Гипотезы возникновения жизни на Земле
Проблема жизни и живого является объектом исследования многих естественных дисциплин, начиная с биологии и завершая философией, математикой, рассматривающих абстрактные модели феномена живого, а также физикой, определяющей жизнь с позиций физических закономерностей. Многовековые исследования и попытки решения этих вопросов породили различные гипотезы возникновения жизни.
В соответствии с двумя мировоззренческими позициями – материалистической и идеалистической - еще в древней философии сложились противоположные концепции происхождения жизни: креационизм и материалистическая теория происхождения органической природы из неорганической. Сторонники креационизма утверждают, что жизнь возникла в результате акта божественного творения, свидетельством чего является наличие в живых организмах особой силы, управляющей всеми биологическими процессами. Сторонники происхождения жизни из неживой природы утверждают, что органическая природа возникла благодаря действию естественных законов. Позднее эта концепция была конкретизирована в идее самозарождения жизни.
Итак, существуют следующие гипотезы происхождения жизни.
1. Креационизм . Согласно концепции креационизма, жизнь возникла в результате сверхъестественных, т. е. нарушающих законы физики, событий в прошлом. Концепции креационизма придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религий. Согласно традиционным иудейско-христианским представлениям о сотворении мира, изложенным в Книге Бытия, мир и все населяющие его организмы были созданы всемогущим Творцом за 6 дней продолжительностью 24 часа. Однако в настоящее время многие христиане не относятся к Библии как к научной книге и считают, что в ней в понятной для всех людей всех времен форме изложено теологическое откровение о сотворении богом всех живых существ.
Логически не может быть противоречия между научным и богословским объяснениями сотворения мира т.к. эти две сферы мышления взаимно исключают друг друга. Богословие познает истину через божественное откровение и веру и признает вещи, которым нет доказательств в научном смысле слова. Наука широко использует наблюдение и эксперимент, научная истина всегда содержит элемент гипотезы, в то время как для верующего теологическая истина абсолютна. Процесс божественного сотворения мира мыслится как имевший место единожды, поэтому он недоступен для наблюдения. Концепция божественного сотворения мира находится вне рамок научного исследования, поэтому наука, занимающаяся явлениями, поддающимися наблюдению, никогда не сможет ни доказать, ни опровергнуть эту концепцию.
В пользу неслучайного характера процесса зарождения и развития жизни говорит антропный принцип, сформулированный в 70-е годы нашего века. Его сущность заключается в том, что даже незначительные отклонения значения любой из фундаментальных констант приводит к невозможности появления во Вселенной высокоупорядоченных структур и, следовательно, жизни. Так, увеличение постоянной Планка на 10 % лишает протон возможности объединиться с нейтроном, т.е. делает невозможным первичный нуклеосинтез. Уменьшение постоянной Планка на 10 % привело бы к образованию устойчивого изотопа 2 Не, следствием чего явилось бы выгорание всего водорода на ранних этапах расширения Вселенной. Неслучайный характер значений фундаментальных констант может говорить о наличии “творческого замысла” с самого начала образования Вселенной, что подразумевает наличие Творца – автора этого замысла.
2. Гипотеза спонтанного зарождения жизни . Согласно Аристотелю, определенные “частицы“ вещества содержат некое “активное начало“, которое при подходящих условиях может создать живой организм.
Гипотеза спонтанного зарождения жизни была широко распространена в Древнем Китае, Вавилоне и Египте в качестве альтернативы креационизму. Вслед за Эмпедоклом, одним из первых высказавшим идею органической эволюции, концепции спонтанного зарождения жизни придерживался Аристотель, связывавший все организмы в единую “лестницу природы“. Согласно Аристотелю, определенные “частицы“ вещества содержат некое “активное начало“, которое при подходящих условиях может создать живой организм. Это начало, по мнению Аристотеля, присутствует в оплодотворенном яйце, в солнечном свете, тине и гниющем мясе. В 1688 г. итальянский врач Франческо Реди подверг сомнению теорию самозарождения жизни и провел ряд экспериментов, в которых показал, что жизнь может возникать только из предшествующей жизни (концепция биогенеза). Окончательно опроверг теорию спонтанного зарождения жизни и доказал справедливость теории биогенеза Луи Пастер (1860 г.). Опыты Л. Пастера продемонстрировали, что микроорганизмы появляются в органических растворах в силу того, что туда ранее были занесены их зародыши. Если сосуд с питательной средой оградить от занесения в него микробов, то никакого самозарождения жизни не происходит.
Концепция самозарождения, несмотря на ошибочность, сыграла позитивную роль; опыты, призванные ее подтвердить, представили богатый эмпирический материал для развивающейся биологической науки. Окончательный отказ от идеи самозарождения произошел только в XIX в.
Подтверждение теории биогенеза породило проблему первого живого организма, из которого возникли все остальные. Во всех теориях (кроме теории стационарного состояния) подразумевается, что на какой-то стадии истории жизни произошел переход от неживого к живому. Как же это произошло?
3. Гипотеза стационарного состояния . Согласно этой гипотезе, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; Земля всегда была способна поддерживать жизнь. Виды существовали всегда, у каждого вида есть только две возможности: изменение численности или вымирание.
4. Гипотеза панспермии утверждает, что жизнь могла возникнуть один или несколько раз в разное время и в разных местах Вселенной. Эта гипотеза возникла в 60-е годы XIX века и связана с именем немецкого ученого Г. Рихтера. Позднее концепцию панспермии разделяли такие крупные ученые, как С. Аррениус, Г. Гельмгольц, В.И. Вернадский. Для обоснования этой теории используются наблюдения за НЛО, наскальные изображения древних, похожих на ракеты и инопланетян и т.д. Советские и американские космические исследования позволяют считать вероятность обнаружения внеземной жизни в пределах Солнечной системы ничтожной, однако не дают оснований для подтверждения или опровержения существования жизни за ее пределами. При изучении материала метеоритов и комет в них были обнаружены многие “предшественники живого” (цианогены, синильная кислота и др.), которые могли бы сыграть роль ”семян” жизни. Как бы то ни было, теория панспермии не является теорией возникновения жизни как таковой; она просто переносит проблему возникновения жизни в другое место Вселенной.
В начале XX в. идею космического происхождения биологических систем на Земле и вечности существования жизни в космосе развивал русский ученый академик В.И. Вернадский.
5. Гипотеза вечного существования жизни . Она была выдвинута в XIX в. Было высказано предположение, что жизнь существует в космосе и переносится с одной планеты на другую.
