Особенности и теория биогенеза / биология

Эксперимент Реди

Этот исследователь разработал эксперимент, чтобы продемонстрировать, что насекомые не спонтанно генерируют. Для этого он поместил восемь различных видов мяса в восемь стеклянных банок, оставив четыре из них полностью непокрытыми, в то время как другая половина покрыла их марлей, которая позволяла воздуху проходить, но не насекомым.

Через несколько дней на открытом мясе были обнаружены личинки, а накрытые, по-видимому, не питали, по-видимому, жизни. Результат эксперимента показал, что мухам необходимо размещать яйца во плоти, чтобы появлялись другие виды. Это эксперимент, который связан с теорией биогенеза и был бы успешным, если бы не сместил самопроизвольное поколение, если бы не открытия голландца Антона Ван Леувенхука, отца микробиологии.

Левенхук, спустя несколько лет после того, как итальянец провел свои исследования, повторил эксперимент Реди, но на этот раз он исследовал мясо под микроскопом. Как в непокрытом, так и в покрытом мясе можно было наблюдать микроорганизмы, в результате чего идеи самопроизвольной генерации были осуществимы, по крайней мере, для этих организмов жизни.

Синтетическая теория эволюции

Когда Дарвин работал над своей теорией, он столкнулся с рядом сложностей, разрешить которые было невозможно без современной генетики. Синтетическая теория эволюции или СТЭ – это современная эволюционная теория, объединившая в себе дарвинизм, генетику и молекулярную биологию. Отчасти она также опирается на исследования в области палеонтологии, которых также не было в распоряжении Дарвина.

СТЭ возникла в 1940-х годах как улучшенная версия дарвиновского учения. Стоит отметить, что она не только дополнила существовавшую теорию, но и подтвердила многие тезисы, которые до этого основывались на предположениях или необъяснимых наблюдениях. «Синтетической» эту теорию назвали благодаря английскому биологу Джулиану Хаксли, который в 1942 году опубликовал монографию «Эволюция – современный синтез».

Синтетическая теория расширяет список факторов эволюции. Дарвин считал, что основным фактором является внутривидовая и межвидовая конкуренция за ресурсы и выживание в сложных условиях. В СТЭ рассматриваются такие факторы как мутация, изоляция, генетический дрейф, перенос генов между популяциями и прочее.

В рамках синтетической теории изучаются две формы эволюции:

Микроэволюция. Это появление и закрепление полезных признаков в рамках одного биологического вида.
Макроэволюция. Это процессы, происходящие на более глобальном уровне: появление и вымирание целых видов.

Процессы микроэволюции доступны для наблюдения, а вот макроэволюцию приходится изучать лишь косвенно, пользуясь наработками современной генетики, палеонтологии и других наук.

Ключевые тезисы синтетической теории эволюции:

основным источником появления новых признаков являются мутации;
главный, но не единственный фактор эволюции – естественный отбор;
единица эволюции – это популяция, относительно изолированная от других популяций данного вида;
пока популяции пересекаются и обмениваются генами, целостность вида сохраняется;
изолированная популяция после длительной эволюции образует новый вид;
у эволюции нет конечной цели, она лишь помогает популяции приспособиться к актуальным условиям обитания.

Абиогенез и биогенез

Абиогенез, также известный как Теория Спонтанного Поколения, был первой гипотезой о происхождении жизни с философской и научной точек зрения. Эта теория просуществовала на протяжении всей античности, а Аристотель был одним из известных сторонников.

Сторонники этой идеи утверждали, что жизнь может возникнуть из любого вида органического материала. Например, они думали, что лягушки могут «прорасти» в болотах и личинки в плохой плоти.

Упадок абиогенеза начался со знаменитого эксперимента Франческо Реди (1626 — 1697). Итальянский врач использовал колбы, туши животных и кусочки мяса, чтобы доказать, что личинки не были рождены самопроизвольно, как предполагалось в то время.

