Роль воды в возникновении жизни на Земле

 

 

Реферат

По дисциплине «Учение о гидросфере»

На тему:

«Роль воды в  возникновении жизни на Земле»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г. Волжский, 2013

Содержание:

Введение

1. Роль воды в развитии жизни…………………………………………...4

Выводы

Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Основным «пейзажем» нашей планеты является Мировой  океан. Поэтому роль воды на Земле  переоценить трудно. Звучит несколько  банально, но именно вода является основой  земной формы жизни. Более того – без этого вещества вообще не могла бы существовать Солнечная система, частью которой мы являемся.

По широко распространенному  мнению ученых, свыше 4,5 млрд. лет тому назад возле Солнца с его сильным  излучением образовалась пустая зона. За ней собирался конденсат. А  вдали от светила, куда доходила совсем незначительная часть тепла, частицы воды превращались в ледяную пыль. В соединении с газами она и послужила образованию отдаленных планет семейства Юпитера. Гораздо ближе расположенные к Солнцу, планеты группы Земли возникали из расплавленных твердых частиц и газов. По одной из гипотез: раскаленный земной шар, испаряясь, образовывал облака. А повисшая со временем над ним огромная масса конденсата выпадала на Землю в виде непрекращающегося потока ливневых дождей. Так появился мировой океан. Другая теория гласит: более 60-70% воды принесли с собой на Землю пропланетные и метеоритные тела, а остальную часть – кометы, часто падающие на ее поверхность из-за отсутствующих тогда защитных слоев атмосферы.

Исследования самой  воды могут многое прояснить как  в вопросе эволюции планет, так и жизни в целом. Не так давно американские ученые выявили, что структуры ДНК живых организмов и молекул воды при определенных условиях могут быть идентичными. Они имеют форму двойной спирали. Для этого при помощи высоких компьютерных технологий была смоделирована ситуация, когда молекулы воды находились при низкой отрицательной температуре и под высоким давлением в нанотрубках размером 1,35 нм. Еще предстоит доказать эту гипотезу в условиях реального научного эксперимента, но если это удастся, то будет полностью перевернуто представление о возникновении жизни на Земле. Ведь вполне возможно, что во времена зарождения всего живого, структура глинистых пород была копией структуры нанотрубок. И молекулы воды, существовавшие тогда в виде спирали, послужили матрицей для образования амино-нуклеиново-кислотной формы жизни.

Возможно, на первый взгляд такое обыденное вещество как  вода, и даст ответ на вопрос, которым  задается человечество всю историю своего существования: что послужило началом жизни на Земле и в космосе?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Роль воды в развитии жизни.

В истории нашей планеты  вода имеет исключительно важное значение. Пожалуй, никакое другое вещество не может сравниться с водой по своему влиянию на ход тех величайших изменений, которые претерпела Земля за многие сотни миллионов лет своего существования.

Вода – одно из немногих веществ, которое может в земных условиях находиться во всех трёх физических состояниях: твёрдом, жидком и газообразном.

Воде принадлежит огромная роль в природе. В самом деле, ведь именно море явилось первой ареной жизни на Земле. Растворенные в морской  воде аммиак и углеводы в контакте с некоторыми минералами при достаточно высоком давлении и воздействии  мощных электрических разрядов могли обеспечить образование белковых веществ, на основе которых в дальнейшем возникли простейшие организмы. По мнению К.Э. Циолковского, водная среда способствовала предохранению хрупких и несовершенных вначале организмов от механического повреждения. Суша и атмосфера стали впоследствии второй ареной жизни.

В первичной водной оболочке земного шара воды было гораздо меньше, чем теперь (не более 10% от общего количества воды в водоемах и реках в настоящее  время). Дополнительное количество воды появилось впоследствии в результате освобождения воды, входящей в состав земных недр.

Обязательным условием возникновения жизни является наличие  воды. Парадоксально, что, хотя вода – чуть ли не самая распространенная молекула во Вселенной, поразительно мало планет имеют гидросферу: в нашей Солнечной системе только Земля имеет гидросферу, к примеру, на Марсе имеется лишь незначительное количество воды.