6. Гипотеза биохимической эволюции . Возраст Земли оценивается в 4,5–5 млрд лет. В далеком прошлом температура на поверхности нашей планеты составляла 4000-8000 градусов по Цельсию. По мере остывания углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались, образуя земную кору; в результате вулканической деятельности, непрерывных подвижек коры и сжатия, вызванного охлаждением, происходило образование складок и разрывов. Атмосфера Земли в давние времена была, очевидно, восстановительной (в самых древних породах Земли имеются металлы в восстановительной форме, например двухвалентное железо, более молодые породы содержат металлы в окисленной форме, например трехвалентное железо). Кислород в атмосфере практически отсутствовал. Появление жизни тесно связано с возникновением земных океанов, что произошло около 3,8 млрд лет назад. Палеонтологические данные свидетельствуют о том, что температура воды в них была не слишком низкой, но и не превышала 58 °С. Следы древнейших организмов обнаружены в пластах, возраст которых оценивается в 3,2-3,5 млрд лет.
Гипотеза биохимической эволюции была изложена академиком А.И. Опариным (1894-1980 гг.) в книге «Происхождение жизни», опубликованной в 1924 г. Он выступил с утверждением, что принцип Реди, вводящий монополию биотического синтеза органических веществ, справедлив лишь для современной эпохи существования нашей планеты. В начале же своего существования, когда Земля была безжизненной, на ней происходили абиотические синтезы углеродистых соединений и их последующая предбиологическая эволюция.
Суть гипотезы Опарина заключается в следующем: зарождение жизни на Земле – длительный эволюционный процесс становления живой материи в недрах неживой. Произошло это путем химической эволюции, в результате которой простейшие органические вещества образовались из неорганических под влиянием сильнодействующих физико-химических факторов.
Появление жизни А.И. Опарин рассматривал как единый естественный процесс, который состоял из протекавшей в условиях ранней Земли первоначальной химической эволюции, перешедшей постепенно на качественно новый уровень – биохимическую эволюцию. Рассматривая проблему возникновения жизни путем биохимической эволюции, Опарин выделяет три этапа перехода от неживой материи к живой.
Первый этап – химическая эволюция . Когда Земля была еще безжизненной (около 4 млрд лет назад), на ней происходили абиотический синтез углеродистых соединений и их последующаяпредбиологическая эволюция. Для этого периода эволюции Земли были характерны многочисленные вулканические извержения с выбросом огромного количества раскаленной лавы. По мере остывания планеты водяные пары, находившиеся в атмосфере, конденсировались и обрушивались на Землю ливнями, образуя огромные водные пространства (первичный океан). Эти процессы продолжались многие миллионы лет. В водах первичного океана были растворены различные неорганические соли. Кроме того, в океан попадали и различные органические соединения, непрерывно образующиеся в атмосфере под действием ультрафиолетового излучения, высокой температуры и активной вулканической деятельности. Концентрация органических соединений постоянно увеличивалась, и, в конце концов, воды океана стали «бульоном » из белковоподобных веществ – пептидов.
Рисунок 26 – Схема возникновения жизни по Опарину
Второй этап – появление белковых веществ . По мере смягчения условий на Земле, под воздействием на химические смеси первичного океана электрических разрядов, тепловой энергии и ультрафиолетовых лучей стало возможным образование сложных органических соединений – биополимеров и нуклеотидов, которые, постепенно объединяясь и усложняясь, превращались в протобионтов (доклеточных предков живых организмов). Итогом эволюции сложных органических веществ стало появление коацерватов, или коацерватных капель. Коацерваты – комплексы коллоидных частиц, раствор которых разделяется на два слоя: слой, богатый коллоидными частицами, и жидкость, почти свободную от них. Коацерваты обладали способностью поглощать различные вещества, растворенные в водах первичного океана. В результате внутреннее строение коацерватов менялось в сторону повышения их устойчивости в постоянно меняющихся условиях. Теория биохимической эволюции рассматривает коацерваты как предбиологические системы, представляющие собой группы молекул, окруженные водной оболочкой. Так, например, коацерваты способны поглощать вещества из окружающей среды, вступать во взаимодействие друг с другом, увеличиваться в размерах и т.д. Однако в отличие от живых существ коацерватные капли не способны к самовоспроизводству и саморегулированию, поэтому их нельзя отнести к биологическим системам.
Третий этап – формирование способности к самовоспроизводству, появление живой клетки . В этот период начал действовать естественный отбор, т.е. в массе коацерватных капель происходил отбор коацерватов, наиболее устойчивых к данным условиям среды. Процесс отбора шел в течение многих миллионов лет. Сохранившиеся коацерватные капли уже обладали способностью к первичному метаболизму – главному свойству жизни. Вместе с тем, достигнув определенных размеров, материнская капля распадалась на дочерние, сохраняющие особенности материнской структуры. Таким образом, можно говорить о приобретении коацерватами свойства самовоспроизводства – одного из важнейших признаков жизни. По сути дела, на этой стадии коацерваты превратились в простейшие живые организмы. Дальнейшая эволюция этих предбиологических структур была возможна только при усложнении обменных процессов внутри коацервата.
Внутренняя среда коацервата нуждалась в защите от воздействий окружающей среды. Поэтому вокруг коацерватов, богатых органическими соединениями, возникли слои липидов, отделившие коацерват от окружающей его водной среды. В процессе эволюции липиды трансформировались в наружную мембрану, что значительно повысило жизнеспособность и устойчивость организмов. Появление мембраны предопределило направление дальнейшей биологической эволюции по пути все более совершенной авторегуляции, завершившейся образованием первичной клетки – археклетки. Клетка – элементарная биологическая единица, структурно-функциональная основа всего живого. Клетки осуществляют самостоятельный обмен веществ, способны к делению и саморегулированию, т.е. обладают всеми свойствами живого. Образование новых клеток из неклеточного материала невозможно, размножение клеток происходит только благодаря делению. Органическое развитие рассматривается как универсальный процесс клеткообразования.
В структуре клетки выделяют: мембрану, отграничивающую содержимое клетки от внешней среды; цитоплазму, представляющую собой соляной раствор с растворимыми и взвешенными ферментами и молекулами РНК; ядро, содержащее хромосомы, состоящие из молекул ДНК и присоединенных к ним белков.
Следовательно, началом жизни следует считать возникновение стабильной самовоспроизводящейся органической системы (клетки) с постоянной последовательностью нуклеотидов. Только после возникновения таких систем можно говорить о начале биологической эволюции.
Переход от неживого к живому осуществился после того, как на базе предшественников возникли и развились зачатки двух основополагающих жизненных систем: системы обмена веществ и системы воспроизводства материальных основ живой клетки.
Вероятность того, что белковая молекула, состоящая из 100 аминокислот 20 видов, будет случайным образом сформирована по определенному образцу равна 1/20 100 ≈1/10 130 . Живая клетка – комплекс взаимодействующих белков, липидов и нуклеотидов, образующих генетический код. В простейшей клетке содержится более 2000 ферментов. Вероятность случайного образования таких сложных структур мала.
