Сучасні гіпотези виникнення життя землі. Концепції зародження життя на землі Чи може нині виникнути життя
Нині життя Землі неспроможна виникнути абиогенным шляхом. Ще Дарвін 1871 року писав: «Але якби зараз… у якомусь – або теплому водоймищі, що містить всі необхідні солі амонію і фосфору і доступному впливу світла, тепла, електрики, хімічно утворився білок, здатні до подальших все більш складних перетворень, речовина негайно було б зруйновано та поглинено, що було неможливо у період виникнення живих істот». Життя виникло Землі абиогенным шляхом. В даний час живе походить тільки від живого (біогенне походження). Можливість повторного виникнення життя Землі виключена.
Теорія панспермії.
У 1865 р. німецький лікар Г. Ріхтер висунув гіпотезу космозоїв
(космічних зачатків) відповідно до якої життя є вічним і зачатки, що населяють світовий простірможуть переноситися з однієї планети на іншу.
Подібну гіпотезу в 1907 висунув шведський дослідник природи С. Арреніус, припустивши, що у Всесвіті вічно існують зародки життя - гіпотезу панспермії.Він описував, як із населених іншими істотами планет йдуть у світовий простір частинки речовини, порошинки та живі суперечки мікроорганізмів. Вони зберігають свою життєздатність, літаючи у просторі Всесвіту рахунок світлового тиску. Потрапляючи на планету з відповідними умовами для життя, вони починають нове життя на цій планеті. Цю гіпотезу підтримували багато, зокрема російські вчені З. П. Костичев, Л. З. Берг і П. П. Лазарєв.
Ця гіпотеза передбачає ніякого механізму пояснення первинного виникнення життя і переносить проблему інше місце Всесвіту. Лібіх вважав, що «атмосфери небесних тіл, а також космічних туманностей, що обертаються, можна вважати, як вікові сховища жвавої форми, як вічні плантації органічних зародків», звідки життя розсіюється у вигляді цих зародків у Всесвіті.
Для обґрунтування панспермії використовують наскельні малюнки із зображенням предметів, схожих на ракети чи космонавтів, чи появи НЛО. Польоти космічних апаратів зруйнували віру в існування розумного життя на планетах Сонячної системи, яка з'явилася після відкриття каналів Скіпареллі на Марсі в 1877 році.
Ловел нарахував на Марсі 700 каналів. Мережа каналів охоплювала всі материки. У 1924 році канали були сфотографовані, і більшість учених побачили у них доказ існування розумного життя. Фото 500 каналів зафіксували і сезонні зміни кольору, які підтвердили ідеї радянського астронома Г. А. Тихова про рослинність на Марсі, оскільки озера та канали мали зелений колір.
Цінна інформація про фізичні умови на Марсі була отримана радянським космічним апаратом «Марс» та американськими посадковими станціями «Вікінг – 1» та «Вікінг – 2». Так, полярні шапки, що зазнають сезонних змін, виявилися що складаються з водяної пари з домішкою мінерального пилу і з твердого двоокису вуглецю сухого льоду). Але поки що слідів життя на Марсі не знайдено.
Вивчення поверхні з борту штучних супутників дозволило припустити, що канали та річки Марса могли виникнути внаслідок розтоплення під поверхневим водяним льодом у зонах підвищеної активності або внутрішнього тепла планети, або при періодичних змінах клімату.
Наприкінці шістдесятих років ХХ століття знову зріс інтерес до гіпотез панспермії. При вивченні речовини метеоритів та комет було виявлено «попередники живого» - органічні сполуки, синильна кислота, вода, формальдегід, ціаногени.
Формальдегід виявлений у 60% випадків у 22 досліджених областях, його хмари з концентрацією приблизно 1000 молекул/див. куб. заповнюють великі простори.
У 1975 році попередники амінокислот знайдені в місячному ґрунті та метеоритах.
Концепція стаціонарного життя.
