Здравствуйте уважаемые читатели блога сайт! В сегодняшней статье хотелось бы поговорить об одной из теорий происхождения жизни. Это теория эволюции, о которой так много говорил Дарвин. Здесь можно прочесть о ДНК, о древних окаменелостях, о некоторых лабораторных опытах и т. д.
В результате химических реакций, примерно 3 800 миллионов лет назад, образовалось первое сложное соединение, которое способно самовоспроизводится.
По-прежнему, загадкой остается происхождение жизни на Земле . Ученные придерживаются мнения, что все формы жизни находятся в процессе постоянного и непрерывного развития, с тех пор как Чарлз Дарвин впервые описал процесс и .
С каждым последующим поколением слабые стороны отсеиваются, а сильные оттачиваются и выявляются все новые возможности. Один вид пращуров мог породить несколько форм жизни, после чего или находил собственную нишу в экосистеме, или вымирал.
Собственная ниша в экосистеме позволяла выжить и сохранить первоначальную форму, а в это время потомки этих видов прекрасно вписывались в другие ниши.
В результате образовалась сложная система родственных линий, которая сегодня связует все живущие на Земле организмы с их уже вымершими предками. Сегодня, в виде окаменелостей сохранились древние останки многих из исчезнувших видов.
В осадочных породах можно обнаружить окаменелости. Возраст этих окаменелостей определяют с помощью передовых методов радиоизотопного датирования.
Это позволило ученным воссоздать примерную картину жизни на Земле любого – примерную, потому как сохранилась лишь малая доля останков из всего многообразия когда-либо существовавшего животного и растительного мира.
И все же, ясно одно по найденным окаменелостям: между исчезнувшими и существующими организмами есть система родственных связей, которая напоминает дерево, а на этом дереве в течение времени появляются все новые ветви.
Многие из этих ветвей засыхают и отмирают (например, динозавры), а другие ветви вырастают и расцветают. Если проследить любую из этих ветвей до самого основания, то в конечном итоге, придем к единому стволу – прародителю всех когда-либо живших организмов, то есть источнику происхождения жизни.
Следы в горной породе.
К сожалению, это непросто сделать. Примерно 4 500 млн. лет, по современным оценкам, составляет возраст Земли. Как считают, древнейшим окаменелостям не более 590 млн. лет, это соответствует началу кембрийского геологического периода (кембрия).
Найденные в породах кембрия окаменелости, включают останки различных форм жизни. Например, таких как: произошедших от своих примитивных предков, моллюсков и червей.
По-другому говоря, они были где-то в середине эволюционного дерева. Неясным остается их происхождение, в так называемую, эпоху докембрия, это в связи с тем, что не осталось никаких органических останков в породах этого периода.
Легко объяснить причину этого. Окаменелостей мягкотелые организмы не оставляют, потому что, обычно, после смерти, они прежде чем их окружающие отложения превратятся в твердую породу, успевают полностью разложиться.
Вероятнее всего, что большинство живших в докембрийский период организмов, были слишком хрупкими, чтобы оставить четкие отложения. Этот период составляет 80% всей истории Земли.
Но это вовсе не означает, что они совсем не оставили никаких следов. Двое исследователей, в начале 1950-х годов, приступили к тщательному изучению пласта породы на берегах Верхнее в .
Этот пласт породы, известной как кремнистый сланец, был возрастом 2000 млн. лет. Ничего органического, на первый взгляд, в них не было, но ученные, несмотря на это, решили с помощью микроскопа исследовать небольшие образцы колец.
Удивительное открытие.
Ими были обнаружены несомненные признаки древней жизни. Это были останки крошечных организмов, которые напоминают микроскопичные одноклеточные, жившие и поныне, бактерии и водоросли.
Эти хрупкие организмы пропитались каким-то чудесным образом стекловидным кремнеземом, который затвердел и превратился в кремнистый сланец, в котором эти организмы сохранились, подобно мухам в янтаре. Эти любопытные белые кольца в породе оказались размытыми останками колоний этих организмов.
Эта находка, которая содержала органические останки образцов, стала открытием. Изучение пород возобновили ученные всего мира. Их ожидало удивительное вознаграждение, после изучения тех пород, которые они ранее считали лишенными окаменелостей.
В западной части Австралии была обнаружена древнейшая на сегодняшний день форма жизни, около 3 500 млн. лет. А вот ожидаемых результатов не дало изучение самых древних из известных нам пород – гнейсов Амитсока на юго-западе Гренландии, возрастом 3 800 млн. лет.
Никаких чудес.
В том, что найденные первобытные останки напоминают современные и , биологи не находят ничего удивительного. Простейшими формами жизни всегда считались такие одноклеточные организмы, и естественно, что они – наиболее примитивные ее формы.
Способ существования одноклеточных форм жизни легко выяснить благодаря их простоте. Биологи, вместо изучения механизма функционирования мышц и органов, исследуют, как исходные химические вещества превращаются в «кирпичики» жизни – сахар, жиры и белки.
Простая клетка.
Для раскрытия тайны возникновения жизни эти исследования особенно важны. Поскольку, следующее превращение, которое положило начало всего процесса – из неорганических живых веществ в живую материю, должно было иметь место.
Сама по себе бактерия – питающая простейшая клетка; это наполненная жидкостью, студенистая оболочка, перерабатывающая простые химические вещества, которые состоят из азота, углерода, кислорода и водорода, в сложные органические соединения: углеводы, дающие ей энергию (сахар) и необходимые белки для ее роста.
Строение ДНК.
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)
– органическое вещество, которое в конечном итоге управляет данными процессами. ДНК
, кроме того, обладает еще одним важным свойством: она может сама себя воспроизводить.
Каждая молекула ДНК напоминает винтовую лестницу, в которой цепочки из атомов образуют боковые стороны с перемычками («ступеньками»), расположенными через разные промежутки.
При необходимости, вся молекула может раздваиваться, причем перемычки разделяются посередине. После раздвоения спирали укороченные «ступеньки» притягивают другие вещества, которые, присоединяясь, образуют недостающие половинки «лестницы» — таким образом, из одной спирали получаются две.
Является сущностью жизни этот простой прием. Одноклеточный организм, благодаря ему, растет и воспроизводит себя, расщепляется посередине и при этом копирует свой внутренний химический процесс.
Размножающиеся клетки, в более сложных формах жизни, совместно формируют многоклеточные структуры, каждая структура, при этом, это лишь часть крайне сложного процесса. Генетический код – управляет всем процессом. Этот код заложен в молекуле ДНК и отличается у разных видов и особей.
Функции ДНК.
Механизмами являются все жизненные процессы (питье, еда, выведение продуктов жизнедеятельности из организма), которые служат для обеспечения деятельности ДНК.
ДНК является очень сложной молекулой, чем сложнее форма жизни, тем сложнее ее ДНК . Из тысячи атомов состоит структура самой простой ДНК, эти атомы сгруппированы в нуклеотиды – это соединения фосфатов, сахаров и азотистых оснований.
Так же достаточно сложной структурой является сам по себе каждый нуклеотид. И к другим органическим молекулам, таким как углеводы и белки, это тоже относится. Из цепей аминокислот (которых всего 20 различных видов), расположенных в определенной последовательности, состоят белки.
Простая цепь может состоять из 100 звеньев, а сложная цепь – из нескольких тысяч звеньев. Генетическим кодом данного организма определяется вся структура.
В самой простой клетке бактерии содержатся ДНК, углеводы и белки, без которых функционировать она не сможет. Из известных сегодня форм жизни – эти клетки наиболее примитивная форма.
Из этого можно сделать вывод, что они произошли из неживых структур, которые синтезировали эти важнейшие элементы жизни до того, как нашли им органическое применение.
«Первичный бульон».
Каким был наш мир 3 800 млн. лет назад, не знает никто. Ученные Халдейн и Опарин, в 20-е годы выдвинули теорию, согласно которой, в те далекие времена Земли почти полностью была лишена кислорода, и состояла из водорода, аммиака, воды, метана, окиси углерода и ряда других веществ.
