Презентация на тему: Концепция современного естествознания

Происхождение жизни и биохимическая эволюция

Происхождение жизни Концепция сверхъестественного (божественного) происхождения живого – креационизм. Основные формы жизни, человечество и мир в целом рассматриваются как непосредственно созданные Творцом (Богом). В настоящее время креационизм представляет собой широкий спектр концепций (богословских, философских претендующих на научность) , которые, однако, отвергаются официальным академическим научным сообществом.

Происхождение жизни День первый – сотворение света и тьмы. День второй – сотворение тверди и неба. День третий – сотворение суши и морей, растений. День четвертый – сотворение дня и ночи, времени, светил на тверди небесной. День пятый – сотворение пресмыкающихся, птиц и рыб. День шестой – сотворение животных и человека.

И сказал Бог: да будет свет; и стал свет. И увидел Бог свет, что он хорош; и отделил Бог свет от тьмы.И назвал Бог свет днем, а тьму ночью.

И сказал Бог: да будет твердь посреди воды, и да отделяет она воду от воды; (и стало так). И создал Бог твердь. И назвал Бог твердь небом; (и увидел Бог, что это хорошо). И был вечер, и было утро: день второй.

И сказал Бог: да соберется вода, которая под небом, в одно место; и да явится суша; и стало так. И назвал Бог сушу землею, а собрание вод назвал морями; и сказал Бог: да произрастит земля зелень, траву и дерево.

И сказал Бог: да будут светила на тверди небесной для освещения земли, и для отделения дня от ночи, и для знамений, и времен, и дней, и годов, и да будут они отделять свет от тьмы.

И сказал Бог: да произведет земля душу живую по роду ее, скотов и гадов, и зверей земных по роду их; и стало так. И создал Бог зверей земных по роду их, и скот по роду его, и всех гадов земных по роду их.

И сказал Бог: сотворим человека по образу Нашему, (и) по подобию Нашему; и да владычествуют они над рыбами морскими и над птицами небесными, (и над зверями), и над скотом, и над всею землею, и над всеми гадами, пресмыкающимися по земле.

Происхождение жизни Христианский буквалистский креационизм настаивает на буквальном следовании Книге Бытия Ветхого Завета – мир создан Богом за шесть дней. Метафорический креационизм – шесть дней творения рассматриваются как метафора, в действительности же одному дню творения соответствуют миллионы или миллиарды лет. Креационизм постепенного творения – Бог непрерывно направляет процесс изменения биологических видов и их появление (отвергает теорию эволюции и естественный отбор).

Происхождение жизни Теистический креационизм (эволюционный) признает теорию эволюции, причем эволюция считается инструментом Бога-творца в осуществлении его замысла. Принимает почти все основные идеи современной науки, ограничивая чудесное вмешательство Творца такими не изучаемыми наукой актами, как сотворение бессмертной души у человека. Научный креационизм утверждает, что можно получить научные подтверждения библейского акта творения (например, Всемирного потопа).

Происхождение жизни Согласно критерию научности Поппера, креационизм является не научной теорией, а религиозной верой. «Теория является верифицируемой/ фальсифицируемой, если существует методологическая возможность ее подтверждения/опровержения путем постановки эксперимента, даже если такой эксперимент еще не был поставлен». Креационизм вводит непроверяемые понятия (такие как Бог-Творец), опровергнуть его с помощью научных методов в принципе невозможно.

Происхождение жизни Концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества возникла в древности, ее придерживался еще Аристотель. Голландский ученый Ян ван Гельмонт в XVII веке описал свой опыт, утверждая, что живые мыши зарождаются из грязного белья и горсти зерна, запертых в шкафу. В 1688 г. итальянский ученый Франческо Реди проверил гипотезу самозарождения жизни, поместив в четыре сосуда мертвую змею, немного рыбы, дохлых угрей и кусок телятины. В открытых сосудах мясо и рыба зачервивели, в запечатанных, в которые не залетали мухи, – нет. Принцип Реди: «Все живое происходит от живого»

Происхождение жизни Открытие в XIX веке микроорганизмов повысило интерес к самозарождению жизни. Луи Пастер (1822-1895) показал, что если при опыте устранена возможность попадания микроорганизмов в питательный бульон (например, с пылью), он не изменяется, несмотря на доступ воздуха. Опыты Пастера показали, что все микроорганизмы не возникают, а размно-жаются. Если зародыши микроорганизмов уничтожены (пастеризация) и их проникновение из внешней среды невозможно, то нет ни брожения, ни гниения.