Реди положил мясо в банки, но в некоторых оно закрывало отверстие марлей, а в других оставалось открытым. В колбах, которые были открыты и подвергались воздействию воздуха, личинки образовались, с другой стороны, в тех, которые были закрыты, изменений не было.

Таким образом, ученый отметил, что черви не «выросли» из трупов и плохой пищи, а получили яйца мух, которые приземлились на мясо, и что позже они вылупились.

Однако даже после эксперимента Реди некоторые ученые продолжали верить в правдивость абиогенеза. Джон Нидан, например, защитил теорию, заявив, что спонтанное поколение возникло благодаря «жизненной энергии».

Спустя годы, в 1860 году, Луи Пастер провел эксперимент, который окончательно опроверг теорию самопроизвольного рождения.

Ученый провел эксперимент, используя стеклянные банки с горлом, похожим на шею лебедя. Внутри каждого флакона был питательный бульон. Флаконы кипятили и оставляли на несколько дней. Из-за формы кусочков микроорганизмы не могли вступать в контакт с бульоном, что делало невозможным образование организмов. Когда Пастер сломался и оставил бульон открытым, через несколько дней в жидкости появились микроорганизмы.

Узнайте больше о значении абиогенеза и разнице между абиогенезом и биогенезом.

Теория Опарина — Холдейна

В 20-х годах прошлого века британский ученый Холдейн, Джон Бёрдон Сандерсон и русский биохимик Александр Опарин независимо друг от друга выдвинули схожие идеи относительно условий, необходимых для возникновения жизни на Земле. Оба считали, что органические молекулы могут быть образованы из абиогенных материалов в присутствии внешнего источника энергии (например, ультрафиолетового излучения), и что примитивная атмосфера была с очень низким количеством свободного кислорода и содержала аммиак, водяной пар, водород и метан.

Оба также подозревали, что первые формы жизни появились в теплом примитивном океане и были гетеротрофными (получая предварительно сформированные питательные вещества из соединений, существовавших на ранней Земле), а не автотрофными (синтезирующими питательные вещества из солнечного света или неорганических веществ).

Опарин считал, что жизнь возникла из коацерватов, микроскопических спонтанно сформированных сферических агрегатов липидных молекул, которые удерживаются вместе за счет электростатических сил и, возможно, были предшественниками клеток. Работа Опарина с коацерватами подтвердила, что ферменты, лежащие в основе биохимических реакций метаболизма, функционируют более эффективно, когда они содержатся в мембраносвязанных сферах, чем когда они свободны в водных растворах.

Холдейн, незнакомый с коацерватами Опарина, полагал, что сначала образуются простые органические молекулы, а в присутствии ультрафиолетового света они становятся все более сложными, в конечном итоге формируя клетки. Идеи Холдейна и Опарина легли в основу многих исследований абиогенеза, проводившихся в последующие десятилетия.

В начале: теория самозарождения

Дело в том, что нельзя говорить о биогенезе, не упомянув сначала модель, которая вытеснила научную и популярную сцену. Спонтанное зарождение предложило жизнь может быть создана из инертной материи. Эта идея возникла из наблюдения, что после разложения органического образца появляются насекомые и микроорганизмы, которых раньше не было.

То, что теории биогенеза удалось опровергнуть модель, которая долгие годы укоренилась в мировоззрении, было большим достижением. Идея самозарождения восходит к Древней Греции, от руки Аристотеля; философ утверждал, что некоторые формы жизни могли появиться из инертной материи и без того. Например, черви вышли из нагретой солнцем грязи или мухи из гниющего мяса.

Эти убеждения, предложенные Аристотелем, пережили многие столетия, не подвергаясь сомнению. Лишь в семнадцатом веке кто-то захотел опровергнуть эту идею. Это было итальянский натуралист Франческо Реди.