Они предполагали, что горячей водой была покрыта большая часть поверхности Земли, а кипение этой воды поддерживалось магмой, расплавленной породой, которая находится под тонкой океанической .
По их гипотезе, такая смесь горячей воды и газов могла привести к образованию, так называемого, «первичного бульона», который богат необходимыми для синтеза жизни химическими элементами.
Инициирована реакция, могла быть вулканической деятельностью, электрическим разрядом молнии или интенсивным ультрафиолетовым излучением, который проходит через тонкий слой атмосферы. Американским ученым Стэнли Миллером, в 1953 году, опытным путем была проверена данная теория.
Стэнли Миллер создал модель первозданного мира, которая состояла из двух колб и стеклянных трубок. В одной из этих колб находился раствор, состав которого, теоретически, соответствовал морской воде. Смесью газов он заполнил пространство над жидкостью.
Эта смесь газов так же, теоретически, соответствовала предполагаемой атмосфере. Эта колба была соединена трубкой с другой колбой, которая имела два электрода для получения искры – миниатюрной модели молнии.
Еще одна трубка отходила от искровой камеры, эта трубка вела к первой колбе через конденсатор П-образный коллектор.
Когда в нижней колбе Миллер нагрел смесь, она закипела и превратилась в газ, потом поступила в камеру с искрой, а затем сконденсировалась и стекла обратно в нижнюю колбу. Этот процесс проводили непрерывно в течение недели, а после жидкость откачали для анализа.
Результаты были положительными. Смесь, которая получилась, содержала три аминокислоты – соединения, из которых образуются белки. Эту идею подхватили многие исследователи. Они провели подобные этим эксперименты, и в результате, получили еще больше аминокислот, и даже простые нуклеотиды – строительные блоки ДНК.
Удивительные результаты.
Результаты этих экспериментов считают убедительными и они дают основания полагать, что весь белок (и не только он) мог быть синтезирован на протяжении нескольких миллиардов лет. ДНК, предположительно, тоже могла быть создана вместе с ее тысячами строго расположенных атомов.
Она, однажды возникнув, могла репродуцировать себя, создавать свои собственные белки и другие сложные органические вещества и развиваться в функциональную самовоспроизводящуюся форму жизни, такую как клетка бактерии.
Могло произойти нечто возможное, но математическая вероятность создания такого сложного вещества, как ДНК или белок, бесконечно мала в «первичном бульоне», в результате случайного соединения химических элементов.
На примере обезьяны с пишущей машинкой можно показать эту вероятность. Например, если дать обезьяне достаточное количество бумаги и позволить в течение нескольких лет печатать наобум, она сможет воспроизвести некоторые слова, но вероятность создания ею литературного шедевра практически равна нулю. По этому примеру, со словом можно сравнить аминокислоту, но шедевром, несомненно, является ДНК.
Сегодня данная теория признана многими ученными, которые продолжают поиск механизмов способствующих соединению аминокислот в белки без управления со стороны ДНК.
Если будет найден такой механизм, человечество сделает важный шаг на пути к пониманию загадки образования ДНК и, следовательно, к тому, чтобы выяснить происхождение жизни на Земле.
Это статья об эволюционной теории происхождения жизни, которую, конечно же еще полностью не заполнили, и которую можно много оспаривать, но мы этого делать не будем 😉
Существует гипотеза о возможном занесении бактерий, микробов и прочих мельчайших организмов, посредством занесения небесными телами. Организмы развивались и в результате длительных преобразований, постепенно появлялась жизнь на Земле. В гипотезе рассматриваются организмы, способные функционировать даже в бескислородной среде и в аномально высоких или низких температурах.
Это связано с пребыванием бактерий-переселенцев на астероидах и метеоритах, которые представляют собой осколки от столкновений планет или других тел. Из-за наличия износоустойчивой внешней оболочки, а также благодаря способности замедлять все процессы жизнедеятельности (порой превращаясь в спору), такого рода жизнь способна перемещаться очень продолжительное время и на очень далёкие расстояния.
При попадании же в более гостеприимные условия, “межгалактические путешественники” активируют основные жизнеобеспечивающие функции. И сами того не понимая, образуют с течением некоторого времени, жизнь на Земле.
Живое из неживого
Факт существования синтетических и органических веществ в наши дни неоспорим. Более того, ещё в далёком девятнадцатом веке, немецкий учёный Фридрих Вёлер, синтезировал органическое вещество (мочевину) из неорганического (цианат аммония). Затем были синтезированы углеводороды. Таким образом, жизнь на планете Земля вполне вероятно зародилась путём синтеза из неорганического материала. Посредством абиогенеза выдвигаются теории происхождения жизни.
Так как основную роль в строении любого органического организма составляют аминокислоты. Логично было бы предположить об их причастности к заселению Земли жизнь. На данных, полученных от эксперимента Стэнли Миллера и Гарольда Юри (образование аминокислот, пропуском электрического заряда через газы), можно говорить о возможности образования аминокислот. Ведь аминокислоты – это кирпичики, с помощью которых строятся сложные системы организма и любой жизни соответственно.
Космогоническая гипотеза
Наверно самая популярная из всех трактовка, которую знает каждый школьник. Теория большого взрыва была и остаётся вполне актуальной темой для горячих обсуждений. Большой взрыв произошёл от сингулярной точки скопления энергии, в результате освобождения которой, значительно расширилась Вселенная. Образовались космические тела. Несмотря на всю состоятельность, Теория большого взрыва не объясняет образования самой Вселенной. Как собственно и не может объяснить ни одна существующая гипотеза.
Симбиоз органелл ядерных организмов
Эту версию зарождения жизни на Земле, ещё называют эндосимбиозом. Чёткие положения системы были составлены русским ботаником и зоологом К. С. Мережковским. Суть данной концепция заключается в взаимовыгодном сожительстве органеллы с клеткой. Что в свою очередь позволяет предположить об эндосимбиозе, как о выгодном для обоих сторон симбиозе с образованием клеток эукариот (клетки в которых присутствует ядро). Затем при помощи передачи генетической информации между бактериями, осуществлялось их развитие и увеличение популяции. Согласно этой версии, все дальнейшие развитие жизни и жизненных форм, обязано предшествующему предку современных видов.
Самозарождение
Такого вида утверждение в девятнадцатом веке, не могло не восприниматься без доли скепсиса. Внезапное появление видов, а именно образование жизни из неживого, казалось фантастикой для людей того времени. При том гетерогенез (Способ размножения, в результате которого рождаются особи, сильно отличающиеся от родительских) признавался обоснованным объяснением жизни. Простым примером будет образование сложной жизнеспособной системы из разлагающихся веществ.
К примеру в том же Египте, египетские иероглифы сообщают о появлении разнообразной жизни из воды, песка, разлагающихся и гниющих остатков растений. Эта новость нисколько бы не удивила древнегреческих философов. Там убеждение о зарождении жизни из неживого воспринималось как факт, не требующий обоснования. Великий греческий философ Аристотель, так говорил о зримой истине: ” тля образуется из протухших продуктов питания, Крокодил – результат процессов в гниющих брёвнах, находящихся под водой”. Загадочно, но не смотря на всяческие преследования со стороны церкви, убеждение под лоном тайны, прожило целый век.
Споры о жизни на Земле не могут продолжаться вечно. Именно поэтому, в конце девятнадцатого века, французский микробиолог и химик Луи Пастер проводил свои анализы. Его исследования имели строго научный характер. Эксперимент проводился в 1860-1862. Благодаря выведению спор из сонного состояния, Пастер смог решить вопрос о самозарождении жизни. (За что ему и присудила премию Французская академия наук)
Сотворение сущего из обычной глины
Звучит как безумие, но в действительности эта тема имеет право на жизнь. Ведь не зря Шотландский учёный-исследовать А.ДЖ.Кернс-Смит, выдвинул белковую теорию о жизни. Крепко составляя основу из похожих исследований, он говорил о взаимодействии на молекулярном уровне между органическими составляющими и простой глиной… Оказываясь под её воздействием, компоненты образовывали устойчивые системы, в которых происходили изменения в структуре обоих составляющих, а затем и образованием состоятельной жизни. Вот таким уникальным и оригинальным образом, объяснял свою позицию Кернс-Смит. Кристаллы глины, с находящимся в ней биологическими включениями, зарождали жизнь вместе, после чего их “сотрудничество” кончалось.