Происхождение жизни Пастер показал, что заразные болезни возникают в результате проникновения в организм микробов – на этом принципе основана вся теория и практика борьбы с заразными болезнями человека, животных и растений. Пастер выделил возбудителей холеры, сибирской язвы, бешенства и разработал способ борьбы с заразными болезнями – вакцинацию. Вакцины(прививки) содержат ослабленных возбудителей болезни. Их введение позволяет организму сформировать иммунитет.

Луи Пастер Луи Пастер исследовал в своей лаборатории культуру бактерии оспы. Неожиданно к нему явился незнакомец и представился секундантом одного вельможи, которому показалось, будто ученый оскорбил его. Вельможа требовал удовлетворения. Пастер выслушал посланца и сказал: "Раз меня вызывают, я имею право выбрать оружие. Вот две колбы; в одной бактерии оспы, в другой - чистая вода. Если человек, приславший вас, согласится выпить одну из них на выбор, я выпью другую". Дуэль не состоялась".

Происхождение жизни Концепция панспермии связывает появление жизни на Земле с ее занесением из космического пространства. Разделяется многими учеными, интерес к ней периодически возрастает. В 1908 г. шведский физик и химик Сванте Аррениус разработал концепцию радиационной панспермии: в результате миграции по Вселенной, вызванной давлением солнечного света (или давлением света другой звезды) споры термостойких бактерий попали на Землю, например, с Венеры. Ф.Хойл и С.Викремасинг предположили, что межзвездная пыль есть не что иное, как бактерии, вирусы и высушенные водоросли. Земля могла образоваться в результате аккумуляции холодной межзвездной пыли, получив и зародыши жизни.

Происхождение жизни Литопанспермия (М.Кельвин) – биологический материал мог попасть на Землю с метеоритным веществом. Внутри метеоритов обнаружены аминокислоты, причем как с левой, так и справой оптической асимметрией (в составе всего живого на Земле – только аминикислоты с левой асимметрией). Гипотеза кометного происхождения жизни- внутри комет обнаружены сложные углеводородные молекулы и глинистые частицы. Предполагает внеземное происхождение вирусов, вызвавших глобальные эпидемии.

Происхождение жизни Направленная панспермия (Ф.Крик, Л.Оргел, 1974 г.) – жизнь на Земле возникла вследствие целенаправленной деятельности внеземной цивилизации. Аргумент – универсальность генетического кода всего живого, свидетельствующая о происхождении от одного микроорганизма, привезенного из космоса. Обратно направленная панспермия- отправка земного генетического материала на планетные системы других звезд (проект). Космические аппараты под «космическим парусом» направляются к выбранным звездам, различные земные организмы, находящиеся в состоянии анабиоза.

Происхождение жизни Ускоренная обратная панспермия: в 1961 г. К.Саган предложил распылять сине-зеленые водоросли в атмосфере Венеры с тем, чтобы их жизнедеятельность изменила климат Венеры и сделала его пригодным для обитания человека. Рассматривается целесообразность отправки земных микроорганизмов на Марс. Сначала – микроорганизмы, способные питаться неорганическими веществами грунта и создать органическую биомассу. Затем – микроорганизмы, вырабатывающие аммиак для создания «парникового эффекта» и потепления климата. Затем – сине-зеленые водоросли, вырабатывающие кислород для формирования атмосферы и озонового слоя.

Происхождение жизни Концепция стационарного состояния предполагает, что Земля и жизнь на ней существовала всегда, причем в неизменном состоянии (противоречит данным палеонтологии). Концепция биохимической эволюции является общепринятой в естествознании в настоящее время. Предполагает, что жизнь зародилась на Земле естественным путем в результате химических, а затем биохимических процессов.