Возможность абиогенного синтеза биополимеров была экспериментально доказана в середине XX в. В 1953 г. американский ученый С. Миллер смоделировал первичную атмосферу Земли и синтезировал уксусную и муравьиную кислоты, мочевину и аминокислоты путем пропускания электрических зарядов через смесь газов (вода, углекислый газ, водород, азот, метан). Таким образом, было продемонстрировано, как под действием абиогенных факторов возможен синтез сложных органических соединений.
Несмотря на теоретическую и экспериментальную обоснованность, концепция Опарина имеет как сильные, так и слабые стороны. Сильной стороной концепции является достаточно точное экспериментальное обоснование химической эволюции, согласно которой зарождение жизни является закономерным результатом предбиологической эволюции материи. Убедительным аргументом в пользу этой концепции является также возможность экспериментальной проверки ее основных положений. Слабой стороной концепции является невозможность объяснения самого момента скачка от сложных органических соединений к живым организмам.
Одну из версий перехода от предбиологической к биологической эволюции предлагает немецкий ученыйМ. Эйген. Согласно его гипотезе возникновение жизни объясняется взаимодействием нуклеиновых кислот и протеинов. Нуклеиновые кислоты являются носителями генетической информации, а протеины служат катализаторами химических реакций. Нуклеиновые кислоты воспроизводят себя и передают информацию протеинам. Возникает замкнутая цепь – гиперцикл, в котором процессы химических реакций самоускоряются за счет присутствия катализаторов. В гиперциклах продукт реакции одновременно выступает и катализатором, и исходным реагентом. Такие реакции называются автокаталитическими.
Другой теорией, в рамках которой можно объяснить переход от предбиологической эволюции к биологической, является синергетика . Закономерности, открытые синергетикой, позволяют прояснить механизм возникновения органической материи из неорганической в терминах самоорганизации через спонтанное возникновение новых структур в ходе взаимодействия открытой системы с окружающей средой.
Вопрос о происхождении жизни является одним из наиболее трудных вопросов современного естествознания. Однако к нему во все времена был прикован большой интерес. Трудность получения ответа на этот вопрос состоит в том, что сложно точно воспроизвести процессы и явления, происходившие во Вселенной миллиарды лет назад. В то же время нынешнее многообразие форм и проявлений жизни на Земле приковывает к этой проблеме самое пристальное внимание. Сегодня выделяют следующие основные гипотезы происхождения жизни.
Креационизм
Согласно этой гипотезе жизнь и все населяющие Землю виды живых существ созданы Богом. Причем божественное сотворение мира произошло одномоментно, поэтому сам процесс создания жизни не доступен для наблюдений во времени. Кроме того, креационизм не дает ясного толкования происхождения самого Бога Творца и поэтому носит характер постулата. Знаменитый шведский естествоиспытатель К. Линней, а также выдающийся русский химик М. В. Ломоносов поддерживали данную догму возникновения жизни.
Гипотеза самопроизвольного зарождения
Эта гипотеза является разновидностью абиогенеза — происхождение жизни из неживого вещества. Данная гипотеза явилась альтернативой креационизму, когда накопленные знания людей о живой природе подвергли сомнению сотворение жизни Богом. Философы Древней Греции и естествоиспытатели средневековой Европы верили в появление живых организмов из неживой материи. Они считали и пытались доказать, что лягушки и насекомые заводятся в сырой почве, мухи — в гнилом мясе и т. д. Взгляды о самопроизвольном зарождении жизни были распространены практически до конца XVIII в. Только в середине XIX в. французский ученый Луи Пастер доказал, что бактерии вездесущи. При этом любые неживые объекты «заражаются» ими, если не проводить стерилизацию. Таким образом, Пастер подтвердил теорию биогенеза — жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни. Ученый окончательно опроверг концепцию самопроизвольного зарождения жизни.
Гипотеза панспермии
В 1865 г. немецкий ученый Г. Рихтер предложил гипотезу панспермии , согласно которой жизнь могла быть занесена на Землю из космоса вместе с метеоритами и космической пылью. Сторонником этой гипотезы был великий русский ученый, создатель современного учения о биосфере В. И. Вернадский. Современные исследования подтверждают высокую устойчивость некоторых микроорганизмов и их спор к радиации и низким температурам. В последнее время появились сообщения о том, что в метеоритах обнаружены следы органического вещества. При изучении ближайшей к Земле планеты Марс были найдены структуры, похожие на бактерии, и следы воды. Однако указанные находки не отвечают на вопрос о происхождении жизни.
Биохимическая гипотеза возникновения жизни является наиболее распространенной в настоящее время. Эту гипотезу предложили в 20-е гг. прошлого века русский биохимик А. И. Опарин и английский биолог Дж. Холдейн. Она легла в основу научных представлений о происхождении жизни.
Суть данной гипотезы заключается в том, что на ранних этапах развития Земли существовал продолжительный период абиогенеза. Живые организмы в нем участия не принимали. Для синтеза органических соединений источником энергии служило ультрафиолетовое излучение Солнца. Солнечная радиация не задерживалась озоновым слоем, потому что ни озона, ни кислорода в атмосфере древней Земли не было. Синтезированные аминокислоты, сахара и другие органические соединения в течение десятков миллионов лет запасались в древнем океане. Их накопление в итоге привело к образованию однородной массы, которая была названа Опариным «первичным бульоном». По мнению Опарина, именно в «первичном бульоне» и возникла жизнь.
Опарин считал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежит белкам. Именно белки способны образовывать коллоидные комплексы, притягивающие к себе молекулы воды. Такие комплексы, сливаясь друг с другом, формировали коацерваты — структуры, обособленные от остальной массы воды.
Коацерваты обладали некоторыми свойствами живого. Они могли избирательно поглощать из окружающего раствора вещества и увеличиваться в размерах — некое подобие питания и роста . При дроблении коацерватов образовывались новые капли, сохранявшие основные свойства исходного образования — подобие размножения . Но для превращения в первые живые организмы коацерватам не хватало биологических мембран и генетической информации, обеспечивающей воспроизводство.
Следующим шагом в зарождении жизни стало появление мембран. Они могли образовываться из липидных пленок, покрывающих поверхность водоемов. Далее к таким липидным образованиям присоединялись растворенные в воде белки. В результате поверхность коацерватов приобретала структуру и свойства биологической мембраны. Такая мембрана уже могла пропускать внутрь одни вещества и не пропускать другие.