Теория постоянных катастроф
Согласно концепции, разработанной Жоржом Кювье, мир, который прямо сейчас можно лицезреть, вовсе не является первичным. А чем он является, так это всего лишь очередным звеном последовательно разрывающейся цепочки. Это значит, мы живём в мире, который со временем подвергнется массовому вымиранию жизни. При этом не всё на Земле подвергалось глобальному уничтожению (к примеру наступал потоп). Некоторые виды, в ход своей приспосабливаемости выживали, тем самым заселяя Землю. Строение видов и жизни, по словам Жоржа Кювье оставалось неизменным.
Материя, как объективная реалия
Главная тема учения - различные сферы и области, приближающие к пониманию эволюции, с точки зрения точных наук. (материализм – мировоззрение в философии, раскрывающее все причинно-следственные обстоятельства, явления и факторы реальности. Законы применимы к человеку, обществу, Земле). Теория выдвинута известными приверженцами материализма, считающими, что жизнь на Земле зародилась от преобразований на уровне химии. При том происходившие почти 4 миллиарда лет назад. Объяснение жизни имеет прямую связь с ДНК, (дезоксирибонуклеиновая кислота) РНК (рибонуклеиновая кислота), а также к некоторым ВМС (высокомолекулярным соединениям, в данном случае – белкам.)
Концепция образовалась посредством научных исследований, раскрывающих суть молекулярной и генетической биологии, генетики. Источники авторитетные, особенно учитывая их молодость. Ведь исследования гипотезы о мире РНК, начали проводиться в конце двадцатого века. Огромный вклад в теорию внёс Карл Ричард Вёзе.
Учение Чарльза Дарвина
Говоря о происхождении видов, невозможно не упомянуть такого поистине гениального человека, как Чарльз Дарвин. Работа его жизни – естественный отбор, положила начало массовым атеистическим движениям. С другой стороны, дала небывалый толчок науке, неисчерпаемую почву для исследований и экспериментов. Суть учения заключалась в выживании видов на протяжении всей истории, путём приспособления организмов к местным условиям, образование новых признаков, помогающих в условиях конкуренции.
Под эволюцией подразумевают некоторые процессы, направленные к изменению жизни организма и самого организма с течением времени. Под наследственными же чертами, подразумевают передачу поведенческой, генетической, или же другого рода информации (передачей от материнского к дочернему.)
Основными силами движения эволюции, по Дарвину является борьба за право на существование, путём отбора и изменчивости видов. Под влиянием Дарвиновских идей, в начале двадцатого века, активно проводились исследования по части экологии, а также генетики. В корне изменялось преподавание зоологии.
Творение Бога
Многие люди со всего земного шара до сих пор исповедуют веру в Бога. Креационизм является толкованием образования жизни на Земле. Толкование состоит из системы утверждений, основанных на библии, и рассматривает жизнь, как созданное богом-творцом существо. Данные берутся из “Ветхого завета”, “Евангелия” и прочих священных писаний.
Интерпретации создания жизни в разных религиях в чём-то схожи. Ориентируясь по библии, Земля была сотворена за семь дней. Небо, светило небесное, вода и тому подобное, создавалось пять дней. На шестой Бог сотворил Адама из глины. Увидев скучающего, одинокого человека, Бог решил сотворить ещё одно чудо. Взяв ребро Адама, он создал Еву. Седьмой день признавался выходным.
Жили Адам с Евой без бед, до тех пор, пока злорадный дьявол в образе змеи не решил искусить Еву. Ведь посреди рая стояло дерево познания добра и зла. Первая матерь предложила Адаму разделить трапезу, тем самым нарушив слово, данное Богу (он запретил трогать запретные плоды.)
Первые люди изгоняются в наш мир, тем самым начиная историю всего человечества и жизни на Земле.
По современным представлениям, жизнь на Земле зародилась более 3,5 миллиардов лет назад. Это была совсем не та планета, которую мы знаем сегодня: раскалённый каменистый шар без кислорода, сотрясаемый бурной деятельностью молодых вулканов, над которым с сумасшедшей скоростью проносилось солнце и звёзды – ведь сутки длились всего около 6 часов. Теорий о происхождении первых форм жизни, а затем и более сложных, существует великое множество – включая разумный замысел. Мы же ознакомимся с основными научными идеями, понимание которых так же позволяет нам предполагать, где и при каких условиях может существовать внеземная жизнь.
Панспермия
Панспермия (от греч. «смесь» и «семя») – очень авторитетная в наше время теория о появлении жизни на Земле в результате переноса «зародышей жизни» с других планет. Эту гипотезу выдвинул немецкий учёный Г. Рихтер в 1865 году, который имел в виду перенос спор микроорганизмов либо метеоритами, либо под действием давления света. Позже была открыта космическая радиация, которая действует на живые организмы не менее губительно, чем распад урана. И теория панспермии «припадала пылью» вплоть до первого полёта на Луну – когда на прилунившемся зонде «Сервейер-3» всё-таки были найдены живые микроорганизмы с Земли, которые благополучно пережили продолжительный полёт в открытом космосе.
В 2006 году было обнаружено присутствие в кометном веществе как воды, так и простейших органических соединений. Забавно, но это означает, что маленький метеорит со светящимся шлейфом, который приближается к гораздо большему шару планеты, - это нечто вроде космического аналога женской и мужской половых клеток, вместе дающих начало новой жизни.
Часть последователей панспермии полагает, что обмен бактериями произошёл между Землёй и Марсом в тот период, когда Красная планета ещё процветала и была частично покрыта океанами. Причём совсем не обязательно этому послужили метеориты – возможно, бактерии сюда завезли разумные посетители (но это уже отдельная тема). Но даже если такие события имели место в истории – мы вынуждены будем разгадывать, откуда жизнь взялась на другой планете.
Электричество и первичный бульон
Известный эксперимент Миллера-Урея в 1953 году доказал, что электрические искры могут генерировать основу жизни - аминокислоты и сахарозу – при наличии в атмосфере воды, метана, аммиака и водорода. Это значит, что обычные молнии могли создать основные строительные блоки жизни на древней Земле, называемые первичным бульоном. Этот термин ввёл в 1924 году советский биолог Опарин. Согласно его теории, этот «супчик» возник около 4 миллиардов лет назад в мелких водоёмах планеты под воздействием электрических разрядов, космического излучения и высокой температуры жидкости. Сначала в его составе преобладали нуклеотиды, полипептиды, азотистые основания и аминокислоты. Затем на протяжении миллионов лет в первичном бульоне формировались более сложные молекулы, пока не образовали простейшие одноклеточные организмы – бактерии.
Глиняная жизнь
Если верить религиозным источникам, Адам был создан из праха земного, а в Коране и у некоторых народов (например, японцев), боги слепили людей из глины. По мнению химика-органика Александра Грэм Кернс-Смит из Университета Глазго в Шотландии, это может быть не простой аллегорией: первые молекулы жизни могли образоваться именно на глине. Первоначально примитивные углеродные соединения не имели ДНК, а значит, не могли воспроизводить себе подобных – «размножение» могло быть стимулировано только источниками из внешней среды.
Таким источником могла быть глинистая порода, которая являет собой не просто некую массу земли – это организованная, упорядоченная последовательность молекул. Глиняная поверхность могла не только концентрировать и объединять органические соединения, но на микроскопическом уровне организовывать их в структуры, действуя наподобие генома. Со временем органические молекулы «запомнили» эту последовательность и научились самоорганизовываться. Впоследствии они усложнялись: у них появился прототип ДНК, РНК и других нуклеиновых кислот.