На думку В. І. Вернадського, треба говорити про одвічність життя та проявів її організмів, як ми говоримо про одвічність матеріального субстрату небесних тіл, їх теплових електричних, магнітних властивостей та їх проявів. Все живе походить від живого (принцип Реді).
Примітивні одноклітинні організми могли виникнути лише у біосфері Землі, а також у біосфері Всесвіту. На думку Вернадського, природничі науки побудовані на припущенні, що життя з її особливими якостями не бере жодної участі у житті Всесвіту. Але біосферу треба брати як ціле, як єдиний живий космічний організм (тоді й відпадає питання початку живого, про стрибку від неживого до живого).
Гіпотеза "голобіозу".
Вона стосується прообразу доклітинного предка та його здібностей.
Існують різні форми доклітинного предка - "біоїд", "біомонада", "мікросфера".
Згідно з біохіміком П. Деккером, структурну основу «біоїда» складають життєздатні нерівноважні диссипативні структури, тобто відкриття мікросистеми з ферментативним апаратом, що каталізує метаболізм «біоїда».
Ця гіпотеза трактує активність до клітинного предка в обмінно-метаболічному дусі.
В рамках гіпотези «голобіозу» моделювали біохіміки С. Фокс та К. Дозе свої біополімери, здатні до метаболізму – комплексного синтезу білків.
Головний недолік цієї гіпотези – відсутність генетичної системи за такого синтезу. Звідси перевага «молекулярного прабатька» будь-якого живого, а чи не первинної протоклітинної структури.
Гіпотеза генобіозу.
Американський учений Холдейн вважав, що первинною була структура, здатна до обміну речовин з довкіллям, А мокромолекулярна система, подібна до гена і здатна до репродукції, а тому і названим ним «голим геном». Загальне визнання дана гіпотеза отримала після відкриття РНК та ДНК та їх феноменальних властивостей.
Згідно з цією генетичною гіпотезою, на початку виникли нуклеїнові кислоти як матрична основа синтезу білків. Вперше її висунув 1929 р. Р. Меллер.
Експериментально доведено, що нескладні нуклеїнові кислоти можуть реплікуватися без ферментів. Синтез білків на рибосомах іде за участю т - РНК і р - РНК. Вони здатні будувати не просто випадкові поєднання амінокислот, а впорядковані полімери білком. Можливо, первинні рибосоми складалися лише з РНК. Такі безбілкові рибосоми могли синтезувати впорядковані пептиди за участю молекул т – РНК, які зв'язувалися з р – РНК через спарювання основ.
На наступній стадії хімічної еволюції з'явилися матриці, що визначали послідовність молекул т – РНК, а тим самим і послідовність амінокислот, що зв'язуються молекулами т – РНК. Здатність нуклеїнових кислот служити матрицями при утворенні компліментарних ланцюгів (наприклад, синтез і РНК на ДНК) - найбільш переконливий аргумент на користь уявлень про провідне значення в процесі біогенезу спадкового апарату і, отже, на користь генетичної гіпотези походження життя.
3. Як з'явилося життя на Землі
Сучасна концепція виникнення життя Землі є результатом широкого синтезу природничих наук, багатьох теорій та гіпотез, висунутих дослідниками різних спеціальностей.
1. Що таке життя?
Відповідь. Життя - спосіб буття сутностей (живих організмів), наділених внутрішньою активністю, процес розвитку тіл органічної будовизі стійким переважанням процесів синтезу над процесами розпаду, особливий стан матерії, що досягається рахунок наступних властивостей. Життя - це спосіб існування білкових тіл і нуклеїнових кислот, істотним моментом якої є постійний обмін речовин з навколишнім середовищем, причому із припиненням цього обміну припиняється життя.
2. Які гіпотези походження життя вам відомі?