Вода является необходимым условием существования  всех живых организмов на Земле. Значение воды в процессах жизнедеятельности определяется тем, что она является основной средой в клетке, где осуществляются процессы метаболизма, служит важнейшим исходным, промежуточным или конечным продуктом биохимических реакций.

Значение воды для  жизни исключительно. Это обусловлено ее специфическими термическими особенностями: огромной теплоемкостью, слабой теплопроводностью, расширением при замерзании, хорошими свойствами как растворителя и др. Эти особенности обусловливают круговорот воды в природе, который играет исключительную роль в геологической истории Земли.

Прежде всего  необходимо помнить, что основа жизни – углерод, который появился во Вселенной на определённом этапе её развития.

Существует  много гипотез о происхождении  жизни на Земле, о доминирующей роли воды в этом процессе, но окончательных ответов на многочисленные вопросы, связанные с возникновением и эволюцией жизни пока не найдено.

Согласно мнению многих учёных, а также на основе эксперимента, проведенного в 1952 г. американским учёным Стэнли Миллером (в эксперименте применялся электрический разряд напряжением 100 тысяч вольт), первоначальные благоприятные условия для жизни на нашей планете появились благодаря сильным электрическим бурям, которые вызвали химические реакции газов, присутствующих в атмосфере.

Есть обоснованные предположения, что первичная атмосфера  Земли состояла преимущественно  из аммиака, воды, метана, окиси и  двуокиси углерода. В условиях отсутствия кислорода органические вещества могли  создаваться гораздо проще а  также сохраняться, не претерпевая распада длительное время.

Продукты этих реакций, по мнению учёных, с большой  долей вероятности содержали элементарные органические молекулы, такие, как аминокислоты и т.п. (входящие в состав протеинов). Они и составили основу жизни.

Затем вещества-предшественники, образовавшиеся в результате указанных химических реакций, попали в океаны, где продолжился синтез более сложных органических соединений под действием солнечной радиации (более интенсивной, чем сейчас, т.к. защитного озонового экрана не существовало) и грозовых разрядов.

Существует  также гипотеза, согласно которой  скорость и интенсивность перемешивания  воды в океанах на начальном этапе  была значительно более высокой  благодаря сильнейшему приливно-отливному  воздействию Луны, которая в те далёкие времена находилась очень близко к нашей планете, на которой из-за этого свирепствовали штормы и ураганы. Это обстоятельство сильно повышало вероятность возникновения сложных органических молекул, т.е. основу живого вещества.

Первые растительные клетки использовали углекислый ангидрид, благодаря которому могли синтезировать органические молекулы и питаться. Аналогичным образом и сегодня питаются растения.

Фотосинтез имел огромное значение для эволюции жизни на нашей  планете. В результате в атмосфере появился свободный кислород, он же радикально изменил её состав.

Это позволило большинству  живых существ надстроить над  прежним анаэробным обменом новые  системы кислородного дыхания. А  это в свою очередь уже являлось значительным усовершенствованием  энергетического обмена живых организмов. В последующие миллионы лет в результате эволюции на Земле образовалось огромное разнообразие растений и животных.

Самая распространённая гипотеза утверждает, что появилась  жизнь в воде древнего океана – сначала белковые структуры, потом первые организмы. Они стали развиваться, совершенствоваться, пока в конце концов на вершине эволюции не оказался «Homo sapiens» – человек разумный.

Но каким  образом природа ухитрилась сделать  гигантский скачок - перешла от неживого к живому? В тёплой воде, метко названной академиком А. Опариным первородным бульоном, было немалое количество органических веществ – аминокислот, углеводов, нуклеотидов и т.д. Они образовались из более простых, неорганических в результате химических реакций, происходивших в самом океане, в атмосфере и даже в недрах Земли, – синтезировались под воздействием грозовых разрядов или ультрафиолетового излучения и радиации.

Известный советский  вулканолог Е. Мархинин полагает, что  колыбелью жизни, природными химическими реакторами, вырабатывающими органические вещества, были вулканы. Именно извержения дали материал, из которого в течение геологической истории Земли формировалась сфера, благоприятная для выживания и эволюции биологических структур.

Наконец, по мнению таких учёных, как упоминавшийся уже академик А. Опарин, известный английский физик Дж. Бернал и других, жизнь на нашу планету могла быть занесена из космоса метеоритным или иным транспортом.