Происхождение жизни Современные представления о происхождении жизни восходят к гипотезам А.И.Опарина в России и Дж.Холдейна в Англии в 1920-х годах. Земля, образовавшаяся из протопланетного облака 4.5 млрд лет назад, имела температуру в несколько тысяч градусов. По мере остывания сформировалась земная кора, легкие газы (водород, азот, кислород) уходили из атмосферы, т.к. гравитационное поле еще недостаточно плотной планеты не могло их удержать.

Происхождение жизни Атмосфера состояла, в основном, из тяжелых газов (аммиак, СО2, метан, пары воды). Отсутствие в атмосфере кислорода было необходимым (формирование предбиологических соединений лучше происходит в восстановительной среде, чем в окислительной. С изменением температуры и давления конденсация воды привела к возникновению океанов. Из-за отсутствия озонового защитного слоя, характерного для современной атмосферы существовало мощное солнечного коротковолновое излучение.

Происхождение жизни В приповерхностном слое водной среды (на глубине 10-50 м) синтезировались и накопились органические вещества благодаря разнообразию находящихся в древнем океане простых соединений, громадной площади поверхности, высоким температурам, высокой интенсивности активирующего солнечного излучения, длительности процессов химической эволюции. Возник тот «первичный питательный бульоно», в котором могли сформироваться предбиологические структуры – белки и нуклеиновые кислоты.

Происхождение жизни Предбиологические системы образовались в первый миллиард лет существование Земли, не оставивший следов в ее палеонтологической летописи. Возраст древнейших организмов, следы которых обнаружены в геологических отложениях, оценен в 3.2-3.5 млрд лет. Это минерализованные микроорганизмы, похожие на простейшие бактерии и микроводоросли - относительно сложные и не самые древние формы простейших организмов. Остается открытым вопрос о характере предбиологической системы, появившейся в результате химической эволюции в «темный» миллиард лет земной истории.

Происхождение жизни Идея голобиоза (А.И.Опарин) Решающая роль в превращении неживого в живое принадлежит белкам Белковые молекулы способны к образованию коллоидных гидрофильных комплексов – обособляться от водной фазы и образовывать т.н. коацерваты с липидной оболочкой. Коацерваты поглощали вещества из окружающей среды, при включении различных катализаторов (ферментов)в них происходили химические превращения, их структура усложнялась.

Происхождение жизни Обмен веществом с окружающей средой и все более сложное внутреннее строение приблизило коацерваты к живому веществу, способному к обмену веществ и размножению. Недостаток - не описывает возникновение ДНК и механизма кодировки и передачи наследственной информации. Астроном Фред Хойл: мысль о возникновении живого в результате случайных взаимодействий молекул «столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над мусорной свалкой, может привести к сборке Боинга-747»

Происхождение жизни Идея генобиоза утверждает первичность возникновения в результате химической эволюции молекулярной системы со свойствами генетического кода. Концепция мира РНК, предшествовавшего современной жизни: именно РНК могла представлять собой первичный генетический материал: В химическом синтезе и в биохимических реакциях РНК предшествуют ДНК (ДНК – продукт модификации РНК). Репликация РНК может происходить без участия ДНК, а редупликация ДНК требует участия РНК-затравки. РНК способна к выполнению ряда функций, присущих белкам, например, включая катализ.

Происхождение жизни Идея стартовой роли минералов –минералы рассматриваются как катализаторы неорганического синтеза биополимеров и как информационнные матрицы, структурно-функциональные предшественники генов (протогены). Информационная емкость минералов, насыщенных дефектами, сравнима с емкостью ДНК. Структура протогена- кристаллическая решетка минералов – в процессе совместной с синтезированными биополимерами эволюции развивается в спирали ДНК.

Происхождение жизни Пока не удается прояснить конкретные механизмы перехода от неживого к живому. Концепция биохимической эволюции совместно с представлениями о возможности и закономерностях самоорганизации в открытых неравновесных системах указывает принципиальный путь решения проблемы происхождения жизни. Возможность случайного образования молекулы, способной нести и передавать генетическую информацию, в результате многократных актов взаимодействия простых органических веществ имеет вероятность порядка 1/102000 и не может реализоваться за время, отведенное геологической историей.