Жизнь из океанов
«Теория подводных гидротермальных источников» предполагает, что жизнь могла зародиться у истоков подводных вулканов, которые выбрасывали сквозь трещины в океаническом дне богатые водородом молекулы и много тепла. Эти молекулы объединялись на поверхности скал, которые обеспечивали минеральные катализаторы для новых химических реакций.
Так родились бактерии, образовавшие всемирно известную геологическую диковинку - строматолиты (от «строматос» - ковер и «литос» - камень). В окаменевшем виде эти образования сохранились до сих пор. А подводные источники такого типа в наше время продолжают играть важную роль в поддержании разнообразных морских экосистем.
Холод – катализатор эволюции
Кто бы из учёных ни был прав, но простые одноклеточные бактерии всё-таки заселили планету – и в таком виде они неизменно существовали на протяжении более миллиарда лет. Затем произошёл невероятно быстрый по меркам эволюции взрыв – начали развиваться гораздо более сложные формы жизни, которые освоили сначала океаны, а затем сушу, почвы и, наконец, воздух. Не так давно учёные сумели разобраться, что стало толчком для решающих перемен. Им оказался самый мощный ледниковый период за всю историю Земли, который наступил около 3 миллиардов лет назад. Планета была полностью покрыта льдом толщиной до одного километра – специалисты назвали это явление «Земля-снежок» (вроде тех, в которые играют дети).
Условия жизни для простейших микроорганизмов резко изменились – но, с другой стороны, под толщей льда выносливым бактериям-экстримофилам пришлось адаптироваться! Именно в этот «инкубаторный» период произошло первичное разделение бактерий по способам выживания: одни из них научились получать энергию из солнечного света, другие черпали силы, перерабатывая растворённые в воде вещества. Это положило начало царствам живой природы – первые в будущем станут растениями и одноклеточными фотосинтезирующими животными, вторые – многоклеточными животными и грибами.
Но однажды горячие вулканы снова пробудились, и выплеснули в атмосферу огромное количество углекислого газа, который стал причиной мощного парникового эффекта. Планета согрелась, льды растаяли и выпустили на волю «повзрослевшие» бактерии. Процесс фотосинтеза, происходящий в цианобактериях (сине-зелёных водорослях), дал новую реакцию - и атмосфера в короткие сроки насытилась кислородом. А попавшие в океан обломки минеральных пород, принесённых ледником, дали новые варианты химических реакций. Это, как уже становится понятно, позволило эволюционировать животным. Вскоре, вместо разделения бактерий на две новых, они начали делиться без ухода в «вольное плавание», и образовывать первые многоклеточные структуры. Примером могут служить древнейшие многоклеточные животные без нервной, кровяной и пищеварительной систем – морские губки.
Согласно с этой теорией, жизнь вполне вероятна под толстым слоем льда на одном из спутников Юпитера – в скрытых от космических зондов холодных океанах Европы. Группа исследователей из NASA так же установила, что под льдами спутника присутствует геотермальная активность. Поэтому вполне возможно, что Европа повторяет наш собственный путь, и когда наше солнце начнёт стареть и станет ярче, эволюция тоже возьмёт верх над вечным холодом.
Жизнь - величайшее чудо, которое только существует на нашей планете. Проблемы ее изучения в настоящее время занимают не только биологов, но также физиков, математиков, философов и прочих ученых. Конечно же, наиболее сложная загадка - само зарождение жизни на Земле.
До сих пор исследователи спорят о том, как же это произошло. Как ни странно, но немалый вклад в изучение данного феномена внесла философия: эта наука позволяет делать правильные выводы, обобщая огромные объемы информации. Какими версиями сегодня руководствуются ученые во всем мире? Вот какие в настоящее время существуют теории зарождения жизни на Земле:
- Концепция самопроизвольного зарождения.
- Креационизм, или теория божественного сотворения.
- Принцип стационарного состояния.
- Панспермия, сторонники которой утверждают о естественной «продуктивности» любой планеты, где существуют подходящие условия. В частности, эту идею в свое время развивал небезызвестный академик Вернадский.
- Биохимическая эволюция по А. И. Опарину.
Рассмотрим все эти теории зарождения жизни на Земле несколько более подробно.
Материализм и идеализм
Еще в Средние Века и ранее, в арабском мире, некоторые ученые, пусть даже с риском для собственной жизни, предполагали, что мир мог быть создан в результате каких-то природных процессов, без участия божественной сущности. Это были первые материалисты. Соответственно, все прочие точки зрения, которые предусматривали Божественное вмешательство в создание всего сущего, относились к идеалистическим. Соответственно, и зарождение жизни на Земле вполне возможно рассматривать с этих двух позиций.
Креационисты утверждают, что жизнь могла быть создана только Богом, в то время как материалисты продвигают теорию появления первых органических соединений и жизни из неорганических веществ. Их версия базируется на сложности или невозможности понимания тех процессов, результатом которых стала жизнь в современном ее виде. Интересно, но современная Церковь эту гипотезу поддерживает только частично. С точки зрения наиболее дружественных к ученым деятелей, основной Замысел Творца понять и правда невозможно, зато мы можем определить явления и процессы, благодаря которым возникла жизнь. Впрочем, от истинно научного подхода это все равно очень далеко.
В настоящее время превалирует точка зрения материалистов. Впрочем, они далеко не всегда выдвигали современные теории происхождения жизни. Так, изначально была популярна гипотеза о том, что зарождение и эволюция жизни на Земле произошли спонтанно, причем сторонники этого феномена встречались еще в начале 19-го века.
Сторонники данной концепции утверждали, что существуют некие законы естественной природы, которые обуславливают возможность произвольного перехода неорганических соединений в органические с последующим произвольным же формированием жизни. Сюда же относится и теория о создании «гомункула», искусственного человека. Вообще самопроизвольное зарождение жизни на Земле до сих пор рассматривается кое-какими «специалистами» всерьез… Хорошо хоть, что говорят они о бактериях и вирусах.
Конечно, впоследствии была доказана ошибочность такого подхода, но он сыграл важную роль, дав огромный объем ценного эмпирического материала. Заметим, что окончательный отказ от версии самостоятельного зарождения жизни произошел только в середине XIX века. В принципе, невозможность такого процесса была доказана еще Луи Пастером. За это ученый даже получил немалую премию от Французской Академии наук. Вскоре на передний план выдвигаются основные теории зарождения жизни на Земле, которые мы опишем ниже.
Теория академика Опарина
Современные представления о зарождении жизни на Земле базируются на теории, которая была выдвинута отечественным исследователем, академиком Опариным, еще в 1924 году. Он опроверг принцип Реди, который говорил о возможности только лишь биогенного синтеза органических веществ, указав, что эта концепция справедлива только для современного положения дел. Ученый указал на то, что в самом начале своего существования наша планета представляла собой гигантский каменистый шар, на котором в принципе не было органики.
Гипотеза Опарина состояла в том, что зарождение жизни на планете Земля - продолжительный биохимический процесс, сырьем для которого служат обычные соединения, которые могут встречаться на любой планете. Академик предположил, что переход этих веществ в более сложные оказался возможен под воздействием экстремально сильных физических и химических факторов. Опарин впервые выдвинул гипотезу о непрерывном превращении и взаимодействии органических и неорганических соединений. Он назвал его «биохимической эволюцией». Ниже приведены основные этапы зарождения жизни на Земле по Опарину.
Этап химической эволюции
Около четырех миллиардов лет тому назад, когда наша планета представляла собой огромный и безжизненный камень в глубинах космоса, на ее поверхности уже шел процесс небиологического синтеза углеродистых соединений. В этот период вулканы выбрасывали титаническое количество лавы и раскаленных газов. Остывая в первичной атмосфере, газы превращались в облака, из которых беспрестанно шли ливневые дожди. Все эти процессы протекали на протяжении миллионов лет. Но, позвольте, когда же началось зарождение жизни на Земле?
