервые высказана
Карлом Вёзе в 1968 году, позже развита Лесли
Орджелом и окончательно сформулирована
Уолтером Гильбертом в 1986 году.

72.

2.3 Мир полиароматических углеводородов как
предшественник мира РНК

73.

Мир полиароматических углеводородов —
гипотетический этап химической эволюции,
когда полициклические ароматические
углеводороды (ПАУ), которые, возможно, были
в изобилии в первичном бульоне ранней
Земли, привели к синтезу молекул РНК, что
создало предпосылки для мира РНК и
возникновению жизни.

74.

Полиароматические углеводороды (ПАУ) —
органические соединения, для которых
характерно наличие в химической структуре
двух и более конденсированных бензольных
колец. В природе ПАУ образуются в процессе
пиролиза целлюлозы и встречаются в пластах
каменного, бурого угля и антрацита, а также
как продукт неполного сгорания при лесных
пожарах.

75.

76.

77.

78.

Гипотеза мира ПАУ была высказана Саймоном
Николасом Платтсом (Simon Nicholas Platts) в
мае 2004 года в попытке заполнить
пропущенный этап. Более полно
разработанная идея была опубликована в 2006
году группой учёных Ehrenfreund и др.

79.

В самоорганизующихся стеках ПАУ расстояние
между смежными кольцами равно 0,34 нм. На таком
же расстоянии находятся смежные азотистые
основания в молекулах РНК и ДНК. Более мелкие
молекулы будут естественным образом
присоединяться к кольцам ПАУ. Однако, кольца ПАУ
имеют тенденцию вращаться относительно друг
друга, что будет приводить к столкновениям
присоединённых молекулярных соединений к
смежным кольцам. Всё это вызывает
специфическое связывание с плоскими молекулами,
такими как пиримидиновыми и пуриновыми
азотистыми основаниями — ключевыми
компонентами (и переносчиками информации) РНК
и ДНК.

80.

81.

Химическая эволюция или пребиотическая
эволюция — этап, предшествовавший
появлению жизни, в ходе которого
органические, пребиотические вещества
возникли из неорганических молекул под
влиянием внешних энергетических и
селекционных факторов и в силу
развертывания процессов самоорганизации,
свойственных всем относительно сложным
системам, которыми, бесспорно, являются все
углеродсодержащие молекулы.

82.

1)Пребиотическая эволюция
2)Первичный бульон
3)Коацерваты
4)ПАУ
5)РНК мир
6)ДНК мир

83.

3 Альтернативные концепции

84.

3.1 Панспермия

85.

Согласно теории Панспермии, предложенной
Ю. Либихом, в 1865 году немецким ученым
Германом Эбергардом Рихтером и
окончательно сформулированной шведским
учёным Аррениусом в 1895 году, жизнь могла
быть занесена на Землю из космоса. Наиболее
вероятно попадание живых организмов
внеземного происхождения с метеоритами и
космической пылью.

86.

Это предположение основывается на данных о
высокой устойчивости некоторых организмов и
их спор к радиации, глубокому вакууму, низким
температурам и другим воздействиям. Однако
до сих пор нет достоверных фактов,
подтверждающих внеземное происхождение
микроорганизмов, найденных в метеоритах. Но
если бы даже они попали на Землю и дали
начало жизни на нашей планете, вопрос об
изначальном возникновении жизни оставался
бы без ответа.

87.

88.

89.

90.

Температура
Выдерживают 30-летнее пребывание при
температуре −20 °C, в течение 20 месяцев в
жидком кислороде при −193 °C, восьмичасовое
охлаждение жидким гелием до −271 °С; нагрев
до 60—65 °С в течение 10 ч и до 100 °С в
течение часа.

91.

Ионизирующее излучение
Доза в 570 000 бэр убивает примерно 50 %
облучаемых тихоходок. Для человека
смертельная доза радиации составляет всего
500 бэр.

92.

Атмосфера
Довольно долго могут находиться в
атмосфере сероводорода, углекислого газа.

93.

Давление
В эксперименте японских биофизиков
«спящих» тихоходок помещали в герметичный
пластиковый контейнер и погружали его в
заполненную водой камеру высокого давления,
постепенно доведя его до 600 МПа (около 6000
атмосфер). При этом неважно, какой
жидкостью был заполнен контейнер: водой или
нетоксичным слабым растворителем
перфторуглеродом C8F18 — результаты по
выживаемости совпадали.

94.

Открытый космос
В эксперименте шведских учёных тихоходок
разделили на три группы. Одна из них по прибытии
на орбиту оказалась в условиях вакуума и была
подвергнута воздействию космической радиации.
Другая группа, кроме этого, также подверглась
облучению ультрафиолетом A и B (280—400 нм).
Третья группа животных испытала воздействие
полного спектра ультрафиолета (116—400 нм). Все
тихоходки находились в состоянии анабиоза. После
10 дней, проведённых в открытом космосе,
практически все организмы были иссушены, но на
борту космического аппарата тихоходки вернулись к
нормальному состоянию.

95.

Влажность
В литературе часто упоминается случай,
когда мох, взятый из музея спустя
приблизительно 120 лет хранения в сухом
виде, поместили в воду, и через некоторое
время на нём «обнаружилось множество
ползающих тихоходок». На самом деле в
первоисточнике говорится, что одна особь
стала подавать признаки жизни, но так и не
ожила. По современным данным, тихоходки
могут ожить после примерно десятка лет
анабиоза.

96.

Фрэнсис Крик и Лесли Оргел предложили в
1973 году другой вариант — управляемую
панспермию, то есть намеренное «заражение»
Земли (наряду с другими планетными
системами) микроорганизмами,
доставленными на непилотируемых
космических аппаратах развитой инопланетной
цивилизацией, которая, возможно, находилась
перед глобальной катастрофой или же просто
надеялась произвести терраформирование
других планет для будущей колонизации.

97.

В пользу своей теории они привели два
основных довода — универсальность
генетического кода и значительную роль
молибдена в некоторых ферментах. Молибден
— очень редкий элемент для всей Солнечной
системы. По словам авторов, первоначальная
цивилизация, возможно, обитала возле звезды,
обогащённой молибденом.

98.

Схожей является гипотеза о псевдопанспермии
(также получившая название «мягкая
панспермия» или «молекулярная
панспермия»), согласно которой космическое
происхождение имеют органические молекулы,
на основе которых на поверхности Земли в
процессе абиогенеза произошло зарождение
жизни. В настоящее время установлено, что в
облаках межзвёздного газа и пыли существуют
условия для синтеза органических соединений,
которые обнаруживаются в них в
существенных количествах.

99.

Хотя возможность переноса живых организмов
через космическое пространство (например, в
результате микробного загрязнения
космических аппаратов) в настоящее время
рассматривается как вполне реальная, не
имеется никаких общепринятых свидетельств
того, что процессы панспермии действительно
имели место в истории Земли или Солнечной
системы.