Интересно, что  каждая из сторон находит для подтверждения своей правоты фактические доказательства. Обнаружены органические вещества в выбросах современных вулканов. Проведены эксперименты по их синтезу с помощью электрических разрядов или ультрафиолетового излучения в рукотворных первородных бульонах и атмосферах. Находят органические соединения и в составе комет. Например, хорошо известны результаты анализа данных, полученных с межпланетного зонда «Джотто», пролетевшего в непосредственной близости от ядра кометы Галлея. В составе её атмосферы обнаружены полимеры органического соединения – формальдегиды.

Словом, гипотезы спорят и взаимодополняют друг друга. Ведь трудно предположить, что зарождение жизни – некий единичный акт творения. Но вот что примечательно. До недавних пор все гипотезы сходились на том, что сначала образовалась наша планетная система, в том числе и Земля, а уже потом, спустя некоторое время, на ней появилась жизнь. Интересно, когда?

В поисках ответа на этот вопрос сотрудники Геологического института РАН в своё время  провели исследования древнейших осадочных пород на Украине, Кольском полуострове и в Карелии и обнаружили в них углерод органического происхождения. Возраст этого вещества – 3,2 млрд. лет. А на сегодняшний день наукой установлено достаточно точно: возраст нашей планеты не превышает 4,6 млрд. лет.

Прошло не так  уж много времени, и оказалось, что  точку отсчёта надо ещё отодвинуть в прошлое. Западногерманские исследователи  нашли следы одноклеточных организмов в более древних породах – гренландских кварцитах; их возраст – 3,8 млрд. лет. Да прибавьте сюда ещё не менее 500 млн. лет, необходимых согласно законам эволюции для формирования таких организмов. Отсюда получается, что жизнь на планете началась, как минимум, 4,3 млрд. лет назад.

Как тут не вспомнить  пророческие слова В.И. Вернадского, который ещё более полувека назад писал: «Мы не нашли указаний на время, когда живого вещества на нашей планете не было. Жизнь на ней геологически вечна».

Если придерживаться этой точки зрения, можно высказать  гипотезу - что жизнь на нашей планете появилась одновременно с её рождением. Конечно, её простейшие формы. В доказательство этих рассуждений приведём сведения об углистых хондритах – издавна известных учёным особых метеоритах. Они интересны тем, что весьма богаты разнообразными органическими соединениями. А поскольку они являются осколками астероидов - малых планет, то мы вправе предполагать, что их минеральный и химический состав остался таким же, как и того первичного материала, из которого образовалась Земля.

Точный ответ  на вопрос, когда зародилась жизнь, не просто игра в цифры. Он имеет принципиальное значение, поскольку заставляет иначе посмотреть и на эволюцию самой планеты.

Чарлз Дарвин и его  современники полагали, что жизнь  могла возникнуть в водоеме. Этой точки зрения многие ученые придерживаются и в настоящее время. В замкнутом и сравнительно небольшом водоеме органические вещества, приносимые впадающими в него водами, могли накапливаться в необходимых количествах. Затем эти соединения еще больше концентрировались на внутренних поверхностях слоистых минералов, которые могли быть катализаторами реакций. Например, две молекулы фосфатальдегида, встретившиеся на поверхности минерала, реагировали между собой с образованием фосфорилированной углеводной молекулы – возможного предшественника рибонуклеиновой кислоты. Особая роль воды для наземных организмов (особенно растений) заключается в необходимости постоянного пополнения ее из-за потерь при испарении. Поэтому вся эволюция наземных организмов шла в направлении приспособления к активному добыванию и экономному использованию влаги. Наконец, для многих видов растений, животных, грибов и микроорганизмов вода является непосредственной средой их обитания.

Многолетними  исследованиями геологических процессов, происходящих на нашей планете, академик АН Украины Н.П. Семененко установил, что именно вода и составляющие ее элементы играли определяющую роль во всей геологической истории Земли. Исследуя содержание кислорода в составе земной коры, ученый сделал вывод, что в образовании протоземли участвовали громадные количества воды. Помимо этого, ее элементы входили в состав основных компонентов исходного облака: водород - в состав гидридов металлов, кислород - в состав оксидов.