В то же самое время ливни дали начало огромным первичным океанам, воды которых были чрезвычайно насыщены солями. Туда же попадали первые органические соединения, образование которых шло в атмосфере под действием сильнейших электрических разрядов и УФ-облучения. Постепенно их концентрация увеличивалась, пока моря не превратились в этакий «бульон», насыщенный пептидами. А вот что произошло дальше и как из этого «супа» возникли первые клетки?
Образование белковых соединений, жиров и углеводов
И только на втором этапе в «бульоне» появляются истинные белки и прочие соединения, из которых построена жизнь. Условия на Земле смягчались, появлялись углеводы, белки и жиры, первые биополимеры, нуклеотиды. Так шло образование коацерватных капель, которые были прообразом настоящих клеток. Грубо говоря, так назывались капли из белков, жиров, углеводов (как в супе). Эти образования могли впитывать, поглощать те вещества, которые были растворены в водах первичных океанов. В то же время шла своеобразная эволюция, итогом которой стали капли, обладающие повышенной устойчивостью и стабильностью к воздействиям внешней среды.
Появление первых клеток
Собственно, на третьем этапе это аморфное образование превращалось в нечто более «осмысленное». То есть в живую клетку, способную к процессу самовоспроизводства. Естественный отбор капель, о котором мы уже говорили выше, становился все более жестким. Первые «продвинутые» коацерваты уже имели пусть примитивный, но метаболизм. Ученые предполагают, что капля, достигнув определенного размера, распадалась на более мелкие образования, которые обладали всеми чертами материнской «клетки».
Постепенно вокруг ядра коацервата возникал слой липидов, давший начало полноценной клеточной мембране. Так образовались первичные клетки, археклетки. Именно этот момент с полным на то правом можно рассматривать как зарождение жизни на Земле.
Реален ли небиологический синтез органики?
Что касается гипотезы зарождения жизни на Земле от Опарина… У многих сразу возникает вопрос: «Насколько вообще реально образование в природных условиях органики из неорганики?» Такие мысли посещали многих исследователей!
В 1953 году американский ученый Миллер смоделировал первичную атмосферу Земли, с ее невероятными температурами и электрическими разрядами. В эту среду были помещены простые неорганические соединения. В результате там образовалась уксусная и муравьиная кислоты, прочие органические соединения. Вот так происходило зарождение жизни на Земле. Кратко этот процесс может охарактеризовать философский закон «Перехода количества в качество». Проще говоря, при накоплении определенного количества белков и прочих веществ в первичном океане эти соединения приобретают другие свойства и способность к самоорганизации.
Сильные и слабые стороны теории Опарина
У рассмотренной нами концепции есть не только сильные, но и слабые моменты. Сильной стороной теории является ее логика и экспериментальное подтверждение абиотического синтеза органических соединений. В принципе, так могло произойти зарождение и развитие жизни на Земле. Огромной же слабостью является тот факт, что пока никто не может объяснить, как же коацерваты смогли переродиться в сложную биологическую структуру. Даже сторонники теории признают, что переход от белково-жировой капли к полноценной клетке весьма сомнителен. Вероятно, мы что-то упускаем, не принимая во внимание неизвестные нам факторы. В настоящее время все ученые признают, что имел место какой-то резкий скачок, в результате которого стала возможной самоорганизация вещества. Как вообще такое могло произойти? Пока неясно… Какие еще существуют основные теории зарождения жизни на Земле?
Теория панспермии и стационарного состояния
Как мы уже говорили, в свое время эту версию горячо поддерживал и «продвигал» знаменитый академик Вернадский. В общем-то, теорию панспермии нельзя обсуждать в отрыве от концепции стационарного состояния, так как они рассматривают принцип зарождения жизни с одной и той же точки зрения. Следует знать, что впервые данную концепцию предложил еще немец Рихтер в конце 19 века. В 1907 году его поддержал шведский исследователь Аррениус.
Ученые, которые придерживаются этой концепции, считают, что во Вселенной жизнь попросту существовала и будет существовать всегда. С планеты на планету она переносится при помощи комет и метеоритов, которые играют роль своеобразных «семян». Недостаток такой теории в том, что сама Вселенная, как предполагают, образовалась примерно 15-25 миллиардов лет тому назад. На «Вечность» это никак не похоже. Учитывая же то, что потенциально пригодных для образования жизни планет во много крат меньше обычных каменистых планетоидов, вполне закономерным можно считать возникновение вопроса: «Когда и где образовалась жизнь и как она с такой скоростью распространилась по Вселенной, учитывая нереальные расстояния?»
Следует помнить, что возраст нашей планеты - не более 5 миллиардов лет. Кометы и астероиды летят намного медленнее скорости света, так что им могло бы просто не хватить времени для занесения «семян» жизни на Землю. Сторонники панспермии предполагают, что некие семена (споры микроорганизмов, к примеру) переносятся «на световых лучах» с соответствующей скоростью… Вот только десятилетия работы космических аппаратов позволили доказать, что в космосе довольно-таки мало свободных частиц. Слишком уж мала вероятность такого способа распространения живых организмов.
Некоторые исследователи сегодня предполагают, что на любой планете, которая подходит для жизни, в конце концов могут образоваться белковые тела, но механизм этого процесса нам неизвестен. Другие ученые говорят, что во Вселенной, быть может, существуют какие-то «колыбели», планеты, на которых может образовываться жизнь. Звучит, конечно, как какая-то научная фантастика… Впрочем, как знать. В последние годы у нас и за рубежом постепенно стала оформляться теория, положения которой гласят об изначально закодированной в атомах веществ информации…
Якобы эти данные и дают тот самый толчок, который приводит к превращению простейших коацерватов в археклетки. Если рассуждать логически, то это - та же теория самопроизвольного зарождения жизни на Земле! Вообще, концепцию панспермии сложно считать завершенным научным тезисом. Ее сторонники только лишь могут сказать, что на Землю жизнь была занесена с других планет. Но как она образовалась там? На это ответа нет.
«Подарок» с Марса?
Сегодня доподлинно известно, что на Красной планете действительно была вода и были все условия, благоприятствующие развитию белковой жизни. Данные, которые это подтверждают, были получены благодаря работе на поверхности сразу двух спускаемых аппаратов: Spirit и Curiosity. Но до сих пор ученые с жаром спорят: а была ли там жизнь? Дело в том, что информация, полученная с тех же марсоходов, говорит о кратковременном (в геологическом аспекте) существовании воды на этой планете. Насколько высока вероятность того, что там в принципе успели развиться полноценные белковые организмы? Опять-таки, ответа на этот вопрос нет. Опять-таки, даже если жизнь попала на нашу планету с Марса, это никак не объясняет процесс ее развития там (о чем мы уже писали).
Итак, мы рассмотрели основные концепции зарождения жизни на Земле. Какие из них абсолютно верные, неизвестно. Проблема еще и в том, что пока нет ни одного экспериментально подтвержденного теста, который бы мог подтвердить или опровергнуть хотя бы концепцию Опарина, не говоря уже про другие тезисы. Да, мы можем без особых проблем синтезировать белок, но белковую жизнь получить не можем. Так что работы ученым припасено еще на долгие десятилетия вперед.
Есть и другая проблема. Дело в том, что мы усиленно ищем жизнь, основанную на углероде, и пытаемся понять, как именно она возникла. А что, если понятие жизни куда шире? Что, если основана она может быть на кремнии? В принципе, такая точка зрения не противоречит положениям химии и биологии. Так что на пути поиска ответов нас встречают все новые и новые вопросы. В настоящее время ученые выдвинули несколько основополагающих тезисов, руководствуясь которыми, люди ищут потенциально обитаемые планеты. Вот они:
- Планета должна обращаться в так называемой «зоне комфорта» вокруг звезды: на ее поверхности не должно быть ни слишком жарко, ни слишком холодно. В принципе, хотя бы одна-две планеты в каждой звездной системе этому требованию отвечают (Земля и Марс, в частности).
- Масса такого тела должна быть средней (в пределах полутора размеров Земли). Слишком большие планеты или имеют нереально высокую силу тяжести, или представляют собой газовые гиганты.