Дальнейшее объединение коацерватов с нуклеиновыми кислотами привело к образованию саморегулирующихся и самовоспроизводящихся первых живых организмов — протобионтов . Эти примитивные первичные организмы были анаэробами и гетеротрофами, питавшимися веществами «первичного бульона». Таким образом, спустя 1 млрд лет, согласно этой гипотезе, завершилось зарождение жизни на Земле.
В настоящее время выделяют следующие основные гипотезы происхождения жизни: гипотезы креационизма, самопроизвольного зарождения, панспермии и биохимическую. Среди современных взглядов ученых на происхождение жизни важнейшее место занимает биохимическая гипотеза. Согласно ей, жизнь на Земле возникла за продолжительный отрезок времени в отсутствие кислорода при наличии химических веществ и постоянного источника энергии.
С глубокой древности и до нашего времени было высказано бессчетное количество гипотез о происхождении жизни на Земле.
В настоящее время существует 5 научных концепций возникновения жизни:
1. Возникновение живого из неживого, подчиняясь определенным физическим и химическим закономерностям (абиотическая концепция);
2. Гипотеза «голобиоза» - концепция протобионта или биода, некого доклеточного предка, начальных «жизнеспособных» структур;
3. Гипотеза «генобиоза», т. е. поиска генома как реликтового предка всех живых клеточных структур, считая, что
именно РНК сыграло первостепенную роль в её зарождении жизни;
4. Концепция стационарного состояния жизни - жизнь существовала всегда, начала жизни не существует;
5. Внеземное происхождение жизни - жизнь была занесена на Землю из Космоса (концепция панспермии) .
В развитии учений о происхождении жизни существенное место занимает теория, утверждающая, что всё живое происходит только от живого - теория биогенеза.
В 1688 г. итальянский биолог Ф. Реди серией опытов с открытыми и закрытыми сосудами доказал, что появляющиеся в мясе белые маленькие черви - это личинки мух и сформулировал принцип: всё живое - из живого.
В 1860 г. Пастер показал, что бактерии могут быть везде и заражать неживые вещества. Для избавления от них необходимо стерилизация, получившая название пастеризации.
Однако как теория происхождения жизни биогенез несостоятелен, поскольку противопоставляет живое не живому, утверждает отвергнутую наукой идею вечности жизни.
Абиотическая концепция.
Абиогенез - идея о происхождении живого из неживого - исходная гипотеза современной теории происхождения жизни.
В 1924 г. известный биохимик А. И. Опарин высказал предположение, что при мощных электрических разрядах в земной атмосфере, которая 4 - 4,5 млрд. лет назад состояла из аммиака, метана, углекислого газа и паров воды, могли возникнуть простейшие органические соединения, необходимые для возникновения жизни.
Предсказания академика Опарина оправдались. В 1955 г. американский исследователь С. Миллер, пропуская электрические заряды через смесь газов и паров, получил простейшие жирные кислоты, мочевину, уксусную и муравьиную кислоты и несколько аминокислот.
Таким образом, в середине ХХ века был экспериментально осуществлен абиогенетический синтез белковоподобных и других органических веществ в условиях, воспроизводящих условия первобытной Земли.
Гипотеза Опарина о возникновении жизни на Земле опирается на представление о постепенном усложнении химической структуры и морфологического облика предшественников жизни (пробионтов) на пути к живым организмам. На стыке моря, суши и воздуха создавались благоприятные условия для образования сложных органических соединений. В концентрированных растворах белков, нуклеиновых кислот могут образовываться сгустки подобно водным растворам желатина. А. И. Опарин назвал эти сгустки коацерватными каплями или коацерватами.
Коацерваты - это обособленные в растворе органические многомолекулярные структуры. Это еще не живые существа. Их возникновение рассматривают как стадию развития преджизни. Наиболее важным этапом в происхождении жизни было возникновение механизма воспроизведения себе подобных и наследования свойств предыдущих поколений. Это стало возможным благодаря образованию сложных комплексов нуклеиновых кислот и белков. Нуклеиновые кислоты, способные к самовоспроизведению, стали контролировать синтез белков, определяя в них порядок аминокислот. А белки - ферменты осуществляли процесс создания новых копий нуклеиновых кислот. Так возникло главное свойство, характерное для жизни - способность к воспроизведению подобных себе молекул.
Сильная сторона абиогенетической гипотезы - её эволюционный характер, жизнь - закономерный этап эволюции материи. Возможность экспериментальной проверки основных положений гипотезы.
На коацерватных каплях можно симетировать доклеточные фазы зарождения жизни.
Слабая сторона гипотезы Опарина допускала воспроизводство протоживых структур в отсутствии молекулярных структур генетического кода. Гипотеза Опарина предъявляет особые требования к экспериментальному воспроизведению коацерватных структур: «первичный бульон» с химически сложной структурой, элементы биогенного происхождения (ферменты и коферменты).
Абиогенная гипотеза включает решительный отпор ученых - сторонников идеи вечности и безначальности биологической жизни.
Русский биохимик С. П. Костычев в своей брошюре «О появление жизни на Земле» замечает, что простейшие организмы посложнее всех фабрик и заводов, и случайное возникновение жизни маловероятно, жизнь никогда не создаётся на мёртвой материи».
В отношении самозарождения организмов необходимо отметить, что Французская Академия наук, ещё в 1859 году, назначила специальную премию за попытку осветить по - новому вопрос о самопроизвольном зарождении жизни. Эту премию в 1862 г. получил знаменитый французский ученый Луи Пастер, который своими опытами доказал невозможность самозарождения микроорганизмов.
В настоящее время жизнь на Земле не может возникнуть абиогенным путём. Ещё Дарвин в 1871 году писал: «Но если бы сейчас… в каком - либо тёплом водоёме, содержащем все необходимые соли аммония и фосфора и доступном воздействию света, тепла, электричества, химически образовался белок, способны к дальнейшим всё более сложным превращениям, то это вещество немедленно было бы разрушено и поглощено, что было невозможно в период возникновения живых существ». Жизнь возникла на Земле абиогенным путем. В настоящее время живое происходит только от живого (биогенное происхождение). Возможность повторного возникновения жизни на Земле исключена.
Теория панспермии.
В 1865 г. немецкий врач Г. Рихтер выдвинул гипотезу космозоев
(космических зачатков) в соответствии с которой жизнь является вечной и зачатки, населяющие мировое пространство, могут переноситься с одной планеты на другую.
Сходную гипотезу в 1907 году выдвинул шведский естествоиспытатель С. Аррениус, предположив, что во Вселенной вечно существуют зародыши жизни - гипотезу панспермии. Он описывал, как с населённых другими существами планет уходят в мировое пространство частички вещества, пылинки и живые споры микроорганизмов. Они сохраняют свою жизнеспособность, летая в пространстве Вселенной за счёт светового давления. Попадая на планету с подходящими условиями для жизни, они начинают новую жизнь на этой планете. Эту гипотезу поддерживали многие, в том числе русские ученые С. П. Костычев, Л. С. Берг и П. П. Лазарев.
