Еволюційна теорія походження життя землі. Гіпотези походження життя землі

Відомо, що наукові журнали намагаються не приймати до публікації статті, присвячені проблемам, які привертають загальну увагу, але не мають чіткого рішення, - серйозне видання з фізики не публікуватиме проект вічного двигуна. Такою темою стало походження життя Землі. Питання виникнення живої природи, про появу людини хвилює думаючих людей багато тисячоліття, а однозначну відповідь знайшли собі лише креаціоністи - прибічники божественного походження всього сущого, але наукової ця теорія перестав бути як і підлягає перевірці.

Погляди стародавніх

Про появу живих істот із води та гниючих залишків оповідають давньокитайські та давньоіндійські рукописи, про народження земноводних істот у мулистих відкладах великих річок написано давньоєгипетськими ієрогліфами та клинописом Стародавнього Вавилону. Гіпотези походження життя Землі шляхом самозародження для мудреців далекого минулого були очевидні.

Античні філософи також наводили приклади появи тварин з неживої матерії, та їх теоретичні обгрунтування мали різну природу: матеріалістичну та ідеалістичну. Демокріт (460-370 до н. е.) знаходив причину виникнення життя в особливій взаємодії найдрібніших, вічних та неподільних частинок - атомів. Платон (428-347 до зв. е.) і Аристотель (384-322 до зв. е.) походження життя Землі пояснювали чудовим впливом на неживу матерію вищого початку, вселяющего душу об'єкти природи.

Ідея про існування певної «життєвої сили», що сприяє появі живих істот, виявилася дуже стійкою. Вона формувала погляди на походження життя на Землі у багатьох учених, які жили в середні віки та пізніше, аж до кінця XIX століття.

Теорія самозародження

Антоні ван Левенгук (1632-1723 рр.) з винаходом мікроскопа зробив відкриті ним найдрібніші мікроорганізми головним предметом суперечки між вченими, які розділяли дві основні теорії походження життя на Землі – біогенез та абіогенез. Перші вважали, що все живе може бути породженням тільки живого, другі вважали за можливе самозародження органічної матерії в розчинах, поміщених в особливі умови. Суть цієї суперечки не змінилася досі.

Експерименти одних натуралістів доводили можливість мимовільного виникнення найпростіших мікроорганізмів, прибічники біогенезу повністю заперечували таку можливість. Луї Пастер (1822-1895 рр.) суворо науковими методами, високою коректністю своїх дослідів довів відсутність міфічної життєвої сили, що передається повітрям і породжує живі бактерії. Однак у своїх роботах він допускав можливість самозародження в якихось особливих умовах, з'ясувати які мали бути вчені майбутніх поколінь.

Теорія еволюції

Праці великого Чарльза Дарвіна (1809-1882 рр.) вразили основи багатьох природничих наук. Проголошена їм поява великого різноманіття біологічних видів від одного загального предка знову зробило походження життя Землі найважливішим питанням науки. Теорія природного відбору і спочатку важко знаходила своїх прихильників, і тепер піддається критичним атакам, які виглядають досить обґрунтовано, але саме дарвінізм лежить в основі сучасних природничих наук.

Після Дарвіна походження життя Землі біологія було розглядати з колишніх позицій. Вчені багатьох галузей біологічної науки переконувалися у істинності еволюційного шляху розвитку організмів. Нехай багато в чому змінилися сучасні погляди на спільного предка, поміщеного Дарвіним в основу Древа життя, але істинність загальної концепції непорушна.

Теорія стаціонарного стану

Лабораторне спростування спонтанного самозародження бактерій та інших мікроорганізмів, усвідомлення складної біохімічної будови клітини разом з ідеями дарвінізму вплинули на появу альтернативних варіантів теорії походження життя на Землі. У 1880 році одне з нових суджень запропонував Вільям Преєр (1841-1897 рр.). Він вважав, що немає необхідності говорити про народження життя на нашій планеті, оскільки вона існує вічно, і в неї не було початку як такого, вона незмінна і завжди готова до відродження в будь-яких відповідних умовах.

Ідеї ​​Прейєра та її послідовників є лише суто історичний і філософський інтерес, оскільки надалі астрономи і фізики розрахували терміни кінцевого існування планетарних систем, зафіксували постійне, але неухильне розширення Всесвіту, т. е. вона будь-коли була ні вічної, ні постійної.

Прагнення розглядати світ як єдину глобальну живу сутність перегукувалося з поглядами великого вченого і філософа з Росії - Володимира Івановича Вернадського (1863-1945 рр.), який також мав своє уявлення про походження життя на Землі. Воно ґрунтувалося на розумінні життя як невід'ємної характеристики Всесвіту, космосу. На думку Вернадського, те, що наука не змогла знайти пластів, які не мали слідів органічних речовин, говорило про геологічну вічність життя. Одним із способів, яким життя з'явилося на молодій планеті, Вернадський називав її контакти з космічними об'єктами - кометами, астероїдами та метеоритами. Тут його теорія стулялася з іншою версією, яка пояснювала походження життя Землі шляхом панспермії.

Колиска життя - космос

Панспермія (грецьк. - "насіннєва суміш", "насіння всюди") вважає життя фундаментальною властивістю матерії і не пояснює способів її виникнення, але називає космос джерелом зародків життя, які потрапляють на небесні тіла з відповідними для їх "проростання" умовами.

Першу згадку про основні концепції панспермії можна знайти у творах давньогрецького філософа Анаксагора (500-428 до н. е.), а у XVIII столітті про неї висловлювався французький дипломат та геолог Бенуа де Майє (1656-1738 рр.). Реанімували ці ідеї Сванте Август Арреніус (1859-1927), лорд Кельвін Вільям Томсон (1824-1907) і Герман фон Гельмгольц (1821-1894).

Дослідження жорстокого впливу живі організми космічного випромінювання і температурних умов міжпланетного простору зробило подібні гіпотези походження життя Землі дуже актуальними, але з початком космічної ери інтерес до панспермії посилився.

У 1973 році нобелівський лауреат Френсіс Крик (1916-2004 рр.) висловив думку про позаземне виробництво молекулярних живих систем та попадання їх на Землю з метеоритами та кометами. При цьому шанси абіогенезу на нашій планеті їм оцінювалися як дуже низькі. Походження та розвитку життя Землі шляхом самоскладання органічного речовини високого рівня видатний учений не вважав реальністю.

Скам'янілі біологічні структури знаходили у метеоритах по всій планеті, подібні сліди знайшли у зразках ґрунту, доставлених із Місяця та Марса. З іншого боку, проводяться численні експерименти з обробки біоструктур впливами, можливими при знаходженні їх у космічному просторі та при проходженні атмосфери, подібної до земної.

Важливий експеримент було проведено у 2006 році в рамках місії Deep Impact. Комета Темпеля була протаранена спеціальним зондом-імпактором, випущеним автоматичним апаратом. Аналіз кометної речовини, яка виділилася в результаті удару, показав наявність у ній води та різноманітних органічних сполук.

Висновок: від часу появи теорія панспермії значно змінилася. Сучасна наука по-іншому трактує первинні елементи життя, які могли бути доставлені на нашу молоду планету космічними об'єктами. Дослідження та експерименти доводять життєстійкість живих клітин в умовах міжпланетної подорожі. Усе це робить ідею позаземного походження земного життя актуальною. Основними концепціями походження життя на Землі є теорії, до яких панспермія входить або як головна частина, або як спосіб доставки компонентів Землі для створення живої матерії.

Теорія біохімічної еволюції Опаріна-Холдейна

Ідея самозародження живих організмів з неорганічних речовин завжди залишалася чи не єдиною альтернативою креаціонізму, і в 1924 вийшла монографія з 70 сторінок, що надала цій ідеї силу опрацьованої і обґрунтованої теорії. Ця робота називалася «Походження життя», автором її був російський вчений – Олександр Іванович Опарін (1894-1980 рр.). У 1929 році, коли праці Опаріна ще не були перекладені англійською мовою, схожі концепції походження життя на Землі висловив англійський біолог Джон Холдейн (1860-1936).

Опарін припустив, що, якщо примітивна атмосфера молодої планети Земля була відновною (тобто кисню, що не містить), потужний сплеск енергії (наприклад, блискавка або ультрафіолетове випромінювання) міг сприяти синтезу органічних сполук з неорганічної речовини. Надалі такі молекули могли утворювати згустки і скупчення - коацерватні краплі, що є протоорганізмами, навколо яких утворюються водні сорочки - зачатки оболонки-мембрани, відбувається розшарування, що породжує різницю зарядів, отже, рух - початок обміну речовин, зачатки метаболізму і т.д. Коацервати вважалися основою початку еволюційних процесів, які призвели до створення перших життєвих форм.

Холдейн ввів поняття «первинного бульйону» - початкового земного океану, який став величезною хімічною лабораторією, підключеною до потужного джерела живлення - сонячного світла. Поєднання діоксиду вуглецю, аміаку та ультрафіолетового випромінювання призвело до появи концентрованої популяції органічних мономерів та полімерів. Згодом такі утворення з'єднувалися з появою навколо них ліпідної мембрани, і їх розвиток спричинив утворення живої клітини.

Основні етапи походження життя на Землі (за Опаріном-Холдейном)

Згідно з теорією виникнення Всесвіту зі згустку енергії, Великий Вибух стався близько 14 млрд років тому, а близько 4,6 млрд років тому завершилося створення планет Сонячної системи.

Молода Земля, поступово охолоджуючись, набула твердої оболонки, навколо якої відбувалося утворення атмосфери. Первинна атмосфера містила водяні пари і гази, що надалі послужили сировиною для органічного синтезу: оксид і діоксид вуглецю, сірководень, метан, аміак, ціаністі сполуки.

Бомбардування космічними об'єктами, що містять воду в замерзлому стані, і конденсація водяної пари в атмосфері призвели до утворення Світового океану, в якому розчинялися різні хімічні сполуки. Потужні грози супроводжували формування атмосфери, крізь яку проникало сильне ультрафіолетове випромінювання. У таких умовах відбувався синтез амінокислот, цукрів та іншої найпростішої органіки.

Наприкінці першого мільярда років існування Землі розпочався процес полімеризації у воді найпростіших мономерів у білки (поліпептиди) та нуклеїнові кислоти (полінуклеотиди). Вони почали утворювати передбіологічні сполуки – коацервати (із зачатками ядра, метаболізму та мембрани).

3,5-3 млрд років до нашої ери - етап утворення протобіонтів, що володіють самовідтворенням, регульованим обміном речовин, мембраною зі змінною проникністю.

3 млрд. років до н. е. - Поява клітинних організмів, нуклеїнових кислот, первинних бактерій, початок біологічної еволюції.

Експериментальні докази гіпотези Опаріна-Холдейну

Багато вчених позитивно оцінили основні концепції походження життя на Землі на основі абіогенезу, хоча від початку знаходили в теорії Опаріна-Холдейна вузькі місця та недомовленості. У різних країнах розпочалися роботи з проведення тестових досліджень гіпотези, з яких найбільш відомий класичний експеримент, проведений у 1953 році американськими вченими Стенлі Міллером (1930-2007 рр.) та Гарольдом Юрі (1893-1981 рр.).

Суть експерименту полягала у моделюванні в лабораторії умов ранньої Землі, у яких міг відбуватися синтез найпростіших органічних сполук. У приладі циркулювала газова суміш, аналогічна складу первинної земної атмосфері. Конструкція приладу забезпечувала імітацію вулканічної діяльності, а електричні розряди, що пропускаються через суміш, створювали ефект блискавок.

Після тижневого циркулювання суміші по системі було відзначено перехід десятої частини вуглецю в органічні сполуки, виявлено амінокислоти, цукру, ліпіди та сполуки, що передують амінокислотам. Повторні та модифіковані досліди повністю підтвердили можливість абіогенезу в умовах ранньої Землі, що імітуються. У наступні роки в інших лабораторіях було проведено повторні досліди. До складу газової суміші додавалася сірководень як можливий компонент вулканічних виділень, вносилися інші некардинальні зміни. У більшості випадків досвід синтезу органічних сполук вдавався, хоча спроби піти далі і отримати складніші елементи, що наближаються за складом живої клітини, успіхом не увінчалися.

Світ РНК

До кінця XX століття багатьом вченим, яких не переставала цікавити проблема походження життя на Землі, стало зрозуміло, що при всій стрункості теоретичних побудов і виразному досвідченому підтвердженні теорія Опаріна-Холдейна має явні, можливо, непереборні вади. Головним з них була неможливість пояснити появу у протобіонтів визначальних для живого організму властивостей – розмножуватися із збереженням спадкових ознак. З відкриттям генетичних клітинних структур, з визначенням функції та будови ДНК, з розвитком мікробіології з'явився новий кандидат на роль молекули першожиття.