- Более-менее высокоорганизованная жизнь может существовать только близ достаточно старых звезд (не менее трех-четырех миллиардов лет).
- Звезда не должна серьезно менять своих параметров. Искать жизнь около белых карликов или красных гигантов бесполезно: если она там и была, то уже давно погибла из-за крайне неблагоприятных условий среды.
- Желательно, чтобы звездная система была одинарной. В принципе, современные исследователи возражают против этого тезиса. Вполне возможно, что двойная система с двумя звездами, расположенными в противоположных концах, может содержать даже больше потенциально обитаемых планет. Более того, сегодня все больше говорят о том, что где-то на окраинах Солнечной системы есть газово-пылевое облако, предтеча так и не рожденного второго Солнца.
Итоговые выводы
Итак, что можно сказать в заключение? Во-первых, нам экстренно не хватает данных о точных условиях среды на только что возникшей Земле. Чтобы получить эти сведения, в идеале следует пронаблюдать за развитием планеты, которая аналогична нашей по прочим показателям. Кроме того, исследователи до сих пор затрудняются сказать, какие именно факторы стимулируют переход архекапель коацерватов в полноценные клетки. Быть может, дальнейшие углубленные исследования генома живых существ дадут какие-то ответы.
Вопрос происхождения жизни на Земле — один из самых сложных вопросов современного естествознания, на который до настоящего времени нет однозначного ответа.
Существует несколько теорий происхождения жизни на Земле, наиболее известные из которых:
- теория самопроизвольного (спонтанного) зарождения;
- теория креационизма (или сотворения);
- теория стационарного состояния;
- теория панспермии;
- теория биохимической эволюции (теория А.И. Опарина).
Рассмотрим основные положения этих теорий.
Теория самопроизвольного (спонтанного) зарождения
Теория самопроизвольного зарождения жизни была широко распространена в Древнем мире — Вавилоне, Китае, Древнем Египте и Древней Греции (этой теории придерживался, в частности, Аристотель).
Ученые Древнего мира и средневековой Европы верили в то, что живые существа постоянно возникают из неживой материи: черви — из грязи, лягушки — из тины, светлячки — из утренней росы и т.п. Так, известный голландский ученый 17 в. Ван-Гельмонт совершенно серьезно описывал в своем научном трактате опыт, в котором он за 3 недели получил в запертом темном шкафу мышей непосредственно из грязной рубашки и горсти пшеницы. Впервые широко распространенную теорию решился подвергнуть экспериментальной проверке итальянский ученый Франческо Реди (1688). Он поместил несколько кусков мяса в сосуды и часть из них закрыл кисеей. В открытых сосудах на поверхности гниющего мяса появились белые червячки — личинки мух. В сосудах же, прикрытых кисеей, личинки мух отсутствовали. Таким образом Ф. Реди удалось доказать, что личинки мух появляются не из гниющего мяса, а из яиц, отложенных мухами на его поверхность.
В 1765 г. известный итальянский ученый и врач Ладзаро Спаланцани прокипятил в запаянных стеклянных колбах мясные и овощные бульоны. Бульоны в запаянных колбах не портились. Он сделал вывод, что под действием высокой температуры погибли все живые существа, способные вызывать порчу бульона. Однако опыты Ф. Реди и Л. Спаланцани убедили далеко не всех. Ученые-виталисты (от лат.vita - жизнь) считали, что в прокипяченном бульоне не происходит самозарождения живых существ, так как в нем разрушается особая «жизненная сила», которая не может проникнуть в запаянный сосуд, поскольку переносится по воздуху.
Споры но поводу возможности самозарождения жизни активизировались в связи с открытием микроорганизмов. Если сложные живые существа не могут самозарождаться, возможно, это могут микроорганизмы?
В связи с этим в 1859 г. французская Академия объявила о присуждении премии тому, кто окончательно решит вопрос о возможности или невозможности самозарождения жизни. Эту премию получил в 1862 г. знаменитый французский химик и микробиолог Луи Пастер. Так же как Спаланцани, он прокипятил питательный бульон в стеклянной колбе, но колба была не обычная, а с горлышком в виде 5-образной трубки. Воздух, а следовательно и «жизненная сила», могли проникать в колбу, но пыль, а вместе с нею и микроорганизмы, присутствующие в воздухе, оседали в нижнем колене 5-образной трубки, и бульон в колбе оставался стерильным (рис. 1). Однако стоило сломать горло колбы или ополоснуть стерильным бульоном нижнее колено 5-образной трубки, как бульон начинал быстро мутнеть — в нем появлялись микроорганизмы.
Таким образом, благодаря работам Луи Пастера теория самозарождения была признана несостоятельной и в научном мире утвердилась теория биогенеза, краткая формулировка которой — «все живое — от живого».
Рис. 1. Пастеровская колба
Однако, если все живые организмы в исторически обозримый период развития человечества происходят только от других живых организмов, естественно возникает вопрос: когда и каким образом появились на Земле первые живые организмы?
Теория креационизма
Теория креационизма предполагает, что все живые организмы (либо только простейшие их формы) были в определенный период времени сотворены («сконструированы») неким сверхъестественным существом (божеством, абсолютной идеей, сверхразумом, сверхцивилизацией и т.п.). Очевидно, что именно этой точки зрения с глубокой древности придерживались последователи большинства ведущих религий мира, в частности христианской религии.
Теория креационизма и в настоящее время достаточно широко распространена, причем не только в религиозных, но и в научных кругах. Обычно ее используют для объяснения наиболее сложных, не имеющих на сегодняшний день решения вопросов биохимической и биологической эволюции, связанных с возникновением белков и нуклеиновых кислот, формированием механизма взаимодействия между ними, возникновением и формированием отдельных сложных органелл или органов (таких, как рибосома, глаз или мозг). Актами периодическою «сотворения» объясняется и отсутствие четких переходных звеньев от одного типа животных
к другому, например от червей к членистоногим, от обезьяны к человеку и т.п. Необходимо подчеркнуть, что философский спор о первичности сознания (сверхразума, абсолютной идеи, божества) либо материи принципиально не разрешим, однако, поскольку попытка объяснить любые трудности современной биохимии и эволюционной теории принципиально непостижимыми сверхъестественными актами творения выводит эти вопросы за рамки научных исследований, теорию креационизма нельзя отнести к разряду научных теорий происхождения жизни на Земле.
Теории стационарного состояния и панспермии
Обе эти теории представляют собой взаимодополняющие элементы единой картины мира, сущность которой заключается в следующем: вселенная существует вечно и в ней вечно существует жизнь (стационарное состояние). Жизнь переносится с планеты на планету путешествующими в космическом пространстве «семенами жизни», которые могут входить в состав комет и метеоритов (панспермия). Подобных взглядов на происхождение жизни придерживался, в частности, основоположник учения о биосфере академик В.И. Вернадский.
Однако теория стационарного состояния, предполагающая бесконечно долгое существование вселенной, не согласуется с данными современной астрофизики, согласно которым вселенная возникла сравнительно недавно (около 16 млрд лет т.н.) путем первичного взрыва.
Очевидно, что обе теории (панспермии и стационарного состояния) вообще не предлагают объяснения механизма первичного возникновения жизни, перенося его на другие планеты (панспермия) либо отодвигая по времени в бесконечность (теория стационарного состояния).
Теория биохимической эволюции (теория А.И. Опарина)
Из всех теорий происхождения жизни наиболее распространенной и признанной в научном мире является теория биохимической эволюции, предложенная в 1924 г. советским биохимиком академиком А.И. Опариным (в 1936 г. он подробно изложил ее в своей книге «Возникновение жизни»).
Сущность этой теории состоит в том, что биологической эволюции — т.е. появлению, развитию и усложнению различных форм живых организмов, предшествовала химическая эволюция — длительный период в истории Земли, связанный с появлением, усложнением и совершенствованием взаимодействия между элементарными единицами, «кирпичиками», из которых состоит все живое — органическими молекулами.