Данная гипотеза не предполагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни и переносит проблему в другое место Вселенной. Либих считал, что «атмосферы небесных тел, а также вращающихся космических туманностей можно считать, как вековечные хранилища оживленной формы, как вечные плантации органических зародышей», откуда жизнь рассеивается в виде этих зародышей во Вселенной.
Для обоснования панспермии используют наскальные рисунки с изображением предметов, похожих на ракеты или космонавтов, или появления НЛО. Полёты космических аппаратов разрушили веру в существование разумной жизни на планетах Солнечной системы, которая появилась после открытия Скипарелли каналов на Марсе в 1877 году.
Ловелл насчитал на Марсе 700 каналов. Сеть каналов охватывала все материки. В 1924 году каналы были сфотографированы, и большинство учёных увидели в них доказательство существования разумной жизни. Фотоснимки 500 каналов зафиксировали и сезонные изменения цвета, которые подтвердили идеи советского астронома Г. А. Тихова о растительности на Марсе, поскольку озера и каналы имели зеленый цвет.
Ценная информация о физических условиях на Марсе была получена советским космическим аппаратом «Марс» и американскими посадочными станциями «Викинг - 1» и «Викинг - 2». Так, полярные шапки, испытывающие сезонные изменения, оказались состоящими из водного пара с примесью минеральной пыли и из твёрдой двуокиси углерода сухого льда). Но пока следов жизни на Марсе не найдено.
Изучение поверхности с борта искусственных спутников позволило предположить, что каналы и реки Марса могли возникнуть в результате растапливания под поверхностного водяного льда в зонах повышенной активности или внутреннего тепла планеты, или при периодических изменениях климата.
В конце шестидесятых годов ХХ века вновь возрос интерес к гипотезам панспермии. При изучении вещества метеоритов и комет были обнаружены «предшественники живого» - органические соединения, синильная кислота, вода, формальдегид, цианогены.
Формальдегид обнаружен в 60 % случаев в 22 исследованных областях, его облака с концентрацией примерно 1000 молекул/см. куб. заполняют обширные пространства.
В 1975 году предшественники аминокислот найдены в лунном грунте и метеоритах.
Концепция стационарного состояния жизни.
По мнению В. И. Вернадского, нужно говорить об извечности жизни и проявлений её организмов, как мы говорим об извечности материального субстрата небесных тел, их тепловых электрических, магнитных свойств и их проявлений. Всё живое произошло от живого (принцип Реди).
Примитивные одноклеточные организмы могли возникнуть только в биосфере Земли, а также в биосфере Вселенной. По мнению Вернадского, естественные науки построены на предположении, что жизнь с её особыми качествами не принимает никакого участия в жизни Вселенной. Но биосферу нужно брать как целое, как единый живой космический организм (тогда и отпадает вопрос о начале живого, о скачке от неживого к живому).
Гипотеза «голобиоза ».
Она касается прообраза доклеточного предка и его способностей.
Есть различные формы доклеточного предка - «биоид», «биомонада», «микросфера».
Согласно биохимику П. Деккеру, структурную основу «биоида» составляют жизнеспособные неравновесные диссипативные структуры, то есть открытие микросистемы с ферментативным аппаратом, катализирующим метаболизм «биоида».
Эта гипотеза трактует активность до клеточного предка в обменно-метаболическом духе.
В рамках гипотезы «голобиоза» моделировали биохимики С. Фокс и К. Дозе свои биополимеры, способные к метаболизму - комплексному белковому синтезу.
Главный недостаток этой гипотезы - отсутствие генетической системы при таком синтезе. Отсюда предпочтение «молекулярного прародителя» всякого живого, а не первичной протоклеточной структуры.
Гипотеза генобиоза.
Американский учёный Холдейн считал, что первичной была не структура, способная к обмену веществ с окружающей средой, а мокромолекулярная система, подобная гену и способная к репродукции, а потому и названным им «голым геном». Общее признание данная гипотеза получила после открытия РНК и ДНК и их феноменальных свойств.
Согласно этой генетической гипотезе, в начале возникли нуклеиновые кислоты как матричная основа синтеза белков. Впервые её выдвинул в 1929 г. Г. Мёллер.
Экспериментально доказано, что несложные нуклеиновые кислоты могут реплицироваться и без ферментов. Синтез белков на рибосомах идет при участии т - РНК и р - РНК. Они способны строить не просто случайные сочетания аминокислот, а упорядоченные полимеры белком. Возможно, первичные рибосомы состояли только из РНК. Такие безбелковые рибосомы могли синтезировать упорядоченные пептиды при участии молекул т - РНК, которые связывались с р - РНК через спаривание оснований.
На следующей стадии химической эволюции появились матрицы, определявшие последовательность молекул т - РНК, а тем самым и последовательность аминокислот, которые связываются молекулами т - РНК. Способность нуклеиновых кислот служить матрицами при образовании комплиментарных цепей (например, синтез и - РНК на ДНК) - наиболее убедительный аргумент в пользу представлений о ведущем значении в процессе биогенеза наследственного аппарата и, следовательно, в пользу генетической гипотезы происхождения жизни.
Основные Гипотезы происхождения жизни на земле.
Биохимическая эволюция
Среди астрономов, геологов и биологов принято считать, что возраст Земли составляет примерно 4,5 – 5 млрд. лет.
По мнению многих биологов, в прошлом состояние нашей планеты было мало похоже на нынешнее: вероятно температура на поверхности была очень высокой (4000 - 8000°С), и по мере того, как Земля остывала, углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались и образовали земную кору; поверхность планеты была, вероятно, голой и неровной, так как на ней в результате вулканической активности, подвижек и сжатий коры, вызванных охлаждением, происходило образование складок и разрывов.
Полагают, что гравитационное поле еще недостаточно плотной планеты не могло удерживать легкие газы: водород, кислород, азот, гелий и аргон, и они уходили из атмосферы. Но простые соединения, содержащие среди прочих эти элементы (вода, аммиак, CO2 и метан). До тех пор, пока температура Земли не упала ниже 100°C, вся вода находилась в парообразном состоянии. Отсутствие кислорода, вероятно, было необходимым условием для возникновения жизни; как показывают лабораторные опыты, органические вещества (основа жизни) гораздо легче образуются в атмосфере бедной кислородом.