Ним стала молекула рибонуклеїнової кислоти – РНК. Ця макромолекула, що входить до складу всіх живих клітин, є ланцюгом нуклеотидів - найпростіших органічних ланок, що складаються з атомів азоту, моносахариду - рибози і фосфатної групи. Саме послідовність нуклеотидів є кодом спадкової інформації, і у вірусів, наприклад, РНК виконує роль, що у складних клітинних структур грає ДНК.

Крім того, вченими відкрито унікальну здатність деяких молекул РНК вносити розриви в інші ланцюжки або склеювати окремі елементи РНК, а деякі відіграють роль автокаталізаторів - тобто сприяють швидкому самовідтворенню. Відносно невеликі розміри макромолекули РНК та її спрощену, порівняно з ДНК, будову (в одну нитку) зробили рибонуклеїнову кислоту головним кандидатом на роль основного елемента добіологічних систем.

Остаточно нову теорію виникнення живої матерії планети сформулював 1986 року Уолтер Гілберт (нар. 1932 р.) - американський фізик, мікробіолог і біохімік. Не всі фахівці були згодні з таким поглядом походження життя Землі. Коротко названа "Світ РНК", теорія будови добіологічного світу нашої планети не може відповісти на просте питання, як з'явилася перша молекула РНК із заданими властивостями, навіть якщо була величезна кількість "будівельного матеріалу" у вигляді нуклеотидів і т.д.

Світ ПАУ

Відповідь постаралася знайти у травні 2004 року Саймон Ніколас Платтс, а 2006 року група вчених під керівництвом Паскаль Еренфройнд. Як вихідний матеріал для РНК з каталізуючими властивостями були запропоновані поліароматичні вуглеводні.

Світ ПАУ був заснований на великій поширеності цих сполук у видимому космосі (вони, напевно, були присутні в «первинному бульйоні» молодої Землі) та особливостях їх кільцеподібної будови, що сприяє швидкому з'єднанню з азотистими основами – ключовими компонентами РНК. Теорія ПАУ вкотре свідчить про злободенність деяких положень панспермії.

Унікальне життя на унікальній планеті

Поки у вчених не буде можливості повернутися на 3 млрд років тому, таємниця виникнення життя на нашій планеті не буде розкрита - такого висновку приходять багато хто з тих, хто займався цією проблемою. Основними концепціями походження життя Землі є: теорія абіогенезу і теорія панспермії. Вони можуть багато в чому перетинатися, але, швидше за все, не зможуть відповісти: як серед величезного космосу з'явилася напрочуд точно збалансована система із Землі та її супутника - Місяця, як зародилося на ній життя…

Важко знайти людину, яка б не ставила питання про те, як зародилося життя на Землі. Ідей щодо цього достатньо, від Біблії та Дарвіна до сучасної теорії еволюції, яка безперервно зазнає змін відповідно до новітніх відкриття вчених.

Про динозаврів, природно, всі чули, бачили їх у фільмах та музеях, і мало хто заперечує їхнє історичне існування.

Хоча до 1842 року людство навіть і не здогадувалося, що знайдені в різних місцях планети кістки гігантських тварин належали до одного типу, називаючи їх "драконами" або приписуючи останки титанам, що боролися у Троянській війні. Знадобилося прозріння вчених, які зіставили дані та дали назву дивовижним останкам: динозаври. А сьогодні ми чудово знаємо, як виглядали ці вимерлі мільйони років тому велетенські ящери, описали безліч їхніх видів, і кожна дитина в курсі, хто вони такі.

Той факт, що ці гігантські плазуни з'явилися на Землі 225-250 мільйонів років тому і вимерли геть-чисто приблизно 66 мільйонів років до нашого літочислення, не шокує більшість простого народу, який не цікавиться в деталях наукою. Звичайно, ми також пам'ятаємо споріднених динозаврів крокодилів, які беруть свій початок як вид 83 мільйони років тому, і зуміли вижити з тих незапам'ятних часів. Але ці цифри рідко співвідносяться в нашій свідомості в масштабі.

Скільки років людству?

Не багатьом відомий і вік сучасного вигляду Homo Sapiens, що означає людина розумна, яку вчені оцінюють лише у 200 тисяч років. Тобто вік людства як виду у 1250 разів менший, ніж вік класу рептилій, до яких належали і динозаври.

Помістити в свідомість і впорядкувати ці дані необхідно, якщо ми хочемо збагнути, як з'явилося життя на нашій планеті спочатку. І звідки взялися самі люди, котрі сьогодні намагаються зрозуміти це життя?

Сьогодні секретні матеріали вчених стали надбанням публіки. Шокуюча історія експериментів останніх років, які переписали теорію еволюції та пролили світло на те, як почалося життя на нашій планеті, підірвали багаторічні усталені догми. Таємниці генетики, зазвичай доступні лише вузькому колу “посвячених”, дали однозначну відповідь припущення Дарвіна.

Виду Homo Sapiens (людина розумна) всього 200 тисяч років. А нашій планеті 4,5 мільярди!

Секретні матеріали

Усього якихось століть тому за подібні ідеї можна було чекати страти на багатті. Джордано Бруно спалили за брехню трохи більше 400 років тому, у лютому 1600 року. Але сьогодні підпільні дослідження сміливих першопрохідців стали надбанням громадськості.

Ще 50 років тому батьки через незнання частенько виховували дітей інших чоловіків, навіть сама мати не завжди знала правду. Сьогодні ж встановити батьківство – рядовий аналіз. Кожен з нас може замовити аналіз ДНК та дізнатися, хто були його предки, чия кров тече у його чи її жилах. Слід поколінь назавжди відображений у генетичному коді.

Саме в цьому коді і міститься відповідь на найбільш актуальне питання, яке займає уми людства: як почалося життя?

Секретні матеріали вчених розкривають історію прагнення визначити єдино правильну відповідь. Це історія про завзятість, наполегливість і приголомшливу креативність, що охоплює найбільші відкриття сучасної науки.

У своєму прагненні зрозуміти, як зародилося життя, люди вирушили на дослідження найдальших куточків планети. У ході цих пошуків деякі вчені отримали тавро «извергів» за свої експерименти, а іншим доводилося проводити їх під пильною увагою тоталітарного ладу.

Як почалося життя Землі?

Мабуть, це найскладніше з усіх питань. Протягом тисячоліть абсолютна більшість людей пояснювали це однією тезою – життя створили боги. Інші пояснення були просто немислимі. Але згодом ситуація змінилася. Все минуле століття вчені намагалися розібратися, яким саме саме зародилося перше життя на планеті, пише Майкл Маршалл для BBC.

Більшість сучасних учених, які вивчають походження життя, впевнені, що вони рухаються у вірному напрямку - а експерименти, що проводяться, тільки закріплюють їх впевненість. Відкриття Ньютонів від генетики переписують книгу знань від першої сторінки до останньої.

• Нещодавно вчені виявили найдавнішого предка людини, яка жила на планеті приблизно 540 мільйонів років тому. Саме від цього “зубастого мішка” і походять усі хребетні, вважають дослідники. Розмір загального предка був лише з міліметр.
• Сучасним дослідникам навіть вдалося створити перший напівсинтетичний організм із фундаментальними змінами в ДНК. Ми вже зовсім поруч із синтезом нових білків, тобто цілком штучним життям. Всього за кілька століть людство зуміло освоїти створення нового типу живих організмів.
• Не лише ми створюємо нові організми, а й впевнено редагуємо вже існуючі. Вчені навіть створили "програмне забезпечення", що дозволяє за допомогою клітинних інструментів редагувати ланцюжок ДНК. До речі, лише 1% ДНК несе генетичну інформацію, вважають дослідники. Навіщо ж потрібні інші 99%?
• ДНК настільки універсальна, що на ній можна зберігати інформацію як на жорсткому диску. На ДНК вже записали фільм і зуміли завантажити інформацію назад без проблем, як раніше брали файли з дискети.

Вважаєте себе освіченою та сучасною людиною? Тоді ви просто повинні це знати.

Хоча відкриття ДНК датується 1869 роком, тільки 1986 ці знання вперше використовували в криміналістиці.

Перед вами історія зародження життя на Землі

Життя старе. Динозаври – це, мабуть, найбільш відомі з усіх істот, що вимерли, але і вони з'явилися всього 250 мільйонів років тому. Перше життя на планеті зародилося набагато раніше.

Найдавнішим скам'янілостям, за оцінками експертів, близько 3,5 мільярда років. Іншими словами, вони в 14 разів старші за перші динозаври!

Однак і це не межа. Наприклад, у серпні 2016 року було знайдено викопні бактерії, вік яких становить 3,7 мільярда років. Це в 15 тисяч разів старше за динозаврів!

Сама Земля ненабагато старша за ці бактерії – наша планета остаточно сформувалася близько 4,5 мільярдів років тому. Тобто перше життя на Землі зародилося досить "швидко", вже через якихось 800 мільйонів років на планеті існували бактерії - живі організми, які, згідно з вченими, зуміли з часом ускладнитися і започаткувати спочатку прості організми в океані, а в кінці -Кінців, і самому людському роду.

Нещодавнє повідомлення з Канади підтверджує ці дані: вік найстаріших бактерій оцінюється від 3,770 до 4,300 мільярдів років. Тобто життя на нашій планеті, цілком можливо, зародилося "якихось" 200 мільйонів років після його утворення. Знайдені мікроорганізми мешкали на залозі. Останки їх знайшли в кварцових породах.

Якщо припустити, що життя зародилося на Землі - що звучить розумно, враховуючи, що на інших космічних тілах ми її ще поки не знайшли, ні на інших планетах, ні на уламках занесених з космосу метеоритів, то це мало статися в тому тимчасовому проміжку. , що охоплює мільярд років між моментом, коли планета остаточно сформувалася, і датою появи знайдених у наш час скам'янілостей.

Отже, звузивши цікавий для нас період часу, спираючись на останні дослідження, можна припустити, яким саме було перше життя на Землі.

Вчені відтворили вигляд доісторичних гігантів за скелетами, знайденими під час розкопок.

Кожен живий організм складається з клітин (і ви теж)

Ще в 19-му столітті біологи встановили, що всі живі організми складаються з «клітин» – крихітних згустків органічної матерії різних форм та розмірів.

Вперше клітини були виявлені ще в 17-му столітті – одночасно з винаходом щодо потужних мікроскопів, але лише через півтора століття вчені дійшли єдиного висновку: клітини – це основа всього життя на планеті.

Зрозуміло, зовні людина не схожа ні на риб, ні на динозаврів, але достатньо лише поглянути в мікроскоп, щоб переконатися, що люди складаються практично з тих самих клітин, що й представники тваринного світу. Більше того, ті ж клітини лежать в основі рослин та грибів.

Всі організми складаються з клітин, включаючи вас.

Найчисленніша форма життя – одноклітинні бактерії

На сьогоднішній день найчисленнішими формами життя можна сміливо назвати мікроорганізми, кожен з яких складається лише з однієї клітини.

Найвідоміший вид подібного життя – це бактерії, що мешкають у будь-якій точці земної кулі.

У квітні 2016 року вчені представили оновлену версію «дерева життя»: свого роду генеалогічного дерева для кожного виду живих організмів. Абсолютна більшість "гілок" цього дерева займають бактерії. Понад те, форма дерева дозволяє припустити, що предком всього життя Землі була бактерія. Іншими словами, все різноманіття живих організмів (у тому числі і ви) походить від однієї-єдиної бактерії.

Таким чином ми можемо точніше підійти до питання зародження життя. Щоб відтворити ту саму першоклітинку, потрібно максимально точно відтворити умови, що панували на планеті понад 3,5 мільярда років тому.

Тож наскільки це важко?

Одноклітинні бактерії - найпоширеніша форма життя Землі.

Початок експериментів

Протягом багатьох століть питання «з чого почалося життя?» практично не ставився всерйоз. Адже, як ми вже згадали на самому початку, відповідь була відома: життя створене Творцем.

Аж до 19 століття більшість людей вірили в «віталізм». Це вчення засноване на ідеї про те, що всі живі істоти наділені особливою надприродною силою, що відрізняє їх від неживих предметів.

Ідеї ​​віталізму часто перегукувались із релігійними постулатами. У Біблії говориться, що Бог за допомогою «дихання життя» пожвавив перших людей, і що безсмертна душа – це один із проявів віталізму.

Але є одна проблема. Ідеї ​​віталізму докорінно невірні.