Предбиологическая (химическая) эволюция
По мнению большинства ученых (в первую очередь астрономов и геологов), Земля сформировалась как небесное тело около 5 млрд лет т.н. путем конденсации частиц вращавшегося вокруг Солнца газопылевого облака.
Под влиянием сил сжатия частицы, из которых формируется Земля, выделяют огромное количество тепла. В недрах Земли начинаются термоядерные реакции. В результате Земля сильно разогревается. Таким образом, 5 млрд лет т.н. Земля представляла собой несущийся в космическом пространстве раскаленный шар, температура поверхности которою достигала 4000-8000°С (смеха. 2).
Постепенно, за счет излучения тепловой энергии в космическое пространство, Земля начинает остывать. Около 4 млрд лет т.н. Земля остывает настолько, что на ее поверхности формируется твердая кора; одновременно из ее недр вырываются легкие, газообразные вещества, поднимающиеся вверх и формирующие первичную атмосферу. По составу первичная атмосфера существенно отличалась от современной. Свободный кислород в атмосфере древней Земли, по-видимому, отсутствовал, а в ее состав входили вещества в восстановленном состоянии, такие, как водород (Н 2), метан (СН 4), аммиак (NH 3), пары воды (Н 2 О), а возможно, также азот (N 2), окись и двуокись углерода (СО и С0 2).
Восстановительный характер первичной атмосферы Земли чрезвычайно важен для зарождения жизни, поскольку вещества в восстановленном состоянии обладают высокой реакционной способностью и в определенных условиях способны взаимодействовать друг с другом, образуя органические молекулы. Отсутствие в атмосфере первичной Земли свободного кислорода (практически весь кислород Земли был связан в виде окислов) также является важной предпосылкой возникновения жизни, поскольку кислород легко окисляет и тем самым разрушает органические соединения. Поэтому при наличии в атмосфере свободного кислорода накопление на древней Земле значительного количества органических веществ было бы невозможно.
Около 5 млрд лет т.п. — возникновение Земли как небесного тела; температура поверхности — 4000-8000°С
Около 4 млрд лет т.н. - формирование земной коры и первичной атмосферы
При температуре 1000°С — в первичной атмосфере начинается синтез простых органических молекул
Энергию для синтеза дают:
Температура первичной атмосферы ниже 100°С — формирование первичного океана -
Синтез сложных органических молекул — биополимеров из простых органических молекул:
- простые органические молекулы — мономеры
- сложные органические молекулы — биополимеры
Схема. 2. Основные этапы химической эволюции
Когда температура первичной атмосферы достигает 1000°С, в ней начинается синтез простых органических молекул, таких, как аминокислоты, нуклеотиды, жирные кислоты, простые сахара, многоатомные спирты, органические кислоты и др. Энергию для синтеза поставляют грозовые разряды, вулканическая деятельность, жесткое космическое излучение и, наконец, ультрафиолетовое излучение Солнца, от которого Земля еще не защищена озоновым экраном, причем именно ультрафиолетовое излучение ученые считают основным источником энергии для абиогенного (т.е. проходящею без участия живых организмов) синтеза органических веществ.
Признанию и широкому распространению теории А.И. Опарина во многом способствовало то, что процессы абиогенного синтеза органических молекул легко воспроизводятся в модельных экспериментах.
Возможность синтеза органических веществ из неорганических была известна с начала 19 в. Уже в 1828 г. выдающийся немецкий химик Ф. Вёлер синтезировал органическое вещество — мочевину из неорганическою — циановокислого аммония. Однако возможность абиогенного синтеза органических веществ в условиях, близких к условиям древней Земли, была впервые показана в опыте С. Миллера.
В 1953 г. молодой американский исследователь, студент- дипломник Чикагского университета Стенли Миллер воспроизвел в стеклянной колбе с впаянными в нес электродами первичную атмосферу Земли, которая, по мнению ученых того времени, состояла из водорода метана СН 4 , аммиака NH, и паров воды Н 2 0 (рис. 3). Через эту газовую смесь С. Миллер в течение недели пропускал электрические разряды, имитирующие грозовые. По окончании эксперимента в колбе были обнаружены α-аминокислоты (глицин, аланин, аспарагин, глутамин), органические кислоты (янтарная, молочная, уксусная, гликоколовая), у-оксимасляная кислота и мочевина. При повторении опыта С. Миллеру удалось получить отдельные нуклеотиды и короткие полинуклеотидные цепочки из пяти-шести звеньев.
Рис. 3. Установка С. Миллера
В дальнейших опытах по абиогенному синтезу, проводимых различными исследователями, использовались не только электрические разряды, но и другие виды энергии, характерные для древней Земли, — космическое, ультрафиолетовое и радиоактивное излучения, высокие температуры, присущие вулканической деятельности, а также разнообразные варианты газовых смеси, имитирующих первичную атмосферу. В результате был получен практически весь спектр органических молекул, характерных для живого: аминокислоты, нуклеотиды, жироподобные вещества, простые сахара, органические кислоты.
Более того, абиогенный синтез органических молекул может происходить на Земле и в настоящее время (например, в процессе вулканической деятельности). При этом в вулканических выбросах можно обнаружить не только синильную кислоту HCN, являющуюся предшественником аминокислот и нуклеотидов, но и отдельные аминокислоты, нуклеотиды и даже такие сложные по строению органические вещества, как порфирины. Абиогенный синтез органических веществ возможен не только на Земле, но и в космическом пространстве. Простейшие аминокислоты обнаружены в составе метеоритов и комет.
Когда температура первичной атмосферы опустилась ниже 100°С, на Землю обрушились горячие дожди и появился первичный океан. С потоками дождя в первичный океан поступали абиогенно синтезированные органические вещества, что превратило его, но образному выражению английского биохимика Джона Холдейна, в разбавленный «первичный бульон». По-видимому, именно в первичном океане начинаются процессы образования из простых органических молекул — мономеров сложных органических молекул — биополимеров (см. рис. 2).
Однако процессы полимеризации отдельных нуклеогидов, аминокислот и Сахаров — это реакции конденсации, они протекают с отщеплением воды, следовательно, водная среда способствует не полимеризации, а, напротив, гидролизу биополимеров (т.е. разрушению их с присоединением воды).
Образование биополимеров (в частности, белков из аминокислот) могло происходить в атмосфере при температуре около 180°С, откуда они смывались в первичный океан с атмосферными осадками. Кроме того, возможно, на древней Земле аминокислоты концентрировались в пересыхающих водоемах и полимеризовались в сухом виде под действием ультрафиолетового света и тепла лавовых потоков.
Несмотря на то что вода способствует гидролизу биополимеров, в живой клетке синтез биополимеров осуществляется именно в водной среде. Этот процесс катализируют особые белки-катализаторы — ферменты, а необходимая для синтеза энергия выделяется при распаде аденозинтрифосфорной кислоты — АТФ. Возможно, синтез биополимеров в водной среде первичного океана катализировался поверхностью некоторых минералов. Экспериментально показано, что раствор аминокислоты аланина может полимеризоваться в водной среде в присутствии особого вида глинозема. При этом образуется пептид полиаланин. Реакция полимеризации аланина сопровождается распадом АТФ.
Полимеризация нуклеотидов проходит легче, чем полимеризация аминокислот. Показано, что в растворах с высокой концентрацией солей отдельные нуклеотиды самопроизвольно полимеризуются, превращаясь в нуклеиновые кислоты.
Жизнь всех современных живых существ — это процесс непрерывного взаимодействия важнейших биополимеров живой клетки — белков и нуклеиновых кислот.
Белки — это «молекулы-рабочие», «молекулы-инженеры» живой клетки. Характеризуя их роль в обмене веществ, биохимики часто используют такие образные выражения, как «белок работает», «фермент ведет реакцию». Важнейшая функция белков- каталитическая . Как известно, катализаторы — это вещества, которые ускоряют химические реакции, но сами в конечные продукты реакции не входят. Бачки-катализаторы называются ферментами. Ферменты в согни и тысячи раз ускоряют реакции обмена веществ. Обмен веществ, а значит, и жизнь без них невозможны.