Відповідь. Різні уявлення про виникнення життя можна поєднати у п'ять гіпотез:
1) креаціонізм – Божественне створення живого;
2) мимовільне зародження – живі організми виникають мимоволі з неживої речовини;
3) гіпотеза стаціонарного стану – життя існувало завжди;
4) гіпотеза панспермії - життя занесено на нашу планету ззовні;
5) гіпотеза біохімічної еволюції - життя виникло в результаті процесів, що підкоряються хімічним та фізичним законам. Нині більшість учених підтримують ідею абіогенного зародження життя процесі біохімічної еволюції.
3. У чому основний принцип наукового методу?
Відповідь. Науковий метод - це сукупність прийомів та операцій, що використовуються при побудові системи наукових знань. Основний принцип наукового методу – нічого не сприймати на віру. Будь-яке твердження чи спростування чогось слід перевірити.
Питання після § 89
1. Чому уявлення про божественне походження життя не можна ні підтвердити, ні спростувати?
Відповідь. Процес Божественного створення світу мислиться як той, що мав місце лише один раз і тому недоступний для дослідження. Наука займається тільки тими явищами, які піддаються спостереженню та експериментальному дослідженню. Отже, з наукової точки зору, гіпотезу Божественного виникнення живого не можна ні довести, ні спростувати. Головний принцип наукового методу – «нічого не приймай на віру». Отже, логічно може бути протиріччя між науковим і релігійним поясненням виникнення життя, оскільки ці дві сфери мислення взаємно виключають одна одну.
2. Якими є основні положення гіпотези Опаріна – Холдейна?
Відповідь. У сучасних умовах виникнення живих істот із неживої природи неможливе. Абіогенне (тобто без участі живих організмів) виникнення живої матерії можливе було лише в умовах давньої атмосфери та відсутності живих організмів. До складу давньої атмосфери входили метан, аміак, вуглекислий газ, водень, пари води та інші неорганічні сполуки Під дією потужних електричних розрядів, ультрафіолетового випромінювання та високої радіації цих речовин могли виникати органічні сполуки, які накопичувалися в океані, утворюючи «первинний бульйон». У «первинному бульйоні» з біополімерів утворювалися багатомолекулярні комплекси – коацервати. У коацерватні краплі із зовнішнього середовища потрапляли іони металів, що виступали першими каталізаторами. З величезної кількості хімічних сполук, що були у «первинному бульйоні», відбиралися найефективніші в каталітичному відношенні комбінації молекул, що зрештою призвело до появи ферментів. На кордоні між коацерватами та зовнішнім середовищем вишиковувалися молекули ліпідів, що призводило до утворення примітивної клітинної мембрани. На певному етапі білкові пробіонти включили нуклеїнові кислоти, створивши єдині комплекси, що призвело до виникнення таких властивостей живого, як самовідтворення, збереження спадкової інформації і її передача наступним поколінням. Пробіонти, у яких обмін речовин поєднувався зі здатністю до самовідтворення, можна вже розглядати як примітивні проклітки, подальший розвитокяких відбувалося за законами еволюції живої матерії.
3. Які експериментальні докази можна привести на користь цієї гіпотези?
Відповідь. У 1953 р. ця гіпотеза А. І. Опаріна була експериментально підтверджена дослідами американського вченого С. Міллера. У створеній ним установці були змодельовані умови, які, ймовірно, існували в первинній атмосфері Землі. В результаті дослідів було отримано амінокислоти. Подібні досліди багаторазово повторювалися у різних лабораторіях і дозволили довести важливу можливість синтезу за таких умов майже всіх мономерів головних біополімерів. Надалі було встановлено, що за певних умов з мономерів можливий синтез складніших органічних біополімерів: поліпептидів, полінуклеотидів, полісахаридів та ліпідів.
4. У чому відмінність гіпотези А. І. Опаріна від гіпотези Дж. Холдейна?
Відповідь. Дж. Холдейн також висунув гіпотезу абіогенного зародження життя, але, на відміну А. І. Опаріна, він віддавав першість не білкам - коацерватним системам, здатним до обміну речовин, а нуклеїновим кислотам, тобто макромолекулярним системам, здатним до самовідтворення.