На початку 19-го століття вчені виявили кілька речовин, які були лише у живих істот. Однією з таких речовин була сечовина, що міститься в урині, і отримати її вдалося 1799 року.

Це відкриття, проте, не суперечило концепції віталізму. Сечовина з'являлася лише в живих організмах, тому, можливо, вони були наділені особливою життєвою енергією, яка й робила їх унікальними.

Смерть віталізму

Але в 1828 німецький хімік Фрідріх Велер зумів синтезувати сечовину з неорганічної сполуки - ціанату амонію, який ніяк не був пов'язаний з живими істотами. Його експеримент змогли повторити інші вчені, і незабаром стало ясно, що всі органічні сполуки можна отримати з простих – неорганічних.

Це поклало край віталізму як наукової концепції.

Але позбавитися своїх переконань людям було досить важко. Факт того, що в органічних сполуках, властивих тільки живим істотам, насправді немає нічого особливого, для багатьох начебто позбавив життя елемента чаклунства, перетворивши людей із божественних створінь чи не на машини. Зрозуміло, це суперечило Біблії.

Навіть деякі вчені продовжували виборювати віталізм. 1913 року англійський біохімік Бенджамін Мур гаряче просував свою теорію «біотичної енергії», яка, по суті, була тим самим віталізмом, але в іншій обкладинці. Ідея віталізму знайшла досить міцне коріння в людській душі на емоційному рівні.

Сьогодні ж її відображення можна знайти у найнесподіваніших місцях. Взяти, наприклад, низку науково-фантастичних історій, у яких «життєву енергію» персонажа можна поповнити чи викачати. Згадайте «енергію регенерації», якою користувалася раса Володарів Часу із серіалу «Доктор Хто». Цю енергію можна було поповнювати, якщо вона добігала кінця. Хоча ідея виглядає футуристично, але насправді це відображення старомодних теорій.

Таким чином, після 1828 року у вчених, нарешті, з'явилися вагомі причини шукати нове пояснення зародження життя, цього разу відкинувши домисли про божественне втручання.

Але шукати не почали. Здавалося б, тема досліджень напросилася сама собою, але насправді загадку походження життя не підступали ще кілька десятиліть. Можливо, всі, як і раніше, були надто прив'язані до віталізму, щоб рухатися далі.

Хімік Фрідріх Велер зумів синтезувати сечовину – органічну сполуку – з неорганічних речовин.

Дарвін та теорія еволюції

Головним проривом у галузі біологічних досліджень 19 століття стала теорія еволюції, розроблена Чарльзом Дарвіном і продовжена іншими вченими.

Теорія Дарвіна, викладена у роботі «Походження видів» 1859 року, пояснювала, як усе різноманіття тваринного світу виникло від єдиного предка.

Дарвін стверджував, що Бог не створював кожен вид живих істот окремо, а всі ці види походять від первісного організму, що з'явився мільйони років тому, який називають останнім універсальним спільним предком.

Ідея виявилася вкрай суперечливою, знову ж таки тому, що спростовувала біблійні постулати. Теорія Дарвіна зазнала запеклої критики, зокрема, від ображених християн.

Але в теорії еволюції не говорилося ні слова про те, як з'явився перший організм.

Як же з'явилося перше життя?

Дарвін розумів, що це ґрунтовне питання, але (можливо, не бажаючи вступати в черговий конфлікт з духовенством) торкнувся він його лише у листі 1871 року. Емоційний тон листа показував, що вчений усвідомлював усе глибоке значення цього питання:

«…Але якби зараз [ах, яке велике якщо!]в будь-якій теплій водоймі, що містить всі необхідні солі амонію і фосфору і доступному впливу світла, тепла, електрики тощо, хімічно утворився білок, здатний до подальших все більш складних перетворень…»

Іншими словами: уявіть собі невелику водойму, наповнену простими органічними сполуками і знаходиться під сонцем. Деякі сполук цілком можуть почати взаємодіяти, створюючи складніші речовини, на зразок білка, які, у свою чергу, також взаємодіятимуть і розвиватимуться.

Ідея була досить поверховою. Проте вона лягла в основу перших гіпотез про походження життя.

Дарвін не лише створив теорію еволюції, а й припустив, що життя зародилося в теплій воді, насиченій необхідними неорганічними сполуками.

Революційні ідеї Олександра Опаріна

І перші кроки в цьому напрямку були зроблені зовсім не там, де ви могли б очікувати. Ви, можливо, думаєте, що такі дослідження, які мали на увазі свободу думки, повинні були проводитися у Великій Британії чи США, наприклад. Але насправді перші гіпотези про походження життя були висунуті на рідних теренах сталінського СРСР, вченим, ім'я якого ви, ймовірно, ніколи не чули.

Відомо, що Сталін закривав багато досліджень у сфері генетики. Натомість він пропагував ідеї агронома Трофима Лисенка, які, як йому здавалося, більше підходили для комуністичної ідеології. Вчені, які проводили дослідження у сфері генетики, мали публічно підтримувати ідеї Лисенка, інакше ризикуючи опинитися у таборах.

Саме в такій напруженій атмосфері доводилося проводити свої досліди біохіміку Олександру Івановичу Опаріну. Це було можливим тому, що він зарекомендував себе надійним комуністом: підтримував ідеї Лисенка і навіть отримав орден Леніна – найпочеснішу нагороду з тих, що на той час існували.

Радянський біохімік Олександр Опарін припустив, що перші живі організми сформувалися як коацервати.

Нова теорія виникнення першого життя землі

Опарін описував, що являла собою Земля у перші дні після свого формування. Планета мала гарячу поверхню і притягувала невеликі метеорити. Навколо були лише наполовину розплавлені камені, в яких містився величезний спектр хімічних речовин, багато з них ґрунтувалися на вуглеці.

Зрештою, Земля досить охолола, і випари вперше перетворилися на рідку воду, створивши таким чином перший дощ. Через деякий час на планеті з'явилися гарячі океани, які були багаті на хімічні речовини, засновані на вуглеці. Далі події могли розвиватися за двома сценаріями.

Перший мав на увазі взаємодію речовин, при якому з'являлися б складніші сполуки. Опарін припустив, що важливі для живих організмів цукор та амінокислоти могли сформуватися у водяному басейні планети.

За другого сценарію деякі речовини при взаємодії починали формувати мікроскопічні структури. Як відомо, багато органічних сполук не розчиняються у воді: наприклад, масло формує шар на поверхні води. Але деякі речовини при контакті з водою утворюють сферичні глобули, або коацервати, діаметром до 0,01 см (або 0,004 дюйма).

Спостерігаючи за коацерватами під мікроскопом, можна побачити їх схожість із живими клітинами. Вони ростуть, змінюють форму і поділяються на дві частини. Вони також взаємодіють з оточуючими сполуками, тому всередині них можуть концентруватися інші речовини. Опарін припустив, що коацервати були предками сучасних клітин.

Теорія першого життя Джона Холдейна

Через п'ять років, в 1929 році англійський біолог Джон Бердон Сандерсон Холдейн незалежно висунув свою теорію зі схожими ідеями, яка була опублікована в журналі Rationalist Annual.

Холдейн на той час вже зробив величезний внесок у розвиток теорії еволюції, сприяючи інтеграції ідей Дарвіна в науку про генетику.

І людиною він був дуже незабутнім. Одного разу в ході експерименту в декомпресійній камері він пережив розрив барабанної перетинки, про що пізніше написав наступне: “Перепонка вже гоїться, і навіть якщо в ній залишиться отвір, то, незважаючи на глухоту, звідти можна буде задумливо випускати кільця тютюнового диму, що я вважаю важливим досягненням”.

Як і Опарін, Холдейн припустив, як саме у воді могли взаємодіяти органічні сполуки: «(раніше) перші океани досягли консистенції гарячого бульйону». Це створило умови для появи перших живих або наполовину живих організмів. У цих умовах найпростіші організми могли опинитися всередині «масляної плівки».

Джон Холдейн, незалежно від Опаріна, висунув подібні ідеї про зародження перших організмів.

Гіпотеза Опаріна-Холдейна

Таким чином, першими біологами, які висунули цю теорію, стали Опарін та Холдейн. Але думка про те, що у формуванні живих організмів не брав участь Бог або навіть абстрактна «життєва сила», була радикальною. Як і теорія еволюції Дарвіна, ця думка була ляпасом для християнства.

Влада СРСР цей факт повністю влаштовував. За радянського режиму країни панував атеїзм, а влада з радістю підтримувала матеріалістичні пояснення таких складних явищ, як життя. До речі, Холдейн теж був атеїстом та комуністом.

"У ті часи на цю ідею дивилися виключно через призму власних переконань: релігійні люди сприймали її в багнети на відміну від прихильників комуністичних ідей", - розповідає Армен Мулкіджанян, експерт з питань походження життя в Оснабрюкському університеті Німеччини. «У Радянському Союзі цю ідею ухвалили з радістю, оскільки їм не потрібний був Бог. А на Заході її поділяли ті самі прихильники лівих поглядів, комуністи тощо».

Концепцію того, що життя сформувалося у «первинному бульйоні» з органічних сполук, називають гіпотезою Опаріна-Холдейна. Вона мала досить переконливий вигляд, але була одна проблема. На той момент не було проведено жодного практичного експерименту, який би довів правдивість цієї гіпотези.

Почалися такі досліди лише майже через чверть століття.

Перші експерименти зі створення життя "у пробірці"

Питанням походження життя зацікавився Гарольд Юрі, знаменитий вчений, який уже одержав на той час Нобелівську премію з хімії в 1934 році і навіть взяв участь у створенні атомної бомби.

У ході Другої світової війни Юрі брав участь у Манхеттенському проекті, займаючись збиранням нестабільного урану-235, необхідного для ядра бомби. Після закінчення війни Юрі виступав за цивільний контроль за ядерними технологіями.

Юрі зацікавився хімічними явищами, що відбуваються у відкритому космосі. А найбільший інтерес для нього були процеси, що відбувалися в період формування Сонячної системи. На одній зі своїх лекцій він зазначив, що спочатку на Землі, швидше за все, не було кисню. І ці умови були ідеальними для формування «первинного бульйону», про який говорили Опарін і Холдейн, оскільки деякі з необхідних речовин були настільки слабкими, що розчинилися при контакті з киснем.

На лекції був присутній студент докторантури на ім'я Стенлі Міллер, який звернувся до Юрі з пропозицією провести експеримент, що ґрунтується на цій ідеї. Спочатку Юрі поставився до ідеї скептично, але потім Міллер зумів його умовити.

У 1952 році Міллер провів найзнаменитіший експеримент із усіх, що були пов'язані з поясненням походження життя на Землі.

Експеримент Стенлі Міллера став найвідомішим історія вивчення зародження живих організмів на планеті.

Найзнаменитіший експеримент про походження життя на Землі

Підготовка не зайняла багато часу. Міллер з'єднав ряд скляних колб, за якими циркулювали 4 речовини, які, ймовірно, існували на ранній Землі: кипляча вода, водень, аміак і метан. Гази зазнавали систематичних іскрових розрядів – це була симуляція ударів блискавок, які були звичним явищем на ранній Землі.

Міллер виявив, що «вода в колбі помітно порозовів після першого дня, а після першого тижня розчин помутнішав і набув темно-червоного кольору». В наявності було формування нових хімічних сполук.

Коли Міллер проаналізував склад розчину, він виявив, що в ньому містяться дві амінокислоти: гліцин та аланін. Як відомо, амінокислоти часто описуються як будівельні блоки життя. Ці амінокислоти використовуються у формуванні білків, які контролюють більшість біохімічних процесів у нашому організмі. Міллер буквально створив з нуля два найважливіші компоненти живого організму.

У 1953 році результати досвіду були опубліковані в престижному журналі Science. Юрі благородним, хоч і не властивим вченим його віку, жестом прибрав своє ім'я із заголовка, залишивши всю славу Міллеру. Але незважаючи на це дослідження зазвичай називають «Експериментом Міллера-Юрі».

Значення експерименту Міллера-Юрі

«Цінність експерименту Міллера-Юрі полягає в тому, що він показує, що навіть у простій атмосфері може бути утворена безліч біологічних молекул», говорить Джон Сазерленд, вчений Кембриджської лабораторії молекулярної біології.

Не всі деталі експерименту були точними, як з'ясувалося пізніше. Насправді дослідження показали, що у атмосфері ранньої Землі перебували інші гази. Але це не применшує значення експерименту.

«Це був знаковий експеримент, який приголомшив уяву багатьох, і саме тому на нього посилаються й досі», каже Сазерленд.