Нуклеиновые кислоты — это «молекулы-компьютеры», молекулы — хранители наследственной информации. Нуклеиновые кислоты хранят информацию не обо всех веществах живой клетки, а только о белках. Достаточно воспроизвести в дочерней клетке белки, свойственные материнской клетке, чтобы они точно воссоздали все химические и структурные особенности материнской клетки, а также свойственный ей характер и темпы обмена веществ. Сами нуклеиновые кислоты также воспроизводятся благодаря каталитической активности белков.
Таким образом, тайна зарождения жизни — это тайна возникновения механизма взаимодействия белков и нуклеиновых кислот. Какими же сведениями об этом процессе располагает современная наука? Какие молекулы явились первичной основой жизни — белки или нуклеиновые кислоты?
Ученые полагают, что несмотря на ключевую роль белков в обмене веществ современных живых организмов, первыми «живыми» молекулами были не белки, а нуклеиновые кислоты, а именно рибонуклеиновые кислоты (РНК).
В 1982 г. американский биохимик Томас Чек открыл автокаталитические свойства РНК. Он экспериментально показал, что в среде, содержащей в высокой концентрации минеральные соли, рибонуклеотиды спонтанно (самопроизвольно) полимеризуются, образуя полинуклеотиды — молекулы РНК. На исходных полинуклеотидных цепях РНК, как на матрице, путем спаривания комплементарных азотистых оснований образуются РНК-копии. Реакция матричного копирования РНК катализируется исходной молекулой РНК и не требует участия ферментов либо других белков.
Дальнейшие события достаточно хорошо объясняются процессом, который можно было бы назвать «естественным отбором» на уровне молекул. При самокопировании (самосборке) молекул РНК неизбежно возникают неточности, ошибки. Содержащие ошибки копии РНК снова копируются. При повторном копировании вновь могут возникнуть ошибки. В результате популяция молекул РНК на определенном участке первичного океана будет неоднородна.
Поскольку параллельно с процессами синтеза идут и процессы распада РНК, в реакционной среде будут накапливаться молекулы, обладающие либо большей стабильностью, либо лучшими автокаталитическими свойствами (т.е. молекулы, которые быстрее себя копируют, быстрее «размножаются»).
На некоторых молекулах РНК, как на матрице, может происходить самосборка небольших белковых фрагментов — пептидов. Вокруг молекулы РНК образуется белковый «чехол».
Наряду с автокаталитическими функциями Томас Чек обнаружил у молекул РНК и явление самосплайсинга. В результате самосплайсинга участки РНК, не защищенные пептидами, самопроизвольно удаляются из РНК (они как бы «вырезаются» и «выбрасываются»), а оставшиеся участки РНК, кодирующие белковые фрагменты, «срастаются», т.е. самопроизвольно объединяются в единую молекулу. Эта новая молекула РНК уже будет кодировать большой сложный белок (рис. 4).
По-видимому, первоначально белковые чехлы выполняли в первую очередь, защитную функцию, предохраняя РНК от разрушения и повышая тем самым ее стабильность в растворе (такова функция белковых чехлов и у простейших современных вирусов).
Очевидно, что на определенном этапе биохимической эволюции преимущество получили молекулы РНК, кодирующие не только защитные белки, но и белки-катализаторы (ферменты), резко ускоряющие скорость копирования РНК. По-видимому, именно таким образом и возник процесс взаимодействия белков и нуклеиновых кислот, который мы в настоящее время называем жизнью.
В процессе дальнейшего развития, благодаря появлению белка с функциями фермента — обратной транскриптазы, на одно- цепочечных молекулах РНК стали синтезироваться состоящие из двух цепей молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Отсутствие у дезоксирибозы ОН-группы в 2" положении делает молекулы ДНК более стабильными по отношению к гидролитическому расщеплению в слабощелочных растворах, а именно слабощелочной была реакция среды в первичных водоемах (эта реакция среды сохранилась и в цитоплазме современных клеток).
Где же происходило развитие сложного процесса взаимодействия белков и нуклеиновых кислот? По теории А.И. Опарина, местом зарождения жизни стали так называемые коацерватные капли.
Рис. 4. Гипотеза возникновения взаимодействия белков и нуклеиновых кислот: а) в процессе самокопирования РНК накапливаются ошибки (1 — нуклеотиды, соответствующие исходной РНК; 2 — нуклеотиды, не соответствующие исходной РНК, — ошибки в копировании); б) на часть молекулы РНК за счет ее физико-химических свойств «налипают» аминокислоты (3 — молекула РНК; 4 — аминокислоты), которые, взаимодействуя друг с другом, превращаются в короткие белковые молекулы — пептиды. В результате свойственного молекулам РНК самосплайсинга незащищенные пептидами участки молекулы РНК разрушаются, а оставшиеся «срастаются» в единую молекулу, кодирующую крупный белок. В результате возникает молекула РНК, покрытая белковым чехлом (сходное строение имеют и наиболее примитивные современные вирусы, например вирус табачной мозаики)
Явление коацервации состоит в том, что в некоторых условиях (например, в присутствии электролитов) высокомолекулярные вещества отделяются от раствора, но не в форме осадка, а в виде более кон центрирован но го раствора — коацервата. При встряхивании коацерват распадается на отдельные мелкие капельки. В воде такие капли покрываются стабилизирующей их гидратной оболочкой (оболочкой из молекул воды) — рис. 5.
Коацерватные капли обладают некоторым подобием обмена веществ: иод воздействием чисто физико-химических сил они могут избирательно впитывать из раствора некоторые вещества и выделять в окружающую среду продукты их распада. За счет избирательного концентрирования веществ из окружающей среды они могут расти, а но достижении определенного размера начинают «размножаться», отпочковывая маленькие капельки, которые, в свою очередь, могут расти и «почковаться».
Возникшие в результате концентрирования белковых растворов коацерватные капли в процессе перемешивания под действием волн и ветра могут покрываться оболочкой из липи- дов: одинарной, напоминающей мицеллы мыла (при однократном отрыве капли от поверхности воды, покрытой липидным слоем), либо двойной, напоминающей клеточную мембрану (при повторном падении капли, покрытой однослойной липидной мембраной, на липидную пленку, покрывающую поверхность водоема — рис. 5).
Процессы возникновения коацерватных капель, их роста и «почкования», а также «одевания» их мембраной из двойного липидного слоя легко моделируются в лабораторных условиях.
Для коацерватных капель также существует процесс «естественного отбора», при котором в растворе сохраняются наиболее стабильные капли.
Несмотря на внешнее сходство коацерватных капель с живыми клетками, у коацерватных капель отсутствует главный признак живого — способность к точному самовоспроизведению, самокопированию. Очевидно, предшественниками живых клеток явились такие коацерватные капли, в состав которых вошли комплексы молекул-репликаторов (РНК или ДНК) и кодируемых ими белков. Возможно, комплексы РНК-белок длительное время существовали вне коацерватных капель в виде так называемого «свободноживущего гена», а возможно, их формирование проходило непосредственно внутри некоторых коацерватных капель.
Возможный путь перехода от коацерватных капель к примитивным клешам:
а) образование коацервата; 6) стабилизация коацерватных капель в водном растворе; в) — формирование вокруг капли двойного липидного слоя, похожего на клеточную мембрану: 1 — коацерватная капля; 2 — мономолекулярный слой липида на поверхности водоема; 3 — формирование вокруг капли одинарного липидного слоя; 4 — формирование вокруг капли двойного липидного слоя, похожего на клеточную мембрану; г) — коацерватная капля, окруженная двойным липидным слоем, с вошедшим в ее состав белково-нуклеотидным комплексом — прообраз первой живой клетки
Исключительно сложный, не до конца понятный современной науке процесс возникновения жизни на Земле прошел с исторической точки зрения чрезвычайно быстро. Уже 3,5 млрд лет т.н. химическая эволюция завершилась появлением первых живых клеток и началась биологическая эволюция.