В 1923 г. А.И. Опарин, исходя из теоретических соображений, высказал мнение, что органические вещества, возможно углеводороды, могли создаваться в океане из более простых соединений. Энергию для этих процессов поставляла интенсивная солнечная радиация, главным образом ультрафиолетовое излучение, падавшее на Землю до того, как образовался слой озона, который стал задерживать большую ее часть. По мнению Опарина, разнообразие находившихся в океанах простых соединений, площадь поверхности Земли, доступность энергии и масштабы времени позволяют предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества и образовался «первичный бульон», в котором могла возникнуть жизнь.
Понять происхождение человека нельзя, не поняв происхождение жизни. А понять происхождение жизни можно, лишь поняв происхождение Вселенной.
Сначала был большой взрыв. Этот взрыв энергии произошел пятнадцать миллиардов лет назад.
Эволюцию можно представить себе в виде Эйфелевой башни. В основании - энергия, выше - материя, планеты, затем жизнь. И наконец на самой верхушке - человек, самое сложное и позже всех появившееся животное.
Ход эволюции:
15 млрд лет назад: рождение Вселенной;
5 млрд лет назад: рождение Солнечной системы;
4 млрд лет назад: рождение Земли;
3 млрд лет назад: первые следы жизни на Земле;
500 млн лет назад: первые позвоночные;
200 млн лет назад: первые млекопитающие;
70 млн лет назад: первые приматы.
Согласно этой гипотезе, предложенной в 1865г. немецким ученым Г. Рихтером и окончательно сформулированной шведским ученым Аррёниусом в 1895 г., жизнь могла быть занесена на Землю из космоса. Наиболее вероятно попадание живых организмов внеземного происхождения с мётеоритами и космической пылью. Это предположение основывается на данных о высокой устойчивости некоторых организмов и их спор к радиации, глубокому вакууму, низким температурам и другим воздействиям.
В 1969 году в Австралии был найден метеорит "Мэрчисон". Он содержал 70 неповрежденных аминокислот, восемь из которых входят в состав человеческого белка!
Многие ученые могли возразить, что белки, окаменевшие при вхождении в атмосферу, были мертвы. Однако недавно был открыт прион, белок, который выдерживает очень высокие температуры. Прион сильнее вируса и способен гораздо быстрее передавать болезнь. Согласно теории Панспермии человек каким то образом берет начало от вируса внеземного происхождения, поразившего обезьян, которые в результате мутировали.
Теория самопроизвольного зарождения жизни
Эта теория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне и Египте в качестве альтернативы креационизму, с которым она сосуществовала.
Аристотель (384 – 322 гг. до н. э.), которого часто провозглашают основателем биологии, придерживался теории спонтанного зарождения жизни. На основе собственных наблюдений он развивал эту теорию дальше, связываю все организмы в непрерывный ряд – «лестницу природы». «Ибо природа совершает переход от безжизненных объектов к животным с такой плавной последовательностью, поместив между ними существа, которые живут, не будучи при этом животными, что между соседними группами, благодаря их тесной близости, едва можно заметить различия» (Аристотель).
Согласно гипотезе Аристотеля о спонтанном зарождении, определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм. Аристотель был прав, считая, что это активное начало содержится в оплодотворенном яйце, но ошибочно полагал, что оно присутствует также в солнечном свете, тине и гниющем мясе.
«Таковы факты – живое может возникать не только путем спаривания животных, но и разложением почвы. Так же обстоит дело и у растений: некоторые развиваются из семян, а другие как бы самозарождаются под действием всей природы, возникая из разлагающейся земли или определенных частей растений» (Аристотель).
С распространением христианства теория спонтанного зарождения жизни оказалась не в чести: ее признали лишь те, кто верил в колдовство и поклонялся нечистой силе, но эта идея все продолжала существовать где-то на заднем плане в течение еще многих веков.
Теория стационарного состояния
Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно, она всегда способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень мало. Виды также существовали всегда.
Оценки возраста земли сильно варьировали – от примерно 6000 лет по расчетам архиепископа Ашера до 5000 10 в 6 степени лет по современным оценкам, основанным на учете скоростей радиоактивного распада. Более совершенные методы датирования дают все более высокие оценки возраста Земли, что позволяет сторонникам теории стационарного состояния считать, что Земля существовала вечно. Согласно этой теории, виды также никогда не возникали, они существовали всегда и у каждого вида есть лишь две альтернативы – либо изменение численности, либо вымирание.
Сторонники этой теории не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводят в качестве примера представителя кистеперых рыб – латимерию. Сторонники теории стационарного состояния утверждают, что только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми остатками, можно делать вывод о вымирании, да и в этом случае весьма вероятно, что он окажется неверным. Используя палеонтологические данные для подтверждения теории стационарного состояния, ее немногочисленные сторонники интерпретируют появление ископаемых остатков в экологическом аспекте (увеличение численности, миграции в места благоприятные для сохранения остатков и т. п.). Большая часть доводов в пользу этой теории связана с такими неясными аспектами эволюции, как значение разрывов в палеонтологической летописи, и она наиболее подробно разработана именно в этом направлении.
Креационизм
Креационизм (лат. сгеа - создание). Согласно этой концепции, жизнь и все населяющие Землю виды живых существ являются результатом творческого акта высшего существа в какое-то определенное время. Основные положения креационизма изложены в Библии, в Книге Бытия. Процесс божественного сотворения мира мыслится как имевший место лишь единожды и поэтому недоступный для наблюдения. Этого достаточно, чтобы вынести всю концепцию божественного сотворения за рамки научного исследования. Наука занимается только теми явлениями, которые поддаются наблюдению, а поэтому она никогда не будет в состоянии ни доказать, ни отвергнуть эту концепцию.
Теория водного происхождения человека
Она гласит: человек произошел прямо из воды. Т.е. мы когда то были чем-то вроде морских приматов, или гуманоидными рыбами.
«Водную теорию» происхождения человека выдвинул Алистер Харди (1960), а развивала Элейн Морган. После чего идею транслировали многие популяризаторы, например, Ян Линдблад и легендарный подводник Жак Майоль. По мнению Харди и Морган, одним из наших предков была большая обезьяна миоцена из семейства проконсулов, которая, прежде чем стать земной, много миллионов лет обитала в воде.
В пользу происхождения «водной обезьяны» приводятся такие особенности человека:
1. Способность задерживать дыхание, апноэ (в том числе во время вокализации) делает человека ныряльщиком.
2. Работа ловкими кистями и использование орудий сходно с поведением енота-полоскуна и калана.
3. Переходя вброд водоемы, приматы встают на задние конечности. Полуводный образ жизни способствовал развитию прямохождения.
4. Утрата волосяного покрова и развитие подкожного жира (у человека в норме он толще, чем у других приматов) - характерны для водных млекопитающих.
5. Большая грудь помогала удерживать в воде корпус и согревать сердце.
6. Волосы на голове помогали удерживаться младенцу.
7. Удлиненная стопа помогала плавать.