У світлі експерименту Міллера багато вчених почали шукати способи створення простих біологічних молекул з нуля. Відповідь питанням «Як почалося життя Землі?», здавалося, був зовсім поруч.

Але потім виявилося, що життя набагато складніше, ніж можна собі уявити. Живі клітини, як з'ясувалося, це просто набір хімічних сполук, а складні маленькі механізми. Раптом створення живих клітин з нуля перетворилося на значно серйознішу проблему, ніж на те очікували вчені.

Вивчення генів та ДНК

На початку 50-х років 20-го століття вчені вже далеко відійшли від думки, що життя було подарунком богів.

Натомість вони почали вивчати можливість стихійного та природного виникнення життя на ранній Землі – і завдяки знаковому експерименту Стенлі Міллера у цієї ідеї почали з'являтися докази.

Поки Міллер намагався створювати життя з нуля, інші вчені розбиралися, з чого складаються гени.

До цього моменту вже було вивчено більшість біологічних молекул. До них відносяться цукор, жири, білки та нуклеїнові кислоти, на кшталт “дезоксирибонуклеїнової кислоти” – вона ж ДНК.

Сьогодні всі знають, що ДНК містять наші гени, але для біологів 1950-х років це було справжнім шоком.

Білки мали складнішу структуру, через що вчені вважали, що генна інформація міститься саме в них.

Теорія була спростована 1952 року вченими з Інституту Карнегі – Алфредом Херші та Мартою Чейз. Вони вивчали прості віруси, що складаються з білка та ДНК, які розмножувалися шляхом зараження інших бактерій. Вчені з'ясували, що у бактерії проникає вірусна ДНК, а не білок. З цього було зроблено висновок, що ДНК є генетичним матеріалом.

Відкриття Херші та Чейз стало початком гонки, метою якої було вивчення структури ДНК та принципів її роботи.

Марта Чейз та Алфред Херші відкрили, що ДНК несе генетичну інформацію.

Спіральна структура ДНК - одне з найважливіших відкриттів 20 століття

Першими до вирішення питання прийшли Френсіс Крік та Джеймс Вотсон з Кембриджського університету, не без неодооціненої допомоги своєї колеги, Розалінд Франклін. Сталося це через рік після дослідів Херші та Чейз.

Їх відкриття стало одним із найважливіших у 20-му столітті. Це відкриття змінило погляд пошуки витоків походження життя, розкриваючи неймовірно складний пристрій живих клітин.

Вотсон і Крик виявили, що ДНК є подвійною спіраль (подвійний гвинт), яка схожа на вигнуті сходи. Кожен із двох «полюсів» цих сходів складається з молекул, званих нуклеотидами.

Ця структура дає зрозуміти, як клітини копіюють свою ДНК. Іншими словами, стає зрозумілим, як батьки передають копії своїх генів дітям.

Важливо зрозуміти, що подвійну спіраль можна розв'язати. Це відкриє доступ до генетичного коду, що складається з послідовності генетичних основ (A, T, C і G), зазвичай укладеного всередині «східців» сходів ДНК. Кожна нитка потім використовується як шаблон під час створення копії інший.

Цей механізм дозволяє генам передаватися у спадок із самого виникнення життя. Ваші власні гени зрештою беруть свій початок у стародавньої бактерії - і при кожній їх передачі використовувався той самий механізм, що виявили Крик і Вотсон.

Перед громадськістю вперше розкрилася одна з найпотаємніших таємниць життя.

Структура ДНК: 2 кістяки (антипаралельні ланцюжки) та пари нукледотидів.

Завдання ДНК

Як з'ясувалося, завдання ДНК лише одне. Ваша ДНК повідомляє клітинам вашого тіла, як потрібно створювати білки (протеїни) - молекули, що виконують безліч важливих завдань.

Без білків ви не змогли б перетравлювати їжу, ваше серце перестало битися, а дихання зупинилося б.

Але відтворення процесу формування білків за допомогою ДНК насправді виявилося надзвичайно важким завданням. Кожен, хто намагався пояснити походження життя, просто не міг зрозуміти, як щось настільки складне взагалі могло самостійно з'явитися та розвинутися.

Кожен білок - це по суті довгий ланцюг амінокислот, пов'язаних у певному порядку. Цей порядок визначає тривимірну форму білка і, отже, його призначення.

Ця інформація кодується в послідовності основ ДНК. Отже, коли клітині необхідно створити конкретний білок, вона зчитує відповідний ген ДНК, щоб побудувати потім задану послідовність амінокислот.

Що таке РНК?

У процесі використання ДНК клітинами один аспект.

• ДНК – це дорогоцінний ресурс клітини. Тому клітини вважають за краще не звертатися до ДНК при кожній дії.
• Натомість клітини копіюють інформацію з ДНК у малі молекули іншої речовини під назвою РНК (рибонуклеїнова кислота).
• РНК схожа на ДНК, однак у неї лише один ланцюжок.

Якщо провести аналогію між ДНК та бібліотечною книгою, то РНК тут буде виглядати як сторінка з коротким змістом книги.

Процес перетворення інформації через ланцюг РНК на білок завершується за допомогою дуже складної молекули під назвою «рибосома».

Цей процес відбувається у кожній живій клітині, навіть у найпростіших бактеріях. Для підтримки життя він важливий так само, як їжа та дихання.

Таким чином, будь-яке пояснення появи життя має показати, як виникло і як почало працювати складне тріо, куди входять ДНК, РНК та рибосоми.

Різниця між ДНК та РНК.

Все набагато складніше

Теорії Опаріна і Холдейна тепер здавалися наївними і простими, а експеримент Міллера, під час якого було створено кілька амінокислот, необхідні формування білка, виглядав дилетантським. На довгому шляху створення життя його дослідження, нехай і продуктивне, явно було лише першим кроком.

"ДНК змушує РНК робити білок, і все це в закритому мішечку хімічних речовин", - говорить Джон Сазерленд. - «Ви дивіться на це і дивуєтесь, наскільки це складно. Що нам зробити, щоб знайти органічну сполуку, яка робитиме все це за один раз?»

Можливо, життя почалося з РНК?

Першим на це запитання спробував відповісти британський хімік Леслі Орджел. Він одним із перших побачив модель ДНК, створену Криком і Вотсоном, а пізніше допомагав НАСА в рамках програми «Вікінг», у ході якої на Марс було відправлено посадкові модулі.

Орджел мав намір спростити завдання. У 1968 році за підтримки Крику він припустив, що в перших живих клітинах не було ні білків, ні ДНК. Навпаки, вони майже повністю складалися з РНК. І тут первинні молекули РНК мали бути універсальними. Наприклад, їм потрібно було створювати власні копії, мабуть, використовуючи той самий механізм утворення пар, як і ДНК.

Думка про те, що життя почалося з РНК, мало неймовірний вплив на всі подальші дослідження. І стала причиною запеклих дебатів у науковій спільноті, які не вщухають і донині.

Припускаючи, що життя почалося з РНК і ще одного елемента, Орджел припустив, що з найважливіших аспектів життя – здатність самовідтворення – виник раніше інших. Можна сказати, що він розмірковував не лише про те, як уперше з'явилося життя, а говорив про саму сутність життя.

Багато біологів погодилися з ідеєю Орджела у тому, що «відтворення було першим». Теоретично еволюції Дарвіна здатність до продовження роду стоїть на чільному місці: це єдиний спосіб для організму «виграти» в цій гонці – тобто залишити після себе численних дітей.

Леслі Орджел висунув ідею, що перші клітини функціонували з урахуванням РНК.

Поділ на 3 табори

Але для життя характерні й інші особливості, причому однаково важливі.

Найочевидніша з них – метаболізм: здатність поглинати навколишню енергію та використовувати її для виживання.

Для багатьох біологів метаболізм є визначальною характеристикою життя, здатність відтворення ставлять на друге місце.

Отже, починаючи з 1960-х років, вчені, що б'ються над загадкою походження життя, почали ділитися на 2 табори.

Перший стверджував, що метаболізм з'явився раніше генетики, другий дотримувався зворотної думки, пояснює Сазерленд.

Існувала і третя група, яка стверджує, що спочатку мав з'явитися якийсь контейнер для ключових молекул, який би дозволяв їм розпадатися.

«Компартменталізація мала з'явитися першою, тому що без неї метаболізм клітин втрачає будь-який сенс», пояснює Сазерленд.

Іншими словами, біля витоків життя мала стояти клітина, як це вже підкреслили Опарін і Холдейн за кілька десятків років до цього, і, можливо, ця клітина мала бути покрита простими жирами та ліпідами.

Кожна з трьох ідей набула своїх прихильників і дожила до наших днів. Вчені часом забували про холоднокровний професіоналізм і сліпо підтримували одну з трьох ідей.

В результаті, наукові конференції з цього питання часто супроводжувалися скандалами, а журналісти, які висвітлюють ці події, часто чули неприємні відгуки вчених одного табору про роботу своїх колег із двох інших.

Завдяки Орджел, думка про те, що життя почалося з РНК, наблизила громадськість ще на крок вперед до розгадки.

А у 1980-х роках відбулося приголомшливе відкриття, яке фактично підтвердило гіпотезу Орджела.

Що було першим: контейнер, метаболізм чи генетика?

Отже, наприкінці 1960-х років у пошуках відповіді на загадку походження життя на планеті вчені розділилися на 3 табори.

1. Перші були певні, що життя почалося з формування примітивних версій біологічних клітин.
2. Другі вважали, що першим та ключовим кроком була система метаболізму.
3. Треті ж сфокусувалися на важливості генетики та відтворення (реплікації).

Цей третій табір намагався зрозуміти, як міг виглядати перший реплікатор, тримаючи в голові ідею, що реплікатор повинен складатися з РНК.

Багатолика РНК

До 1960-х років у вчених накопичилося чимало причин вважати, що РНК була джерелом життя.

До цих причин ставився той факт, що РНК могла робити те, чого не могла ДНК.

Будучи одноланцюжковою молекулою, РНК могла згинатися, надаючи собі різних форм, що було недоступно для жорсткої ДНК з двома ланцюгами.

Складається ніби орігамі РНК сильно нагадувала своєю поведінкою білки. Адже білки – це такі самі довгі ланцюжка, але які з амінокислот, а чи не нуклеотидів, що дозволяє їм створювати складніші структури.

Це і є ключ до найдивовижнішої здатності білків. Деякі білки можуть прискорювати або «каталізувати» хімічні реакції. Ці білки називають ферментами.

Наприклад, у людських кишках міститься чимало ферментів, що розбивають складні молекули їжі на прості (на кшталт цукру) – тобто такі, які надалі використовуються нашими клітинами. Жити без ферментів було б просто неможливо. Наприклад, недавня смерть зведеного брата корейського лідера в аеропорту Малайзії була викликана тим, що в його організмі припинив функціонувати фермент (ензим), дія якого пригнічує нервовий реагент VX - в результаті паралізується робота системи дихання і людина помирає протягом декількох хвилин. Такі важливі роботи нашого організму ферменти.

Леслі Орджел та Френсіс Крік висунули чергову гіпотезу. Якщо РНК могла складатися, як це робили білки, чи могла вона формувати ще й ферменти?

Якби це виявилося так, то РНК могла б бути оригінальною – і вкрай універсальною – живою молекулою, що зберігає інформацію (як це робить ДНК) та каталізуючою реакцією, що властиво деяким білкам.

Ідея була цікавою, але за наступні 10 років доказів на її підтримку так і не було знайдено.

Ферменти РНК

Томас Чек народився і виріс у Айові. Ще в дитинстві його пристрастю були камені та мінерали. І вже у старших класах школи він був постійним гостем у геологів місцевого університету, які показували йому моделі мінеральних структур. Зрештою він став біохіміком, зосередившись вивчення РНК.

На початку 1980-х років Чек та його колеги з Колорадського університету в Боулдері вивчали одноклітинний організм під назвою Tetrahymena thermophile. Частина цього клітинного організму включала ланцюги РНК. Чек зауважив, що один із сегментів РНК іноді відокремлюється від інших, наче його відділили ножицями.

Коли його команда виключила всі ферменти та інші молекули, які могли виступати в ролі молекулярних ножиць, РНК, як і раніше, продовжувала ізолювати цей сегмент. Тоді ж було виявлено перший фермент РНК: маленький сегмент РНК, здатний самостійно відокремлюватися від великого ланцюга, до якого він був приєднаний.

Оскільки два ферменти РНК виявили відносно швидко, вчені припустили, що їх насправді може бути набагато більше. Тепер все більше фактів говорило на користь того, що життя почалося з РНК.

Томас Чек виявив перший фермент РНК.

Світ РНК

Першим, хто дав ім'я цієї концепції став Уолтер Гілберт.