Эксперимент Реди

Этот исследователь разработал эксперимент, чтобы показать, что насекомые не возникают спонтанно. Для этого он поместил разные виды мяса в восемь стеклянных банок, оставив четыре из них полностью открытыми, а другая половина накрыла их марлей, которая пропускала воздух, но не насекомых.

Через несколько дней в открытом мясе появились личинки, а в закрытом, по-видимому, не было жизни. Результат эксперимента показал, что мухам необходимо откладывать яйца в мясо, чтобы появились другие представители их вида. Это эксперимент, связанный с теорией биогенеза, и он был бы успешным в вытеснении спонтанного зарождения, если бы не открытия голландца Антона Ван Левенгука, отца микробиологии.

Левенгук через несколько лет после того, как итальянец провел свое исследование, повторил эксперимент Реди, но на этот раз он исследовал мясо под микроскопом. Как в открытом, так и в закрытом мясе можно было наблюдать микроорганизмы, и в результате идеи спонтанного зарождения оставались возможными, по крайней мере, для этих живых организмов.

Осознание того, что животные могут исчезнуть

Джордж Кювье был первым человеком, который задался таким вопросом. В 1796 году он написал статью о слонах, в которой описал африканские и азиатские разновидности. Также он упомянул о третьем типе слонов, известному науке только по его костям. Кювье отметил ключевые отличия в форме челюсти третьего слона и предположил, что этот вид должен быть совершенно отдельным. Ученый назвал его мастодонтом, но где же тогда живые особи?

По мнению Кювье, «все эти факты находятся в соответствии между собой и не противоречат ни одному другому сообщению, поэтому мне кажется возможным доказать существование мира, предшествующего нашему и разрушенному вследствие своего рода катастрофы». Он не остановился только на этой революционной идее. Кювье изучил окаменелости других древних животных — попутно введя термин «птеродактиль» — и выяснил, что некогда рептилии были доминирующим видом.

Минусы и недостатки абиогенеза

В те далёкие времена наука была на начальных стадиях развития — очень многое ещё только предстояло узнать, а большинство утверждений и взглядов на жизнь были не просто ошибочными, а даже абсурдными. Сейчас даже ученики начальной школы знают, что живое не может появиться из мёртвого. Опыты, якобы доказывающие состоятельность теории самозарождения, были проведены в ненадлежащих условиях, некоторые факторы не учитывались, из-за этого и сложилось ошибочное мнение о происхождении жизни на земле.
Тем не менее и в те далекие времена были люди, считавшие эту концепцию абсурдной и старавшиеся привести опыты, опровергающие её. Франческо Реди провёл ряд опытов в этой целью. Так он два одинаковых свежих куска мяса клал в глиняные горшочки, один из которых накрывал кисеей, а другой — нет. Соответственно, во втором он нашёл некие живые организмы, а в первом — нет. Это значительно пошатнуло данное учение, но мир еще не был готов принять это. Его дело продолжали такие учёные, как Спалланцани и Пастер. Они сделали огромный вклад в науку, опровергнув в итоге теорию самозарождения.
После всех проведённых опытов возникает следующий вопрос: если все живое появляется из живого, то откуда взялся первичный, самый изначальный материал? К сожалению, человечеству уже не удастся узнать, что происходило на нашей планете миллиарды лет назад. Но существуют некоторые предположения по этому вопросу. Считают, что в самом начале атмосфера Земли состояла из водяного пара, углекислого газа и аммиака, и органические соединения образовались в результате действия атмосферного электричества.

Итак, теория самозарождения жизни — это очень сильная и состоятельная концепция, хоть и опровергнутая. Но она имеет некий смысл и имеет место быть в истории, причем довольно продолжительное время. Её можно назвать одной из самых влиятельных теорий происхождения жизни на нашей планете.