5. Які аргументи наводять опоненти, критикуючи гіпотезу Опаріна – Холдейна?
Відповідь. Гіпотеза Опаріна – Холдейна має і слабкий бік, яку вказують її опоненти. У межах цієї гіпотези не вдається пояснити головну проблему: як стався якісний стрибок від неживого до живого. Адже саморепродукції нуклеїнових кислот необхідні ферментні білки, а синтезу білків – нуклеїнові кислоти.
Наведіть можливі аргументи «за» і «проти» гіпотези панспермії.
Відповідь. Аргументи за:
Життя лише на рівні прокаріотів виникла Землі майже відразу ж після її формування, хоча дистанція (у сенсі різниці у рівні складності організації) між прокаріотами і ссавцями можна порівняти з дистанцією від первинного бульйону до покариот;
У разі зародження життя на будь-якій планеті нашої галактики, вона, як показують, наприклад, оцінки А.Д.Панова, за термін всього близько кількох сотень мільйонів років може "заразити" всю галактику;
Знахідки у деяких метеоритах артефактів, які можуть інтерпретуватися як результат діяльності мікроорганізмів (ще до влучення метеориту на Землю).
Гіпотеза панспермії (життя занесена на нашу планету ззовні) не відповідає на головне питання, як виникло життя, а переносить цю проблему в якесь інше місце Всесвіту;
Повне радіомовчання Всесвіту;
Оскільки з'ясувалося, що всього нашого Всесвіту всього лише 13 млрд. років (тобто весь Всесвіт тільки в 3 рази старше (!) планети Земля), то часу на зародження життя десь там вдалині... залишається зовсім мало. До найближчої до нас зірки а-центавра відстань – 4 св. року. Сучасний винищувач (4 швидкості звуку) летітиме до цієї зірки ~ 800.000 років.
Ч. Дарвін в 1871 р. писав: «Але якби зараз… в якомусь теплому водоймищі, що містить всі необхідні солі амонію і фосфору і доступному впливу світла, тепла, електрики тощо, хімічно утворився білок, здатний до подальших , дедалі складнішим перетворенням, це речовина негайно було б зруйновано чи поглинено, що було неможливо у період до виникнення живих істот».
Підтвердіть або спростуйте цей вислів Ч. Дарвіна.
Відповідь. Процес виникнення живих організмів із простих органічних сполук був дуже тривалим. Щоб на Землі зародилося життя, знадобився еволюційний процес, що тривав багато мільйонів років, протягом якого складні молекулярні структури, насамперед нуклеїнові кислоти і білки, пройшли відбір на стійкість, на здатність до відтворення собі подібних.
Якщо на Землі де-небудь у районах інтенсивної вулканічної діяльності і можуть виникнути досить складні органічні сполуки, то ймовірність скільки-небудь тривалого існування цих сполук мізерна. Можливість повторного виникнення життя Землі виключена. Тепер живі істоти з'являються лише через розмноження.
Гіпотеза А. І. Опаріна.Найбільш істотна риса гіпотези А. І. Опаріна - поступове ускладнення хімічної структури та морфологічного вигляду попередників життя (пробіонтів) на шляху до живих організмів.
Велика кількість даних говорить про те, що середовищем виникнення життя могли бути прибережні райони морів і океанів. Тут, на стику моря, суші та повітря, створювалися сприятливі умови для утворення складних органічних сполук. Наприклад, розчини деяких органічних речовин (цукорів, спиртів) мають велику стійкість і можуть існувати необмежено довгий час. У концентрованих розчинах білків, нуклеїнових кислот можуть утворюватися згустки, подібні до згустків желатину у водних розчинах. Такі згустки називають коацерватними краплями чи коацерватами (рис. 70). Коацервати здатні адсорбувати різні речовини. З розчину в них надходять хімічні сполуки, які перетворюються в результаті реакцій, що відбуваються в коацерватних краплях, та виділяються у навколишнє середовище.