Будучи фізиком, який несподівано зацікавився молекулярною біологією, Гілберт одним із перших виступив на захист теорії про секвенування геному людини.

У 1986 році у своїй статті в журналі "Nature" Гілберт припустив, що життя почалося в так званому "Світі РНК".

Перший етап еволюції, за словами Гілберта, складався з "процесу, в ході якого молекули РНК виконували роль каталізаторів, збираючи себе в бульйоні з нуклеотидів".

Копіюючи і вставляючи різні фрагменти РНК у загальний ланцюг, молекули РНК створювали корисніші ланцюжки з урахуванням наявних. У результаті настав момент, коли вони навчилися створювати білки та білкові ферменти, які виявилися набагато кориснішими за РНК-версії, здебільшого витіснивши їх і давши початок тому життю, яке ми спостерігаємо сьогодні.

«Світ РНК» – це досить витончений спосіб створення складних живих організмів з нуля.

У цій концепції не потрібно покладатися на одночасне формування десятків біологічних молекул у «первинному бульйоні», достатньо буде однієї-єдиної молекули, з якої все й почалося.

Докази

У 2000 році гіпотеза про «Світ РНК» набула солідних доказів.

Томас Стейц провів 30 років, вивчаючи структури молекул у живих клітинах. У 90-ті роки він розпочав головне дослідження свого життя: вивчення структури рибосоми.

У кожній живій клітині є рибосома. Ця велика молекула зчитує інструкції з РНК та поєднує амінокислоти для створення білків. Рибосоми у клітинах людини вибудовують практично кожен шматочок тіла.

На той час вже було відомо, що рибосома містить РНК. Але 2000 року команда Стейца представила деталізовану модель структури рибосоми, у якій РНК постала у ролі каталітичного ядра рибосоми.

Це відкриття було серйозним, особливо враховуючи, наскільки давньою та фундаментально важливою для життя вважалася рибосома. Факт того, що настільки важливий механізм був заснований на РНК, зробив теорію «Світу РНК» набагато правдоподібнішим у наукових колах. Найбільше відкриття раділи прихильники концепції «Світу РНК», а Стейц у 2009 році отримав Нобелівську премію.

Але після цього вчені почали з'являтися сумніви.

Проблеми теорії "Світу РНК"

Теоретично «Світу РНК» спочатку було дві проблеми.

По-перше, чи могла РНК насправді виконувати всі життєво важливі функції? І чи могла вона сформуватися за умов ранньої Землі?

Пройшло вже 30 років з моменту створення Гілбертом теорії «Світу РНК», а в нас, як і раніше, немає вичерпних доказів того, що РНК справді здатна на все, що описано в теорії. Так, це напрочуд функціональна молекула, але чи достатньо однієї РНК для всіх функцій, що їй приписуються?

В очі впадала одна нестикування. Якщо життя почалося з молекули РНК, то, отже, РНК вміє створювати свої копії чи репліки.

Але цієї можливості немає в жодної з усіх відомих РНК. Для створення точної копії фрагмента РНК або ДНК потрібна безліч ферментів та інших молекул.

Тому наприкінці 80-х група біологів розпочала досить відчайдушні дослідження. Вони мали намір створити РНК, здатну до самореплікації.

Спроби створити РНК, що самовідтворюється.

Джек Шостак із Гарвардської медичної школи був першим із цих дослідників. З раннього дитинства він був настільки захоплений хімією, що навіть перетворив свій підвал на лабораторію. До своєї безпеки він ставився з нехтуванням, що одного разу призвело до вибуху, який пригвоздив скляну колбу до стелі.

На початку 80-х Шостак наочно продемонстрував, як людські гени захищають себе від старіння. Це раннє дослідження пізніше приведе його до лауреатів Нобелівської премії.

Але незабаром він перейнявся дослідженнями Чека, пов'язаними з ферментами РНК. "Я вважаю, що це неймовірна робота", – каже Шостак. - «В принципі, цілком імовірно, що РНК може бути каталізатором для створення власних копій».

У 1988 році Чек виявив фермент РНК, здатний формувати малу молекулу РНК завдовжки 10 нуклеотидів.

Шостак вирішив піти далі і створити нові ферменти РНК в лабораторії. Його команда створила набір випадкових послідовностей і протестувала кожну, щоб знайти хоча б одну, яка мала б здібності каталізатора. Далі послідовності змінювалися, і тест продовжувався.

Після 10 спроб Шостак зумів створити фермент РНК, який у ролі каталізатора прискорював реакцію у 7 мільйонів разів швидше, ніж це відбувається у природному середовищі.

Команда Шостака довела, що ферменти РНК можуть бути дуже потужними. Але їхній фермент не міг створювати свої репліки. Це був глухий кут для Шостака.

Фермент R18

У 2001 році наступний прорив зробив колишній учень Шостака - Девід Бартель з Массачусетського технологічного інституту в Кембриджі.

Бартель створив фермент РНК під назвою R18, який міг додавати нові нуклеотиди в ланцюжок РНК на основі існуючих.

Іншими словами, фермент не просто додавав випадкові нуклеотиди, а точно копіював послідовність.

До молекул, що самовідтворюються, було ще далеко, але напрямок був вірним.

Фермент R18 складався з ланцюжка, куди входило 189 нуклеотидів, і міг додавати до нього ще 11 - тобто 6% від своєї довжини. Дослідники сподівалися, що ще через кілька дослідів ці 6% вдасться перетворити на 100%.

Найудачливішим у цьому полі виявився Філіп Холлігер з Лабораторії молекулярної біології у Кембриджі. У 2011 році його команда модифікувала фермент R18, створивши фермент tC19Z, який міг копіювати послідовність до 95 нуклеотидів. Це становило 48% його довжини більше, ніж у R18, але явно не необхідні 100%.

Джеральд Джойс і Трейсі Лінкольн з Дослідницького інституту Скрипса в Ла-Холья представили альтернативний підхід до питання. 2009 року вони створили фермент РНК, який створює свою репліку побічно.

Їхній фермент об'єднує два короткі фрагменти РНК і створює інший фермент. Той, своєю чергою, поєднує два інших фрагменти РНК, щоб відтворити оригінальний фермент.

За наявності вихідних матеріалів цей простий цикл може тривати нескінченно. Але ферменти працюють належним чином тільки якщо є потрібні ланцюги РНК, створені Джойсом і Лінкольн.

Для багатьох вчених, які скептично ставляться до ідеї «Світу РНК», відсутність самостійної реплікації РНК – це головна причина скепсису. РНК просто не справляється з участю автора всього життя.

Не додають оптимізму та невдачі хіміків у створенні РНК із нуля. І хоча РНК – це набагато простіша молекула, ніж ДНК, її створення виявилося неймовірною проблемою.

Перші клітини, швидше за все, розмножувалися поділом.

Проблема у цукрі

Вся справа в цукрі, що присутня в кожному нуклеотиді, і основі нуклеотиду. Їх реально створити окремо, але зв'язати їх воєдино неможливо.

На початку 90-х ця проблема вже була очевидною. Багатьох біологів вона переконала в тому, що гіпотеза «Світу РНК», хоч би якою привабливою вона здавалася, все-таки залишається лише гіпотезою.

• Можливо, на ранній Землі спочатку існувала інша молекула: простіше, ніж РНК, і зібралася з «первинного бульйону», а потім почати самовідтворення.
• Можливо, першою була ця молекула, а вже після неї з'явилися РНК, ДНК та інші.

Поліамідна нуклеїнова кислота (ПНК)

У 1991 році Петер Нільсен з Копенгагенського університету в Данії, здавалося, знайшов відповідного кандидата на роль первинного реплікатора.

Насправді, це була значно вдосконалена версія ДНК. Нільсен залишив основу незмінною – стандартні A, T, C та G – але замість молекул цукру використовував молекули під назвою поліаміди.

молекулу, що вийшла, він назвав поліамідною нуклеїновою кислотою, або ПНК. Однак, з часом розшифровка абревіатури чомусь перетворилася на «пептидна нуклеїнова кислота».

У природі ПНК немає. Але її поведінка сильно нагадує поведінку ДНК. Ланцюг ПНК навіть може замінити ланцюг у молекулі ДНК, і підстави спарюються як завжди. Понад те, ПНК може закручуватися в подвійну спіраль, як ДНК.

Стенлі Міллер був заінтригований. З глибоким скепсисом ставлячись до концепції «Світу РНК», він вважав, що ПНК краще на роль першого генетичного матеріалу.

2000 року він підкріпив свою думку доказами. До того моменту йому вже було 70 років і він пережив кілька інсультів, після яких міг би опинитися і в будинку для людей похилого віку, проте здаватися він не збирався.

Міллер повторив свій класичний експеримент, описаний раніше, цього разу використовуючи метан, азот, аміак та воду, і отримав у результаті поліамідну основу ПНК.

З цього випливало, що на ранній Землі цілком могли бути умови для появи ПНК, на відміну від РНК.

Поведінка ПНК нагадує ДНК.

Треозо-нуклеїнова кислота (ТНК)

Тим часом, інші хіміки створили власні нуклеїнові кислоти.

В 2000 Альберт Ешенмозер створив треозо-нуклеїнову кислоту (ТНК).

По суті це була та сама ДНК, але з іншим видом цукру в основі. Ланцюги ТНК могли утворювати подвійну спіраль, а інформація могла передаватися з РНК ТНК і назад.

Понад те, ТНК могла утворювати і складні форми, зокрема і форму білка. Це натякало те що, що ТНК могла виконувати роль ферменту, як і РНК.

Гліколь-нуклеїнова кислота (ГНК)

У 2005 році Ерік Меггерс створив глікольнуклеїнову кислоту, також здатну утворювати спіраль.

У кожної з цих нуклеїнових кислот були свої прихильники: зазвичай самі творці кислот.

Але в природі від подібних нуклеїнових кислот не залишилося ні сліду, тож навіть якщо припустити, що їх використало перше життя, то на якомусь етапі вона мала відмовитися від них на користь РНК та ДНК.

Звучить правдоподібно, але не підкріплюється доказами.

Гарна була концепція, але…

Таким чином, до середини першого десятиліття 21-го століття прихильники концепції «Світу РНК» опинилися у скрутному становищі.

З одного боку, ферменти РНК існували в природі і включали один з найважливіших фрагментів біологічних механізмів - рибосому. Це не погано.

Але, з іншого боку, в природі не було знайдено РНК, що самовідтворюється, і ніхто так і зміг пояснити, як саме сформувалася РНК в «первинному бульйоні». Останнє могло пояснюватись альтернативними нуклеїновими кислотами, але й їх у природі вже (або ніколи) не існувало. Це погано.

Вердикт до всієї концепції «Світу РНК» був очевидним: концепція хороша, але не вичерпна.

А тим часом ще з середини 80-х років повільно розвивалася інша теорія. Її прихильники запевняли, що життя почалося не з РНК, ДНК чи будь-якої іншої генетичної субстанції. На їхню думку, життя зародилося як механізм використання енергії.

Спершу енергія?

Отже, з роками вчені, які займаються питаннями походження життя, розділилися на 3 табори.

Представники першого були переконані, що життя почалося з молекули РНК, але їм не вдалося з'ясувати, як молекулам РНК або подібним до РНК вдалося спонтанно з'явитися на ранній Землі та почати самовідтворення. Успіхи вчених спочатку захоплювали, але в результаті дослідники прийшли в глухий кут. Однак, навіть коли ці дослідження були в розпалі, вже знайшлися ті, хто був упевнений, що життя зародилося зовсім інакше.

Теорія «Світу РНК» спирається просту ідею: найважливіша функція організму – це здатність до продовження роду. З цим згодні більшість біологів. Усі живі істоти – від бактерій до синіх китів – прагнуть залишити потомство.

Тим не менш, багато дослідників цього питання не згодні, що репродуктивна функція стоїть на першому місці. Вони кажуть, що до початку розмноження організм має стати самодостатнім. Він має бути здатний підтримувати життя у собі. Зрештою, не вдасться завести дітей, якщо до цього померти.

Ми підтримуємо життя за допомогою їжі, тоді як рослини поглинають енергію із сонячного світла.

Так, хлопець, який із задоволенням уплітає соковиту відбивну, явно не схожий на віковий дуб, але по суті вони обоє поглинають енергію.

Поглинання енергії є основою життя.

Метаболізм

Говорячи про енергію живих істот, ми маємо справу з метаболізмом.

1. Перший етап - це отримання енергії, припустимо, з речовин, багатих на енергію (наприклад, цукор).
2. Другий - використання енергії для побудови корисних клітин в організмі.