Ссылки

Бергман, Дж. (2000). Почему невозможен абиогенез. Ежеквартальное издание Creation Research Society, 36(4).
Просс, А., и Паскаль, Р. (2013). Происхождение жизни: что мы знаем, что можем знать и чего никогда не узнаем. Открытая биология, 3(3), 120190.
Садава Д. и Пурвес В. Х. (2009). Жизнь: наука биология. Panamerican Medical Ed.
Саган, К. (1974). О терминах «биогенез» и «абиогенез». Истоки жизни и эволюция биосфер, 5(3), 529–529.
Шмидт, М. (2010). Ксенобиология: новая форма жизни как высший инструмент биобезопасности. Биологические исследования, 32(4), 322–331.
Серафино, Л. (2016). Абиогенез как теоретический вызов: некоторые размышления. Jourфинал теоретической биологии, 402, 18–20.

Первые теории эволюции

Королевский ботаник

В свободное время Ламарк изучал растения и приобрел в этом столь обширные познания, что в 1781 году его назначили главным ботаником французского короля. Спустя десять лет, после французской революции, Ламарка избрали профессором зоологии Музея естественной истории в Париже. Здесь он выступал с лекциями, устраивал выставки. Заметив различия между окаменелостями и современными видами животных, Ламарк пришел к выводу, что виды и признаки животных и растений не неизменны, а наоборот, меняются от поколения к поколению. Этот вывод ему подсказали не только окаменелости, но и геологические свидетельства изменений ландшафта Земли за долгие миллионы лет.

Ламарк пришел к выводу, что на протяжении жизни особенности животного могут меняться в зависимости от внешних условий. Он доказал, что эти изменения передаются по наследству. Так, шея жирафа могла удлиниться в течение его жизни из-за того, что ему приходилось тянуться за листьями деревьев, и это изменение перешло к его потомству. В наши дни эта теория признана ошибочной, хотя ее элементы использованы в появившейся через 50 лет теории эволюции Дарвина и Уоллеса.

Открытия Дарвина

Экспедиция отплыла на корабле «Бигл» и продолжалась 5 лет. За это время исследователи посетили Бразилию, Аргентину, Чили, Перу и Галапагосские острова — десять скалистых островков у побережья Эквадора в Тихом океане, на каждом из которых существует своя фауна. В этой экспедиции Дарвин собрал огромную коллекцию горных пород окаменелостей, составил гербарии и коллекцию чучел животных. Он вел подробный дневник экспедиции и впоследствии воспользовался многими материалами сделанными на Галапагосских островах, при изложении своей теории эволюции.

В октябре 1836 г. «Бигл» возвратился в Англию. Следующие 20 лет Дарвин посвятил обработке собранных материалов. В 1858 г. он получил рукопись Альфреда Уоллеса (1823— 1913) с очень близкими ему идеями. И хотя оба натуралиста выступили соавторами, роль Дарвина в выдвижении новой теории гораздо значительнее. В 1859 г. Дарвин опубликовал книгу «Происхождение видов путем естественного отбора», в которой изложил теорию эволюции. Книга имела огромный успех и наделала много шума, так как противоречила традиционным представлениям о возникновении жизни на Земле. Одной из самых смелых мыслей было утверждение, что эволюция продолжалась многие миллионы лет. Это противоречило учению Библии о том, что мир был создан за 6 дней и с тех пор неизменен. В наши дни большинство ученых используют модернизированный вариант теории Дарвина для объяснения изменений в живых организмах. Некоторые же отвергают его теорию по религиозным мотивам.

Естественный отбор

Дарвин открыл, что организмы борются друг с другом за пищу и среду обитания. Он заметил, что даже в пределах одного вида есть особи с особыми признаками, увеличивающими их шансы на выживание. Потомство таких особей наследует эти признаки, и они постепенно становятся общими. Особи, не имеющие этих признаков, вымирают. Так, через много поколений весь вид приобретает полезные признаки. Этот процесс называют естественным отбором. Посмотрим, к примеру, как приспосабливался к изменениям среды обитания мотылек. Сперва все мотыльки имели серебристую окраску и были незаметными на ветвях деревьев. Но вот деревья потемнели от дыма — и мотыльки стали заметнее, их активнее поедали птицы. Выживали же мотыльки, окрашенные темнее. Эта темная окраска перешла к их потомству и впоследствии распространилась на весь вид.