Происхождение жизни Переход от неживого к живому- возникновение и развитие зачатков двух основных жизненных систем: Система обмена веществ (метаболизм); Система воспроизводства живой клетки. Элементы живой системы постоянно разрушаются и образуются вновь. Этот процесс называется биологическим обновлением. Для его обеспечения необходим постоянный приток вещества и энергии извне, а также вывод во внешнюю среду части продуктов биохимических процессов, включая тепло. Живые организмы являются открытыми неравновесными термодинамическими системами. .

Термодинамика живых систем В течение времени жизни системы ее элементы подвергаются распаду, обусловленному увеличением энтропии; Для компенсации неупорядоченности, возникающей в результате распада, в системе совершается работа по синтезу новых элементов взамен распавшихся; эта работа приводит к уменьшению энтропии (негоэнтропии) в живой системе, но одновременно повышает энтропию в окружающей среде. Для возникновения и существования живого организма необходимы источники, снабжающие его веществом и энергией, обладающие высокой негоэнтропией. Этими источниками являются органические вещества с запасенной в них химической энергией.

Термодинамика живых систем Часть организмов синтезируют органические вещества из неорганических веществ (например, углекислого газа и воды) под действием солнечного света (фотосинтез) или в процессе окисления (хемосинтез, характерный для некоторых бактерий). Такие организмы называются автотрофами. Большинство автотрофов – зеленые растения, осуществляющих фотосинтез. При фотосинтезе энергия ЭМ излучения аккумулируется в виде энергий химических связей органических соединений. СО2 +Н2О (+hν) углеводород + О2

Термодинамика живых систем Организмы, потребляющие энергию из готовых органических веществ, синтезированных автотрофами называются гетеротрофами (все животные и человек). Извлечение энергии из питательных веществ происходит при их расщеплении (катаболизме). Освободившаяся энергия расходуется на синтез необходимых веществ (анаболизм) при использовании кислорода (дыхании) углеводород + О2 СО2 +Н2О + энергия Регулирование притока кислорода при дыхании позволяет регулировать процесс выделения энергии. Хранение энергии производится в виде химических связей промежуточных соединений аденозинтрифосфатов (АТФ) и затрачивается по мере необходимости на процессы синтеза в клетках, перенос веществ в организме, механическое движение, выделение тепла и др.

Термодинамика живых систем Между автотрофами и гетеротрофами существует пищевая (трофическая) связь. Живые системы образуют пищевые цепочки: энергия солнечного ЭМ излучения растения, осуществляющие фотосинтез травоядные хищники … микробы, перерабатывающие вещество отмерших организмов в неорганическое вещество. Впоследствии молекулы этих веществ могут участвовать в образовании живых существ. Таким образом, в биосфере сформирован глобальный круговорот веществ, который обусловлен т.н. геохимическими циклами.

Термодинамика живых систем Питательные органические вещества, поглощаемые гетеротрофами, обладают большей упорядоченностью (негэнтропией), чем выделяемые продукты обмена, т.е. гетеротрофы переносят упорядоченность из внешней среды в самих себя. Для автотрофов эта же цель достигается за счет высокой негэнтропии поглощаемого ЭМ излучения Солнца. Назначение обмена веществ живой системы с внешней средой (метаболизма) состоит в поддержании определенного уровня организации этой системы и ее частей. Метаболизм необходим для противодействия увеличению энтропии, обусловленному необратимыми процессами в живой системе.

Термодинамика живых систем Глобальный энергетический баланс: источником энергетического потока, проходящего через все пищевые цепочки, служит солнечное ЭМ излучение, а финалом - выделение тепла при переработке бактериями органических останков. Высвободившаяся в биосфере энергия возвращается в мировое пространство главным образом в виде ЭМ волн инфракрасного диапазона (теплового). Энтропия поступающего на Землю коротковолнового ЭМ солнечного излучения меньше, чем излучаемого землей инфракрасного излучения. За счет этой отрицательной разности энтропий поддерживается упорядоченность в биосфере Земли.

Термодинамика живых систем Объекты живой природы являются открытыми системами. Обмен живых организмов веществом и энергией с окружающей средой способствует оттоку энтропии из организма, и тем самым поддерживается их неравновесное состояние. Для сохранения стационарного неустойчивого состояния живой организм непрерывно потребляет энергию извне. Такая ситуация полностью аналогична поведению диссипативной структуры. Жизнь - это есть борьба живого с энтропией