Коацервати – це ще не живі істоти. Вони виявляють лише зовнішню схожість із такими ознаками живих організмів, як зростання та обмін речовин із навколишнім середовищем. Тому виникнення коацерватів розглядають як стадію розвитку переджиття.
Рис. 70. Утворення коацерватної краплі
Коацервати зазнали дуже тривалого відбору на стійкість структури. Стійкість була досягнута внаслідок створення ферментів, що контролюють синтез тих чи інших сполук. Найбільш важливим етапом у походженні життя було виникнення механізму відтворення собі подібних та успадкування властивостей попередніх поколінь. Це стало можливим завдяки утворенню складних комплексів нуклеїнових кислот та білків. Нуклеїнові кислоти, здатні до відтворення, стали контролювати синтез білків, визначаючи в них порядок амінокислот. А білки-ферменти здійснювали процес створення нових копій нуклеїнових кислот. Так виникла головна властивість, характерна для життя, - здатність до відтворення подібних до себе молекул.
Живі істоти є так звані відкриті системи, тобто системи, в які енергія надходить ззовні. Без надходження енергії життя не може. Як ви знаєте, за способами споживання енергії організми діляться на дві великі групи: автотрофні та гетеротрофні. Автотрофні організми прямо використовують сонячну енергію у процесі фотосинтезу (зелені рослини), гетеротрофні використовують енергію, що виділяється при розпаді органічних речовин.
Очевидно, перші організми були гетеротрофами, які одержують енергію шляхом безкисневого розщеплення органічних сполук. На зорі життя у атмосфері Землі був вільного кисню. Виникнення атмосфери сучасного хімічного складунайтіснішим чином пов'язане з розвитком життя. Поява організмів, здатних до фотосинтезу, призвело до виділення в атмосферу та воду кисню. У його присутності стало можливим кисневе розщеплення органічних речовин, при якому виходить у багато разів більше енергії, ніж безкисневого.
З моменту виникнення життя утворює єдину біологічну систему - біосферу (див. главу XVI). Іншими словами, життя виникло не у вигляді окремих ізольованих організмів, а одночасно у формі угруповань. Для еволюції біосфери як єдиного цілого характерно постійне ускладнення, т. е. виникнення дедалі більше складних структур.
Чи можливе виникнення життя на Землі зараз? З того, що ми знаємо про походження життя на Землі, ясно, що виникнення живих організмів з простих органічних сполук був вкрай тривалим. Щоб на Землі зародилося життя, знадобився еволюційний процес, що тривав багато мільйонів років, протягом якого складні молекулярні структури, насамперед нуклеїнові кислоти і білки, пройшли відбір на стійкість, на здатність до відтворення собі подібних.
Якщо на Землі де-небудь у районах інтенсивної вулканічної діяльності і можуть виникнути досить складні органічні сполуки, то ймовірність скільки-небудь тривалого існування цих сполук мізерна. Вони будуть негайно окислені або використані гетеротрофними організмами. Це чудово розумів ще Ч. Дарвін. У 1871 р. він писав: «Але якби зараз... в якомусь теплому водоймищі, що містить всі необхідні солі амонію і фосфору і доступному впливу світла, тепла, електрики тощо, хімічно утворився білок, здатний до подальших , дедалі складнішим перетворенням, це речовина негайно було б зруйновано чи поглинено, що було неможливо у період до виникнення живих істот».
Життя виникло Землі абиогенным шляхом.В даний час живе походить тільки від живого (біогенне походження). Можливість повторного виникнення життя Землі виключена.
- Назвіть основні етапи, у тому числі міг би складатися процес виникнення життя Землі.
- Як, на вашу думку, вплинуло на подальшу еволюцію виснаження запасів поживних речовин у водах первинного океану?
- Розкрийте еволюційне значення фотосинтезу.
- Як ви вважаєте, чому людина намагається відповісти на питання про виникнення життя на Землі?
- Чому повторне виникнення життя Землі неможливе?
- Дайте визначення поняття "життя".