Эксперимент Миллера — Юри

В 1953 году американские химики Гарольд Клейтон Юри и Стэнли Миллер проверили теорию Опарина — Холдейна. В своем эксперименте они использовали аппарат с колбой, наполненной водой и химическими веществами, которые, как считалось, существовали на ранней Земле. Ученые обнаружили, что эти химические вещества при определенных условиях спонтанно образуют органические молекулы. Эксперимент предполагает, что органические молекулы могли самопроизвольно образоваться на молодой Земле, став фундаментом для появления первых живых существ.

Некоторые ученые считают, что условия эксперимента Миллера — Юри не соответствовали реальным, но последующие эксперименты с измененной атмосферой показали аналогичные результаты спонтанного образования аминокислот, липидов и нуклеотидов.

Биогенез: теория и характеристика

Согласно теории биогенеза, жизнь произошла от других уже существовавших форм жизни.

Эту теорию поддержали несколько ученых, в том числе Франсиско Реди, Луи Пастер, Хаксли и Лаззаро Спалланцани; Все эти исследователи выделяются своим огромным вкладом в биологические науки.

Однако теория биогенеза предполагает, что все живое кажется живым. Поэтому мы должны спросить себя, где и как появилась эта первая форма жизни?

Чтобы добиться этого слабого — и замкнутого — аргумента, мы должны обратиться к теориям возникновения жизни. Этот вопрос разрешили несколько исследователей, в том числе А. И. Опарин и Дж. Б. С. Холдейн. Сначала мы обсудим эксперименты, которые подтвердили биогенез, а затем вернемся к этому вопросу.

Но откуда появилось первое живое существо??

Давайте вернемся к нашему первоначальному вопросу. Сегодня широко известно, что живые организмы происходят только от других организмов — например, вы пришли от своей матери, и ваш питомец, в равной степени, родился от их соответствующей матери.

Но давайте перенесем этот вопрос в первобытную среду, где произошло начало жизни. «Нечто» должно было породить первое или первое живое существо.

В настоящее время биологи поддерживают гипотезу о том, что жизнь на Земле развивалась из неживых веществ, которые образовывали молекулярные агрегаты. Эти агрегаты сумели адекватно размножиться и развили метаболизм — замечательные характеристики существ, которые мы считаем «живыми».

Однако мы уже собрали доказательства того, что живые существа не могут возникнуть из неживой материи. Итак, как нам разрешить этот очевидный парадокс?

Первобытная атмосфера Земли сильно отличалась от того, что есть сейчас. Концентрация кислорода была чрезвычайно низкой, наблюдалась молния, вулканическая активность, постоянные бомбардировки метеоритов и приход ультрафиолетового излучения был более интенсивным.

В этих условиях может произойти химическая эволюция, которая через значительный период времени привела к появлению первых форм жизни..

Немного предыстории

Вернемся немного назад. Во что верили люди в течение 200 лет после открытия Левенгука? Ответ: в так называемое самозарождение, когда живые существа просто появляются, обычно из-за пищи. На самом деле, люди раньше полагали, что это касается не только микроорганизмов. Например, если оставить в углу дома еду, то появятся мыши. Их появление объяснили как спонтанное зарождение, то есть буквально они там появились.

К тому времени, когда были открыты микроорганизмы, мало кто верил, что животные более высокого порядка, такие как мыши, произошли от спонтанного зарождения. Однако почти 200 лет существовало поверье, что микробы образуются таким образом.