Процес використання енергії надзвичайно важливий, і багато дослідників впевнені, що саме він став тим, з чого почалося життя.

Але як могли виглядати організми з лише функцією метаболізму?

Перше та найвпливовіше припущення було висунуто Гюнтером Вахтершаузером наприкінці 80-х років 20-го століття. За професією він був патентним юристом, але мав пристойні знання в галузі хімії.

Вахтершаузер припустив, що перші організми «дивовижно відрізнялися від усього, що ми знаємо». Вони не складалися з кліток. Вони не мали ферментів, ДНК чи РНК.

Для наочності Вахтершаузер описав потік гарячої води, що з вулкана. Вода була насичена вулканічними газами типу аміаку та містила частинки мінералів із центру вулкану.

У місцях, де потік протікав скелями, починалися хімічні реакції. Метали, що містяться у воді, сприяли створенню великих органічних сполук більш простих.

Метаболічний цикл

Поворотним моментом стало створення першого метаболічного циклу.

У ході цього процесу одна хімічна речовина перетворюється на кілька інших, і так далі, поки в результаті все не приходить до відтворення першої речовини.

Під час процесу вся система, що бере участь у метаболізмі, накопичує енергію, яку можна використовувати для перезапуску циклу або для запуску якогось нового процесу.

Решта, ніж наділені сучасні організми (ДНК, клітини, мозок), з'явилося пізніше, причому з урахуванням цих хімічних циклів.

Метаболічні цикли не дуже схожі на життя. Тому Вахтершаузер називав свої винаходи прекурсорними організмами і писав, що їх навряд чи можна називати живими.

Але описані Вахтершаузером метаболічні цикли завжди стоять у центрі будь-якого живого організму.

Ваші клітини – це насправді мікроскопічні заводи, які невпинно розщеплюють одні речовини, перетворюючи їх на інші.

Метаболічні цикли, незважаючи на «механічність», є фундаментально важливими для життя.

Дві останні декади 20 століття Вахтершаузер присвятив своїй теорії, опрацьовуючи її в деталях. Він описав, які мінерали підійшли б краще за інші і які хімічні цикли могли мати місце. Його міркування почали набирати прихильників.

Експериментальне підтвердження

У 1977 році команда Джека Корлісса з Університету штату Орегон здійснила занурення у води східного Тихого Океану на глибину 2,5 кілометра (1,5 милі). Вчені вивчали Галапагоське гаряче джерело у місці, де з дна піднімалися хребти гірських порід. Хребти, як було відомо, були вулканічно активними.

Корлісс виявив, що хребти були практично усіяні гарячими джерелами. Гаряча та насичена хімічними речовинами вода піднімалася з-під морського дна і випливала через отвори у скелях.

Напрочуд, але ці «гідротермальні жерла» були густо населені дивними створіннями. Це були величезні молюски кількох видів, мідії та кільчасті черв'яки.

Вода також була сповнена бактерій. Всі ці організми жили за рахунок енергії із гідротермальних жерл.

Відкриття гідротермальних жерл створило Корлісу чудову репутацію. Воно також змусило його замислитись.

Гідротермальні жерла в океані забезпечують життя організмів сьогодні. Можливо, вони й стали її першоджерелом?

Гідротермальні жерла

1981 року Джек Корлісс припустив, що подібні жерла існували на Землі 4 мільярди років тому і саме навколо них зародилося життя. Всю свою подальшу кар'єру він присвятив розробці цієї ідеї.

Корлісс припустив, що гідротермальні жерла могли створювати суміш хімічних речовин. Кожне жерло, стверджував він, було чимось подібним до розпилювача «первинного бульйону».

• Поки гаряча вода текла крізь скелі, тепло і тиск змушувало найпростіші органічні сполуки перетворюватися на складніші, на кшталт амінокислот, нуклеотидів і цукру.
• Ближче до виходу в океан, де вода була вже не такою гарячою, вони починали утворювати ланцюги, формуючи вуглеводи, білки та нуклеотиди на кшталт ДНК.
• Потім, уже в самому океані, де вода значно охолоджувалась, ці молекули збиралися у прості клітини.

Теорія звучала розумно та привернула увагу.

Але Стенлі Міллер, чий експеримент обговорювався раніше, не поділяв ентузіазму. У 1988 році він писав, що жерла були надто гарячими для утворення в них життя.

Теорія Корліса полягала в тому, що екстремальна температура могла запустити формування речовин на кшталт амінокислот, але експерименти Міллера показували, що вона могла і знищити їх.

Ключові сполуки типу цукру могли протриматися кілька секунд.

Більше того, ці прості молекули навряд чи зуміли б утворити ланцюги, оскільки вода, що оточує, практично моментально розірвала б їх.

Тепло, ще тепліше.

У цей момент у дискусію вступив геолог Майк Расселл. Він вважав, що теорія про жерла ідеально вписується в припущення Вахтершаузера про прекурсорні організми. Ці думки привели його до створення однієї з найпопулярніших теорій щодо походження життя.

Молодість Расселла пройшла за створенням аспірину та вивченням цінних мінералів. А під час можливого виверження вулкана у 60-х він успішно координував план реагування, не маючи за спиною досвіду. Але йому було цікаво вивчати, як змінювалася поверхня Землі протягом різних епох. Можливість подивитись історію з перспективи геолога і сформувала його теорію про походження життя.

У 80-х він знайшов скам'янілості, що свідчать про те, що в давнину існували гідротермальні жерла, де температура не перевищувала 150 градусів за Цельсієм. Ці помірні температури, як він стверджував, могли дозволити молекулам протриматися набагато довше, ніж Міллер.

Більше того, в скам'янілості цих менш гарячих жерл знайшлося щось цікаве. Мінерал під назвою пірит, що складається із заліза та сірки, у вигляді трубочок довжиною в 1 міліметр.

У своїй лабораторії Рассел виявив, що пірит може формувати ще й сферичні краплі. Він припустив, що перші складні органічні молекули сформувалися саме всередині структури з піриту.

Приблизно в той же час Вахтершаузер почав публікувати свої теорії, що базуються на тому, що потік води, багатої на хімікати, вступав у взаємодію з деяким мінералом. Він навіть припустив, що цим мінералом міг бути бенкет.

2+2=?

Расселлу залишалося лише скласти 2 та 2.

Він припустив, що всередині теплих гідротермальних жерл у глибокому морі, де могли утворитися пірітові структури, сформувалися прекурсорні організми Вахтершаузера. Якщо Рассел не помилявся, то життя зародилося на глибині моря, а першим з'явився метаболізм.

Все це було викладено у статті Расселла, опублікованій у 1993 році, через 40 років після класичного експерименту Міллера.

Резонанс у пресі виник набагато менший, але важливість відкриття це не применшує. Рассел об'єднав дві різні ідеї (метаболічні цикли Вахтершаузера та гідротермальні жерла Корлісса) в одну досить переконливу концепцію.

Концепція стала ще більш вражаючою, коли Рассел поділився своїми ідеями, як перші організми поглинали енергію. Іншими словами, він пояснив, як міг працювати їхній метаболізм. Його ідея спиралася на роботу одного із забутих геніїв сучасної науки.

"Недолугі" експерименти Мітчелла

У 60-х роках біохімік Пітер Мітчелл через хворобу був змушений покинути Единбурзький університет.

Він переобладнав особняк у Корнуоллі на особисту лабораторію. Будучи відрізаним від наукового співтовариства, він фінансував свою роботу, продаючи молоко своїх домашніх корів. Багато біохіміків, у тому числі і Леслі Орджел, чиї дослідження РНК обговорювалися раніше, вважали роботу Мітчелла вкрай безглуздою.

Майже через два десятки років Мітчелл переміг, отримавши Нобелівську премію з хімії в 1978 році. Знаменитим він так і не став, проте його ідеї простежуються у будь-якому підручнику з біології.

Мітчелл присвятив своє життя вивченню того, на що організми витрачають енергію, що отримується з їжі. Іншими словами, йому було цікаво, як ми залишаємося живими від секунди до секунди.

Британський біохімік Пітер Мітчелл отримав Нобелівську премію з хімії за свою роботу з відкриття механізму синтезу АТФ.

Як організм зберігає енергію

Мітчелл знав, що всі клітини зберігають енергію у конкретній молекулі – аденозинтрифосфат (АТФ). Важливо те, що до аденозину прикріплено ланцюжок із трьох фосфатів. На приєднання третього фосфату йде багато енергії, яка пізніше полягає в АТФ.

Коли клітині потрібна енергія (припустимо при скороченні м'яза), вона відсікає третій фосфат від АТФ. Це перетворює АТФ на аденозидифосфат (АДФ) і вивільняє накопичену енергію.

Мітчелл хотів зрозуміти, як клітинам спочатку вдалося створити АТФ. Як вони концентрували достатньо енергії в АДФ для того, щоб приєднався третій фосфат?

Мітчелл знав, що фермент, який утворює АТФ, знаходиться на мембрані. Він зробив висновок, що клітина закачує заряджені частинки, які називають протонами, через мембрану, і тому по один бік можна побачити безліч протонів, тоді як з іншого боку їх майже немає.

Потім протони намагаються повернутися в мембрану, щоб зберегти баланс з кожного боку, але вони можуть потрапити тільки в фермент. Потік протонів, що снують, і дає ферменту необхідну енергію для створення АТФ.

Мітчелл вперше висловив цю ідею 1961 року. Наступні 15 років він захищав свою теорію від нападок, незважаючи на незаперечні докази.

Сьогодні відомо, що процес, описаний Мітчеллом, властивий кожній живій істоті на планеті. Він відбувається у ваших клітинах прямо зараз. Як і ДНК, це фундаментальна частина того життя, що ми знаємо.

Для життя був потрібний природний поділ протонів

Будуючи свою теорію життя, Расселл звернув увагу на поділ протонів, показаний Мітчеллом: безліч протонів з одного боку мембрани і лише кілька – з іншого.

Всім клітинам потрібний такий поділ протонів, щоб зберігати енергію.

Сучасні клітини створюють такий поділ, викачуючи протони з мембрани, але тут задіяна складна молекулярна механіка, яка не могла просто з'явитися миттєво.

Так що Рассел зробив ще один логічний висновок: життя сформувалося там, де є природний поділ протонів.

Десь біля гідротермальних жерл. Але жерло має бути конкретного типу.

Рання Земля мала кислі моря, а кисла вода просто насичена протонами. Для поділу протонів вода у гідротермальних жерл повинна бути мізерна на протони: іншими словами, вона повинна бути лужною.

Гідротермальні жерла Корліса не підходили під цю умову. Вони не тільки були надто гарячими, а й надто насиченими кислотами.

Але в 2000 році Дебор Келлі з Вашингтонського університету виявила перші лужні гідротермальні жерла.

Доктор Дебор Келлі.

Лужні та прохолодні гідротермальні жерла

Келлі насилу вдалося стати вченою. Її батько помер, коли вона була у старших класах, і їй доводилося працювати після лекцій, щоб сплатити за навчання в університеті.

Але вона досягла успіху, а пізніше загорілася ідеєю вивчення підводних вулканів і гарячих гідротермальних джерел. Пристрасть до вивчення вулканів та підводних гарячих жерл привела її до серця Атлантичного океану. Саме тут у глибині знаходився величний гірський хребет, що височіє з океанського дна.

На цьому хребті Келлі виявила цілу мережу гідротермальних жерл, які назвала «Загубленим містом». Вони не були схожими на ті, що знайшов Корлісс.

З них текла вода температурою 40-75 градусів за Цельсієм та з невеликим вмістом лугу. Карбонатні мінерали з такої води утворювали круті білі стовпи, схожі зі стовпами диму і що височіли з дна подібно до труб органу. Незважаючи на моторошний і «примарний» вигляд, ці стовпи насправді були будинком для колоній мікроорганізмів, що мешкають у теплій воді.

Ці лужні жерла чудово підходили під теорію Расселла. Він був упевнений, що життя почалося в жерлах, схожих на жерла «Загубленого міста».

Але була одна проблема. Будучи геологом, Рассел недостатньо багато знав про біологічні клітини, щоб зробити свою теорію максимально переконливою.

Найвичерпніша теорія виникнення життя на Землі

Щоб подолати проблеми обмеженості своїх знань, Рассел об'єднався з американським біологом Вільямом Мартіном. Любитель спорів Мартін більшу частину своєї кар'єри пропрацював у Німеччині.

У 2003 році вони представили покращену версію ранньої концепції Расселла. І, мабуть, цю теорію про походження життя на Землі можна назвати найвичерпнішою з усіх існуючих.