8. Между пальцами рук есть кожная складка.
9. Сморщив нос, человек может закрыть ноздри (обезьяны – нет)
10. Ухо человека меньше набирает воду
И еще например если новорожденного поместить в воду сразу после того как он покинет материнское лоно, он будет себя отлично чувствовать. Он уже умеет плавать. Ведь чтобы новорожденный перешел от стадии рыбы к стадии млекопитающего дышащего воздухом его нужно похлопать по спине.
Происхождении жизни на Земле является ключевой и нерешенной проблемой естествознания, нередко служащей почвой для столкновения науки и религии. Если наличие в природе эволюции живой материи можно считать доказанным, так как были вскрыты ее механизмы, археологами обнаружены древние более просто устроенные организмы, то ни одна гипотеза возникновения жизни не имеет такой обширной доказательной базы. Эволюцию мы можем наблюдать воочию хотя бы в селекции. Создать же живое из неживого никому не удавалось.
Несмотря на большое количество гипотез о происхождении жизни, лишь одна из них имеет приемлемое научное объяснение. Это гипотеза абиогенеза - длительной химической эволюции, которая протекала в особых условиях древней Земли и предшествовала биологической эволюции. При этом из неорганических веществ сначала были синтезированы простые органические, из них более сложные, далее появились биополимеры, следующие этапы более умозрительны и малодоказуемы. Гипотеза абиогенеза имеет много нерешенных проблем, различных взглядов на определенные этапы химической эволюции. Однако некоторые ее моменты были подтверждены опытным путем.
Другие гипотезы происхождения жизни - панспермия (занесение жизни из космоса), креационизм (сотворение творцом), самопроизвольное зарождение (в неживой материи вдруг появляются живые организмы), стационарное состояние (жизнь существовала всегда). Невозможность самозарождения жизни в неживом была доказано Луи Пастером (XIX в.) и рядом ученых до него, но не так безапелляционно (Ф. Реди - XVII в.). Гипотеза панспермии не решает проблему возникновения жизни, а переносит ее с Земли в космическое пространство или на другие планеты. Однако и опровергнуть эту гипотезу сложно, особенно тех ее представителей, которые утверждают, что жизнь была занесена на Землю не метеоритами (в этом случае живое могло сгореть в слоях атмосферы, подвергнуться разрушительному действию космической радиации и т. д.), а разумными существами. Только вот как они долетели до Земли? С точки зрения физики (огромных размеров Вселенной и невозможности преодолеть скорость света) это вряд ли возможно.
Впервые возможный абиогенез был обоснован А.И. Опариным (1923-1924 г.), позже данную гипотезу разрабатывал Дж. Холдейн (1928 г). Однако мысль, что жизни на Земле могло предшествовать абиогенное образование органических соединений, высказывал еще Дарвин. Теория абиогенеза была доработана и дорабатывается другими учеными и по сей день. Главная ее нерешенная проблема - это подробности перехода от сложных неживых систем к простым живым организмам.
В 1947 г. Дж. Бернал, на основе разработок Опарина и Холдейна, сформулировал теорию биопоэза, выделив в абиогенезе три стадии: 1) абиогенное возникновение биологических мономеров; 2) образование биополимеров; 3) образование мембран и формирование первичных организмов (протобионтов).
Абиогенез
Ниже в общих чертах описан предположительный сценарий происхождения жизни согласно теории абиогенеза.
Возраст Земли составляет около 4,5 млрд. лет. Жидкая вода на планете, так необходимая для жизни, по оценкам ученых появилась не ранее 4 млрд. лет назад. При этом 3,5 млрд. лет назад жизнь на Земле уже существовала, что доказано обнаружением пород таких возрастов со следами жизнедеятельности микроорганизмов. Таким образом, первые простейшие организмы возникли относительно быстро - менее чем за 500 млн. лет.
Когда Земля только образовалась, ее температура могла достигать 8000 °C. При остывании планеты металлы и углерод как наиболее тяжелые элементы конденсировались и образовывали земную кору. В то же время происходила вулканическая активность, кора двигалась и сжималась, на ней образовывались складки и разрывы. Гравитационные силы приводили к уплотнению коры, при этом выделялась энергия в виде тепла.
Легкие газы (водород, гелий, азот, кислород и др.) не удерживались планетой и уходили в космос. Но в составе других веществ эти элементы оставались. До тех пор, пока температура на Земле не упала ниже 100 °C, вся вода находилась в парообразном состоянии. После снижения температуры испарение и конденсация повторялись множество раз, шли сильные ливни с грозами. Горячая лава и вулканический пепел, оказавшись в воде, создавали разные условия среды. В каких-то могли протекать определенные реакции.
Таким образом, физические и химические условия на ранней Земле были благоприятны для образования органических веществ их неорганических. Атмосфера была восстановительного типа, свободного кислорода и озонового слоя в ней не было. Поэтому на Землю проникали ультрафиолетовое и космическое излучение. Другими источниками энергии были теплота земной коры, которая еще не остыла, извергающиеся вулканы, грозы, радиоактивный распад.
В атмосфере присутсвовали метан, оксиды углерода, аммиак, сероводород, цианистые соединения, а также пары воды. Из них синтезировались ряд простейших органических веществ. Далее могли образовываться аминокислоты, сахара, азотистые основания, нуклеотиды и другие более сложные органические соединения. Многие из них послужили мономерами для будущих биологических полимеров. Отсутствие в атмосфере свободного кислорода благоприятствовало протеканию реакций.
Химическими опытами (впервые в 1953 г. С. Миллер и Г. Юри), моделирующих условия древней Земли, была доказана возможность абиогенного синтеза органических веществ из неорганических. При пропускании электрических разрядов через газовую смесь, имитировавшую первобытную атмосферу, в присутсвии паров воды были получены аминокислоты, органические кислоты, азотистые основания, АТФ и др.
Следует отметить, что в древней атмосфере Земли простейшие органические вещества могли образовываться не только абиогенно. Они также заносились из космоса, содержались в вулканической пыли. Причем это могли быть достаточно большие количества органики.
Низкомолекулярные органические соединения накапливались в океане, создавая так называемый первичный бульон. Вещества адсорбировались на поверхности глинистых отложений, что повышало их концентрацию.
В определенных условиях древней Земли (например на глине, склонах остывающих вулканов) могла происходить полимеризация мономеров. Так образовались белки и нуклеиновые кислоты - биополимеры, ставшие в последствии химической основой жизни. В водной среде полимеризация маловероятна, так как в воде обычно происходит деполимеризация. Опытом была доказана возможность синтеза полипептида из аминокислот, соприкасающихся с кусками горячей лавы.