ссылки

Bergman, J. (2000). Почему абиогенез невозможен. Творческое исследовательское общество ежеквартально, 36(4).
Pross, A. & Pascal, R. (2013). Происхождение жизни: что мы знаем, что мы знаем и что мы никогда не узнаем. Открытая биология, 3(3), 120190.
Садава, Д. & Пурвес, В. Х. (2009). Жизнь: наука биологии. Ed. Panamericana Medical.
Саган, C. (1974). На терминах «биогенез» и «абиогенез». Истоки жизни и эволюция биосфер, 5(3), 529-529.
Шмидт М. (2010). Ксенобиология: новая форма жизни как основной инструмент биобезопасности. Bioessays, 32(4), 322-331.
Серафино Л. (2016). Абиогенез как теоретическая проблема: некоторые размышления. JourНал теоретической биологии, 402, 18-20.

Эксперименты, подтверждающие теорию биогенеза

Эксперименты, которые поддерживали спонтанную генерацию, не беспокоили ни о стерилизации использованного материала, ни о сохранении контейнера, в котором проводился опыт, закрытым..

По этой причине прибыли мухи или другие животные (например, мыши) и отложили свои яйца, что было ошибочно истолковано как спонтанное поколение жизни. Эти исследователи думали, что они стали свидетелями рождения живых органических существ из материи без жизни.

Среди наиболее выдающихся экспериментов, в которых удалось дискредитировать абиогенез, — работы Франческо Реди и Луи Пастера..

Опыты Франческо Реди

Франческо Реди был врачом из Италии, который интересовался спонтанным поколением жизни. Чтобы попытаться опровергнуть это убеждение, Реди разработал серию контролируемых опытов, чтобы продемонстрировать, что жизнь может появиться только из существующей жизни..

Дизайн эксперимента включал в себя серию банок с кусочками мяса внутри и запечатанных марлей. Роль марли состояла в том, чтобы позволить входу воздуха, исключая любое насекомое, которое могло войти и поместить их яйца.

Действительно, в банках, покрытых марлей, никаких следов животных обнаружено не было, и яйца мух оказались на поверхности марли. Однако для сторонников самозарождения этого доказательства было недостаточно, чтобы исключить его — до прибытия Пастера.

Эксперименты Луи Пастера

Один из самых известных экспериментов был разработан Луи Пастером в середине девятнадцатого века, когда ему удалось полностью устранить концепцию самозарождения. Эти свидетельства сумели убедить исследователей в том, что вся жизнь происходит из другого существующего ранее существа, и поддержали теорию биогенеза..

В гениальном эксперименте использовались бутылки с лебединой шеей. Когда мы поднимаемся в горловине колбы в форме буквы «S», она становится все более узкой.

В каждую из этих колб Пастера включали равные количества питательного бульона. Содержимое нагревали до кипения, чтобы добиться уничтожения присутствующих там микроорганизмов..

результаты: конец стихийного поколения

С течением времени в колбах не было обнаружено никаких организмов. Пастер разрезал трубку в одной из колб и быстро начал процесс разложения, становясь загрязненным микроорганизмами из окружающей среды.

Таким образом, благодаря Redi и, наконец, Пастеру можно убедительно доказать, что жизнь происходит от жизни, принцип, который резюмируется известной латинской фразой: Omne vivum ex vivo («Вся жизнь исходит от жизни»).

Что такое биогенез:

Биогенез состоит из принятой в настоящее время теории, которая объясняет происхождение живых существ, существование которых возможно только благодаря размножению других живых организмов . Короче говоря, жизнь зарождается только там, где существует существующая форма жизни. Теория биогенеза приписана французскому ученому Луи Пастеру, создателю процесса пастеризации. Согласно ответам, полученным в результате экспериментов Пастера, живые существа могут происходить только от других. Однако биогенез не объясняет, как могло бы появиться первое живое существо.

Существует несколько других опровергнутых в настоящее время теорий, которые пытаются объяснить возникновение жизни на Земле, таких как абиогенез (см. Ниже) и теория космической панспермии . Последний пытается объяснить возникновение первых форм земной жизни, исходя из предположения, что они изначально возникли где-то в космосе.