Завдяки Келлі вони знали, що скелі лужних жерл були пористими: вони були усіяні невеликими отворами, наповненими водою. Вчені припустили, що ці отвори виконували роль клітин. У кожному їх містилися важливі речовини, на кшталт мінералів на кшталт піриту. Додайте сюди природний поділ протонів, який забезпечували жерла, та отримайте ідеальне місце для зародження метаболізму.

Як тільки життя почало використовувати хімічну енергію води з жерл, припустили Рассел і Мартін, вона почала створювати молекули на кшталт РНК. Зрештою, вона створила власну мембрану, ставши справжньою клітиною, і залишила пористу скелю, подавшись у відкриті води.

На сьогоднішній день це одна з провідних гіпотез щодо походження життя.

Останні відкриття

Серйозну підтримку ця теорія отримала у липні 2016 року, коли Мартін опублікував дослідження, в ході яких здійснювалася реконструкція деяких особливостей «останнього універсального спільного предка» (ПВОП). Це умовна назва організму, що існував мільярди років тому, який і дав початок усьому розмаїттю сучасного життя.

Нам, можливо, вже не вдасться знайти скам'янілості цього організму, але на основі всіх даних ми можемо припустити, як він виглядав і які характеристики мав, вивчивши сучасні мікроорганізми.

Саме це зробив Мартін. Він вивчив ДНК 1930 р. сучасних мікроорганізмів і виділив 355 генів, які були присутні майже в кожному з них.

Можна припустити, що саме ці 355 генів передавалися з покоління до покоління, оскільки всі ці 1930 мікробів мали спільного предка – імовірно, з тих часів, коли ще існував ПУОП.

Серед цих генів були ті, що відповідали за використання поділу протонів, але не відповідали за створення цього поділу – точно як у теорії Расселла і Мартіна.

Більше того, ПУОП, схоже, зумів адаптуватися до речовин на кшталт метану, що мало на увазі наявність вулканічно активного навколишнього середовища навколо. Тобто гідротермального жерла.

Не все так просто

Проте прихильники ідеї «Світу РНК» знайшли дві проблеми у концепції Расселла-Мартіна. Одну можна потенційно виправити, але інша могла означати крах всієї теорії.

Перша проблема полягає у відсутності експериментальних доказів того, що описані Расселлом та Мартіном процеси реально мали місце.

Так, вчені крок за кроком вибудували теорію, але жоден із кроків не був поки що відтворений у лабораторних умовах.

«Прихильники ідеї про первинну появу реплікаціїрегулярно надають результати дослідів», каже Армен Мулкіджанян, експерт із питань походження життя. «Прибічники ж ідеї про первинну появу метаболізмуцього не роблять».

Але це може незабаром змінитися завдяки колезі Мартіна, Ніку Лейну з Університетського коледжу Лондона. Лейн сконструював «реактор походження життя», який симулюватиме умови всередині лужного жерла. Він сподівається відтворити метаболічні цикли та, можливо, навіть РНК. Але поки що про це рано говорити.

Друга проблема полягає в тому, що жерла розташовані глибоко під водою. Як зазначив Міллер у 1988 році, молекули з довгими ланцюгами, на кшталт РНК та білків, не зможуть сформуватися у воді за відсутності ферментів, які не дозволять їм розпастися.

Для багатьох дослідників цей аргумент став вирішальним.

"Маючи освіту в галузі хімії, повірити в теорію з глибоководними жерлами не вийде, оскільки ви знаєте хімію і розумієте, що всі ці молекули несумісні з водою", говорить Мулкіджанян.

Тим не менш, Рассел і його прихильники не поспішають зрікатися своїх ідей.

Але в останні десятиліття на передній план вийшов третій підхід, який супроводжувався серією вкрай цікавих експериментів.

На відміну від теорій про «Світ РНК» та гідротермальні жерла, цей підхід у разі успіху обіцяв немислиме – створення живої клітини з нуля.

Як створити клітку?

На початку 21 століття існувало дві провідні концепції походження життя.

1. Прихильники «Світу РНК»стверджували, що життя почалося з молекули, що самовідтворюється.
2. Прихильники ж теорії про « первинному метаболізмі»створили детальне уявлення про те, як могло зародитися життя у глибоководних гідротермальних джерелах.

Проте на передній план вийшла третя теорія.

Кожна жива істота Землі складається з клітин. Кожна клітина - це по суті м'яка кулька з жорсткою стінкою, або мембраною.

Завдання клітини – утримувати всі життєво важливі елементи усередині. Якщо порветься зовнішня стінка, то виллються нутрощі, а клітина фактично загине – як випотрошена людина.

Зовнішня стінка клітини настільки важлива, що деякі вчені вважають, що саме вона мала з'явитися першою. Вони впевнені, що теорія про «первинну генетику» та теорія про «первинний метаболізм» докорінно невірні.

Їхня альтернатива, «первинна компартменталізація», спирається насамперед на праці П'єра Луїджі Луїзі з Університету Рома Тре в Римі.

Теорія протоклетки

Докази Луїзі прості та переконливі. Як можна уявити собі процес метаболізму або РНК, що самовідтворюється, де потрібна сила-силенна речовин в одному місці, якщо ще не існує контейнера, де молекули знаходяться в безпеці?

Висновок із цього наступний: є лише один варіант походження життя.

Якось серед спеки і буревінь ранньої Землі деякі вихідні матеріали сформували примітивні клітини, чи «протоклетки».

Щоб довести цю теорію, необхідно провести досліди у лабораторії – спробувати створити просту живу клітину.

Корінням ідеї Луїзі сягали праці радянського вченого Олександра Опаріна, про якого йшлося раніше. Опарін підкреслив, що деякі речовини формують бульбашки, які називаються коацерватами, які можуть утримувати інші речовини у своєму центрі.

Луїзі припустив, що ці коацервати були першими протоклетками.

Коацервати були першими протоклетками.

Світ ліпідів

Будь-яка жирна чи олійна речовина утворює бульбашки чи плівку на воді. Ця група речовин називається ліпідами, а теорія про те, що саме вони дали початок життя, зветься «Світом ліпідів».

Але одного формування пухирів недостатньо. Вони повинні бути стабільними, мати можливість поділу, щоб створювати «дочірні» бульбашки, і хоча б трохи контролювати потік речовин, що входять і виходять з них – все це без білків, які відповідають за дані функції в сучасних клітинах.

Отже, потрібно було створити протоклетки з корисних матеріалів. Саме цим і займався Луїзі кілька десятиліть, але нічого переконливого так і не уявив.

Протоклетка з РНК

Потім 1994 року Луїзі висловив сміливе припущення. На його думку, перші протоклетки мали утримувати РНК. Понад те, ця РНК мала вміти самовідтворюватися всередині протоклетки.

Дане припущення означало відмову від чистої «первинної компартменталізації», але в Луїзі були на те вагомі причини.

Клітина із зовнішньою стінкою, але без генів усередині, була позбавлена ​​багатьох функцій. Вона мала бути здатною ділитися на дочірні клітини, але з могла передавати інформацію себе своєму потомству. Почати розвиватися і ставати складніше клітина могла лише за наявності хоча б кількох генів.

Незабаром теорія набула солідного прихильника в особі Джека Шостака, чия робота з гіпотези «Світу РНК» обговорювалася раніше. Протягом багатьох років ці вчені були з різних боків наукового співтовариства – Луїзі підтримував ідею «первинної компартменталізації», а Шостак – «первинної генетики».

"На конференціях з питань походження життя ми завжди вступали в довгі дебати щодо того, що було важливіше і що з'явилося раніше", згадує Шостак. «Зрештою, ми зрозуміли, що клітинам необхідно і те, й інше. Ми дійшли висновку, що без компартменталізації та генетичної системи не змогло б утворитися перше життя».

У 2001 році Шостак та Луїзі об'єднали зусилля та продовжили дослідження. У статті в журналі «Nature» вони стверджували, що для створення живої клітини з нуля необхідно помістити РНК, що самовідтворюється, в просту краплю жиру.

Ідея була смілива, і незабаром Шостак повністю присвятив себе її реалізації. Справедливо розсудивши, що «не можна розписувати теорію без практичних доказів», він вирішив розпочати експерименти із протоклітками.

Везикули

Через два роки Шостак із двома колегами оголосили про великий науковий прорив.

Досліди проводилися на везикулах: сферичних краплях із двома шарами жирних кислот зовні та рідким ядром усередині.

У спробі прискорити створення везикул вчені додали частки глинистого мінералу під назвою монтморилоніт. Це прискорило формування везикул у 100 разів. Поверхня глини була каталізатором, по суті виконуючи завдання ферменту.

Більш того, везикули могли поглинати частинки монтморилоніту, так і ланцюги РНК з поверхні глини.

Завдяки простій добавці глини, в результаті протоклетки містили і гени, і каталізатор.

Рішення додати монтморилоніт виникло неспроста. Десятиліття досліджень показували, що монтморилоніт та інші глинисті мінерали були дуже важливими при зародженні життя.

Монтморіллоніт – це звичайна глина. Нині він широко використовується в побуті, наприклад, як наповнювач для котячих туалетів. Формується він при розщепленні вулканічного попелу під впливом кліматичних умов. Оскільки на ранній Землі існувало чимало вулканів, логічно припустити, що монтморилоніту було надлишку.

Ще 1986 року хімік Джеймс Ферріс довів, що монтморилоніт – це каталізатор, що сприяє формуванню органічних молекул. Пізніше він також виявив, що мінерал прискорює формування малих РНК.

Це навело Ферріса на думку, що непоказна глина була свого часу місцем появи життя. Шостак підхопив цю ідею і використав монтморилоніт при створенні протокліток.

Формування везикул за участю глини відбувалося у сотні разів швидше.

Розвиток та поділ протокліток

Через рік команда Шостака виявила, що їхні протоклетки зростають самі собою.

Принаймні додавання нових молекул РНК в протоклетку, зовнішня стінка прогиналася під наростаючим тиском. Виглядало це так, ніби протоклетка набила собі живіт і ось-ось лусне.

Щоб компенсувати тиск, протоклетки вибирали жирні кислоти і вбудовували їх у стінку, щоб продовжити безпечно роздмухуватися до великих розмірів.

Але важливим є те, що жирні кислоти бралися з інших протокліток з меншим вмістом РНК, через що ті почали стискатися. Це означало, що протоклетки змагалися, а вигравали ті, що містили більше РНК.

Це вело до вражаючих висновків. Якщо протоклетки могли зростати, чи могли вони ділитися? Чи зможе Шостак змусити протоклетки самостійно відтворюватись?

Перші досліди Шостака показали один із способів поділу протокліток. При проштовхуванні протоклеток крізь маленькі отвори вони стискалися у форму трубочок, які ділилися на «дочірні» протоклетки.

Це було круто, адже у процесі не було задіяно жодних клітинних механізмів, лише звичайний механічний тиск.

Але були й мінуси, оскільки у процесі досвіду протоклетки втрачали частину свого вмісту. Також виходило, що перші клітини могли ділитися лише під тиском зовнішніх сил, які б проштовхували їх крізь вузькі отвори.

Існує багато способів змусити везикул ділитися: наприклад, додати потужний потік води. Але треба було знайти спосіб, у якому протоклетки ділилися б, не втрачаючи свого вмісту.

Принцип цибулини

У 2009 році Шостак та його студент Тінь Чжу знайшли рішення. Вони створили трохи складніші протоклетки з кількома стінками, що трохи нагадували шари цибулини. Незважаючи на складність, створити такі протоклетки було досить просто.

Поки Чжу підживлював їх жирними кислотами, протоклетки росли і змінювали форму, подовжуючись і набуваючи ниткоподібної форми. Коли протоклетка ставала досить великою, вистачало лише невеликого застосування сили, щоб вона розпалася на маленькі дочірні протоклетки.

Кожна дочірня протоклетка містила РНК з материнської протоклетки, і майже жоден елемент РНК не губився. Більше того, протоклетки могли й надалі продовжувати цей цикл – дочірні протоклетки росли та ділилися вже самостійно.

У ході подальших дослідів Чжу та Шостак знайшли спосіб змусити протоклетки ділитися. Схоже, одну частину проблеми було вирішено.

Необхідність самокопіювальної РНК

Проте, протоклетки досі не функціонували належним чином. Луїзі бачив протоклетки в ролі носіїв РНК, що самовідтворюються, але поки що РНК просто знаходилися всередині і ні на що не впливали.

Щоб продемонструвати, що протоклетки справді були першим життям на Землі, Шостаку необхідно було змусити РНК створювати свої копії.

Завдання було не з легких, оскільки десятиліття досвідів вчених, про які ми писали раніше, так і не призвели до створення РНК, що самовідтворюється.