Следующий важный шаг на пути происхождения жизни – образование в воде коацерватных капель (коацерватов ) из полипептидов, полинуклеотидов, других органических соединений. Подобные комплексы снаружи могли иметь слой, имитировавший мембрану и сохраняющий их стабильность. Опытным путем в коллоидных растворах были получены коацерваты.
Белковые молекулы амфотерны. Они притягивают к себе молекулы воды так, что вокруг них образуется оболочка. Получаются коллоидные гидрофильные комплексы, обособленные от водной массы. В результате в воде образуется эмульсия. Далее коллоиды сливаются между собой и образуются коацерваты (процесс называется коацервацией). Коллоидный состав коацервата зависел от состава среды, в которой он образовывался. В разных водоемах древней Земли образовывались разные по химическому составу коацерваты. Какие-то из них были более устойчивыми и могли в определенной степени осуществлять избирательный обмен веществ с окружающей средой. Происходил своего рода биохимический естественный отбор.
Коацерваты способны избирательно поглощать из окружающей среды некоторые вещества и выделять в нее некоторые продукты протекающих в них химических реакций. Это напоминает обмен веществ. По мере накопления веществ коацерваты росли, а при достижении критических размеров распадались на части, каждая из которых сохраняла черты исходной организации.
В самих коацерватах могли происходить химические реакции. При поглощении коацерватами ионов металлов могли образовываться ферменты.
В процессе эволюции остались лишь такие системы, которые были способны к саморегуляции и самовоспроизведению. Это знаменовало наступление следующего этапа происхождения жизни – возникновение протобионтов (по некоторым источникам это то же самое, что коацерваты) - тел, имеющие сложный химический состав и ряд свойств живых существ. Протобионты можно рассматривать как наиболее устойчивые и удачно получившиеся коацерваты.
Мембрана могла образоваться следующим образом. Жирные кислоты соединялись со спиртами и образовывали липиды. Липиды формировали пленки на поверхности водоемов. Их заряженные головки обращены в воду, а неполярные концы - наружу. Плавающие в воде белковые молекулы притягивались к головкам липидов, в результате чего образовывались двойные липопротеиновые пленки. От ветра такая пленка могла изгибаться, и образовывались пузырьки. В эти пузырьки могли быть случайно захвачены коацерваты. Когда такие комплексы снова оказывались на поверхности воды, то покрывались уже вторым липопротеиновым слоем (за счет гидрофобных взаимодействий, обращенных друг к другу неполярных концов липидов). Общая схема мембраны сегодняшних живых организмов представляет собой два слоя липидов внутри и два слоя белков, расположенных по краям. Но за миллионы лет эволюции произошло усложнение мембраны за счет включения белков, погруженных в липидный слой и пронизывающих его, выпячивание и впячивание отдельных участков мембраны и др.
В коацерваты (или протобионты) могли попадать уже существующие молекулы нуклеиновых кислот, способные к самовоспроизведению. Далее в некоторых протобионтах могла произойти такая перестройка, что нуклеиновая кислота стала кодировать белок.
Эволюция протобионтов - это уже не химическая, а предбиологическая эволюция. Она привела к усовершенствованию каталитической функции белков (они стали выполнять роль ферментов), мембран и их избирательной проницаемости (что делает протобионт устойчивым набором полимеров), возникновению матричного синтеза (переноса информации с нуклеиновой кислоты на нуклеиновую кислоту и с нуклеиновой кислоты на белок).
| Эволюция | Результаты | |
|---|---|---|
| 1 | Химическая эволюция - синтез соединений |
|
| 2 | Предбиологическая эволюция – химический отбор: остаются наиболее устойчивые, способные к самовоспроизведению протобионты |
|
| 3 | Биологическая эволюция – биологический отбор: борьба за существование, выживание наиболее приспособленных к условиям окружающей среды |
|
Одной из самых больших загадок происхождения жизни остается вопрос: как РНК стала кодировать аминокислотную последовательность белков. В вопросе фигурирует РНК, а не ДНК, так как считается, что сначала рибонуклеиновая кислота играла не только роль в реализации наследственной информации, но и отвечала за ее хранение. ДНК ее заменила позже, возникнув из РНК путем обратной транскрипции. ДНК лучше подходит для хранения информации и более устойчива (менее склонна к реакциям). Поэтому в процессе эволюции именно она была оставлена в качестве хранителя информации.
В 1982 г. Т. Чеком была открыта каталитическая активность РНК. Кроме того РНК могут синтезироваться в определенных условиях даже при отсутствии ферментов, а также образовывать свои копии. Поэтому можно предположить, что РНК были первыми биополимерами (гипотеза РНК-мира). Какие-то участки РНК случайно могли кодировать полезные для протобионта пептиды, остальные участки РНК в процессе эволюции стали вырезаемыми интронами.
В протобионтах возникла обратная связь - РНК кодирует белки-фермены, белки-ферменты увеличивают количество нуклеиновых кислот.
Начало биологической эволюции
Химическая эволюция и эволюция протобионтов длилась более 1 млрд. лет. Жизнь возникла, и началась ее биологическая эволюция.
От некоторых протобионтов произошли примитивные клетки, включающие всю совокупность наблюдаемых нами сегодня свойств живого. В них было реализовано хранение и передача наследственной информации, ее использование для создания структур и обмена веществ. Энергия для процессов жизнедеятельности обеспечивалась молекулами АТФ, появились типичные для клеток мембраны.
Первые организмы были анаэробные гетеротрофы. Энергию, запасаемую в АТФ, они получали с помощью брожения. Пример - гликолиз - бескислородное расщепление сахаров. Питались эти организмы за счет органических веществ первичного бульона.
Но запасы органических молекул постепенно истощались, так как условия на Земле менялись, и новая органика уже почти не синтезировалась абиогенным путем. В условиях конкуренции за пищевые ресурсы эволюция гетеротрофов ускорилась.
Преимущество получили бактерии, оказавшиеся способными фиксировать углекислый газ с образованием органических веществ. Автотрофный синтез питательных веществ более сложный, чем гетеротрофное питание, поэтому у ранних форм жизни он возникнуть не мог. Из некоторых веществ под действием энергии солнечного излучения образовывались соединения, необходимых клетке.
Первые фотосинтезирующие организмы не выделяли кислорода. Фотосинтез с его выделением скорее всего появился позже у организмов, сходных с нынешними сине-зелеными водорослями.
Накопление в атмосфере кислорода, появление озонового экрана, уменьшение количества ультрафиолетового излучения привело к почти невозможности абиогенного синтеза сложных органических веществ. С другой стороны, возникшие формы жизни стали более устойчивыми в таких условиях.
На Земле распространилось кислородное дыхание. Анаэробные организмы сохранились лишь в отдельных местах (например, есть анаэробные бактерии, живущие в горячих подземных источниках).