З цією ж проблемою зіштовхнувся сам Шостак у ході своїх ранніх робіт над теорією «Світу РНК». З того часу її, схоже, ніхто так і не вирішив.

Орджел провів 70-ті та 80-ті роки за вивченням принципу копіювання ланцюгів РНК.

Суть його проста. Потрібно взяти один ланцюг РНК і помістити його в ємність із нуклеотидами. Потім використовувати ці нуклеотиди для створення другого ланцюга РНК, який доповнить перший.

Наприклад, ланцюг РНК зразка CGC сформує додатковий ланцюг зразка GCG. Наступна копія відтворить оригінальний ланцюг «CGC».

Орджел зауважив, що за певних умов ланцюга РНК копіюються у такий спосіб без допомоги ферментів. Цілком можливо, що перше життя копіювало свої гени саме в такий спосіб.

До 1987 року Орджел міг створювати додаткові ланцюга довжиною в 14 нуклеотидів в ланцюжках РНК, чия довжина дорівнювала 14 нуклеотидам.

Недостатній елемент

Адамала та Шостак виявили, що для реакції необхідний магній. Це було проблематично, оскільки магній знищував протоклетки. Але був і вихід: використовувати цитрат, який практично ідентичний лимонної кислоти, що міститься в лимонах та апельсинах, і який є присутнім у будь-якій живій клітині.

У доповіді, опублікованій у 2013 році, Адамала та Шостак розповіли про дослідження, в ході якого до протоклітки було додано цитрат, що накладається на магній та захищає протоклетки, не заважаючи при цьому копіюванню ланцюжків.

Іншими словами, вони досягли того, про що говорив Луїзі 1994 року. "Ми запустили самовідтворення РНК усередині жирно-кислотних везикул", каже Шостак.

Усього за десять років досліджень команда Шостака досягла неймовірних результатів.

• Вчені створили протоклетки, які зберігають свої гени, водночас поглинаючи корисні молекули із довкілля.
• Протоклетки можуть рости та ділитися і навіть змагатися один з одним.
• Вони існують РНК, які самовідтворюються.
• За всіма параметрами, створені в лабораторії протоклетки дивовижно нагадують життя.

Вони також були стійкими. У 2008 році команда Шостака виявила, що протоклетки можуть пережити температуру до 100 градусів за Цельсієм – температуру, за якої гине більшість сучасних клітин. Це лише посилило впевненість у тому, що протоклетки схожі з першим життям, яким необхідно було якось виживати за умов постійних метеоритних дощів.

«Успіхи Шостака вражають», – каже Армен Мулкіджанян.

Однак, на перший погляд, підхід Шостака дуже відрізняється від інших досліджень походження життя, що тривали останні 40 років. Замість фокусуватися на «первинному самовідтворенні» чи «первинній компартменталізації», він знайшов спосіб поєднати ці теорії.

Це стало приводом до створення нового об'єднаного підходу до вивчення питання походження життя Землі.

Цей підхід передбачає, що в першому житті не було характеристики, що з'явилася раніше за інші. Ідея про «первинний набір характеристик» має чимало практичних доказів і гіпотетично може вирішити всі проблеми існуючих теорій.

Велике об'єднання

У пошуках відповіді на питання про зародження життя вчені 20 століття розділилися на 3 табори. Кожен дотримувався лише своїх гіпотез і зверхньо відгукувався про роботи двох інших. Такий підхід виразно був результативним, але кожен із таборів у результаті зіткнувся з нерозв'язними проблемами. Тому в наші дні кілька вчених вирішили випробувати об'єднаний підхід до цієї проблеми.

Ідея об'єднання бере своє коріння в недавньому відкритті, яке доводить традиційну теорію про «первинне самовідтворення» «Світу РНК», але лише на перший погляд.

У 2009 році прихильники теорії "Світу РНК" зіткнулися з великою проблемою. Вони не могли створити нуклеотиди, будівельні блоки РНК, таким чином, як вони могли б самостворитися в умовах ранньої Землі.

Як ми бачили раніше, це призвело багатьох дослідників до думки, що перше життя ґрунтувалося зовсім не на РНК.

Джон Сазерленд розмірковував над цим ще з 80-х років минулого століття. «Було б чудово, якби хтось зумів продемонструвати, як самостійно збирається РНК», – каже він.

На щастя Сазерленда, він працював у Кембриджській лабораторії молекулярної біології (ЛМБ). Більшість дослідницьких інститутів постійно гальмують своїх працівників в очікуванні нових відкриттів, але ЛМБ дозволяла співробітникам серйозно попрацювати над проблемою. Тому Сазерленд міг спокійно розмірковувати про те, чому так складно створити нуклеотиди РНК і протягом кількох років розробляв альтернативний підхід.

У результаті Сазерленд дійшов абсолютно нових поглядів на походження життя, які полягали в тому, що всі ключові компоненти життя могли сформуватися одночасно.

Скромний будинок Кембриджської лабораторії молекулярної біології.

Щасливий збіг молекул та обставин

"У хімії РНК не працювали відразу кілька ключових аспектів", - пояснює Сазерленд. Кожен нуклеотид РНК складається з цукру, основи та фосфату. Але на практиці змусити цукор та підставу взаємодіяти виявилося неможливо. Молекули були просто не тієї форми.

Тому Сазерленд розпочав експерименти з іншими речовинами. У результаті його команда створила 5 простих молекул, що складаються з іншого виду цукру та ціанаміду, який, як видно за назвою, споріднений з ціанідом. Ці речовини пропустили через низку хімічних реакцій, що призвело до створення двох із чотирьох нуклеотидів.

Безперечно, це був успіх, який миттєво підняв репутацію Сазерленда.

Багатьом спостерігачам здалося, що це черговий доказ на користь теорії про «Світ РНК». Але сам Сазерленд дивився на це інакше.

«Класична» гіпотеза «Світу РНК» концентрувалася у тому, що у перших організмах РНК відповідала за всі життєві функції. Але Сазерленд називає це твердження «безнадійно оптимістичним». Він вважає, що РНК брала у яких участь, але була єдино важливим для життєздатності компонентом.

Сазерленд надихнувся останньою роботою Джека Шостака, який поєднав концепцію «первинного самовідтворення» «Світу РНК» з ідеями П'єра Луїджі Луїзі про «первинну компартменталізацію».

Як створити живу клітину з нуля

Увага Сазерленда привернула цікава деталь у синтезі нуклеотидів, що спочатку здавалася випадковою.

Останнім кроком у дослідах Сазерленд завжди було додавання фосфатів в нуклеотид. Але пізніше він зрозумів, що додавати його слід з самого початкуоскільки фосфат прискорює реакції на ранніх етапах.

Початкове додавання фосфату, здавалося, лише збільшує хаотичність реакції, але Сазерленд зумів зрозуміти, що ця хаотичність йде на користь.

Це навело його думки про те, що суміші мають бути хаотичними. На ранній Землі, швидше за все, в одній калюжі плавала сила-силенна хімічних речовин. Зрозуміло, суміші не повинні нагадувати болотяну воду, адже потрібно знайти оптимальний рівень хаотичності.

Створені в 1950 році суміші Стенлі Міллера, про які говорилося раніше, були куди хаотичніші за суміш Сазерленда. Вони містили біологічні молекули, але, як каже Сазерленд, їх «було небагато, і супроводжувалися вони значною кількістю не біологічних сполук».

Сазерленд визнав, що умови досвіду Міллера були недостатньо чистими. Суміш була надто хаотичною, через що потрібні речовини просто губилися в ній.

Тому Сазерленд вирішив підібрати «хімію Золотовласки»: не настільки перевантажену різними речовинами, щоб стати марною, але й не настільки просту, щоб вона була обмежена у можливостях.

Потрібно було створити ускладнену суміш, у якій одночасно могли утворитися, та був і об'єднатися все компоненти життя.

Первісний ставок та формування життя за кілька хвилин

Простіше кажучи, уявіть, що 4 мільярди років тому на Землі існував невеликий ставок. Протягом багатьох років у ньому утворювалися необхідні речовини, доки суміш не придбала хімічний склад, який і потрібен, щоб запустити процес. А потім сформувалася перша клітина, можливо, лише за кілька хвилин.

Це може звучати фантастично, наче твердження середньовічних алхіміків. Але в Сазерленд почали з'являтися докази.

З 2009 року він демонстрував, що за допомогою тих же речовин, на основі яких сформувалися перші два нуклеотиди РНК, можна створити й інші молекули, важливі для будь-якого живого організму.

Очевидним наступним кроком мало стати створення інших нуклеотидів РНК. Із цим Сазерленд поки що не впорався, але в 2010 році продемонстрував близькі до цього молекули, які потенційно могли перетворитися на нуклеотиди.

А у 2013 році він зібрав прекурсори амінокислот. На цей раз для створення необхідної реакції він додав ціанід міді.

Речовини, засновані на ціаніді, були присутні у багатьох дослідах, і у 2015 році Сазерленд знову використав їх. Він показав, що з тим самим набором речовин можна створити прекурсори ліпідів – молекул, у тому числі складаються стінки клітин. Реакція проходила під впливом ультрафіолету, і в ній брали участь сірка та мідь, які допомагали прискорити процес.

"Всі будівельні блоки [сформувалися] із загального ядра хімічних реакцій", - пояснює Шостак.

Якщо Сазерленд має рацію, то наша точка зору на питання походження життя була в корені невірною останні 40 років.

З моменту, коли вчені побачили, наскільки складною була конструкція клітини, всі були сконцентровані на думці про те, що перші клітини збиралися докупи. поступово, елемент за елементом.

З тих пір, як Леслі Орджел озвучив думку, що першою з'явилася РНК, дослідники «намагалися брати за основу один елемент, а потім змушувати його створювати інші», говорить Сазерленд. Сам він вважає, що створювати треба все відразу.

Хаос – необхідна умова життя

«Ми поставили під питання ідею про те, що клітина надто складна, щоб виникнути одразу», – каже Сазерленд. - "Як бачите, можна одночасно створити будівельні блоки для всіх систем".

Шостак навіть підозрює, що більшість спроб створити молекули життя і зібрати їх у живі клітини зазнавали невдачі з тієї ж причини: надто стерильні умови дослідів.

Вчені брали необхідні речовини і зовсім забували про ті, які, можливо, також існували на Землі. Але робота Сазерленд показує, що при додаванні нових речовин в суміш виникають складніші сполуки.

Шостак і сам зіткнувся з цим у 2005 році, коли намагався запровадити фермент РНК у свої протоклетки. Ферменту був потрібен магній, який знищував мембрану протокліток.

Рішення було елегантним. Замість того, щоб створювати везикули з однієї лише жирної кислоти, створювати їх із суміші з двох кислот. Везикули могли справлятися з магнієм, а значить, могли виконувати роль «носіїв» ферментів РНК.

Більше того, Шостак каже, що першим генам, ймовірно, властива хаотичність.

Сучасні організми використовують чисту ДНК для передачі генів, але, швидше за все, на початку чистої ДНК просто не існувало. На її місці могла бути суміш із нуклеотидів РНК та нуклеотидів ДНК.

У 2012 році Шостак показав, що подібна суміш може збиратися в «мозаїчні» молекули, які виглядають і поводяться як чиста РНК. І це доводить, що теорія про перемішані молекули РНК і ДНК має право на існування.

Ці досліди говорили про наступне – не має значення, чи могли перші організми мати чисту РНК чи чисту ДНК.

«Насправді я повернувся до ідеї про те, що перший полімер був схожий на РНК, але виглядав трохи хаотичнішим», – каже Шостак.

Альтернативи РНК

Цілком можливо, що альтернатив РНК тепер могло стати більше, на додаток до вже існуючих ТНК та ПНК, про які йшлося раніше. Ми не знаємо, чи існували вони на ранній Землі, але навіть якщо й існували, то перші організми цілком могли використовувати їх разом із РНК.

Це був уже не «Світ РНК», а «Світ чогось-ні».

З усього цього можна отримати наступний урок - самостворення першої живої клітини зовсім не було такою складною справою, як нам раніше здавалося. Так, клітини – це комплексні механізми. Але, як з'ясувалося, вони працюватимуть, хай і не ідеально, навіть якщо їх «зліпити абияк» з підручних матеріалів.

З'явившись, такі грубі у плані будови клітини, здавалося б, мали трохи шансів вижити на ранній Землі. З іншого боку, у них не було конкуренції, їм не загрожували ніякі хижаки, тож у багатьох сенсах життя на первозданній Землі було простіше, ніж зараз.

Але є одне але"

Але є одна проблема, яку не змогли вирішити ні Сазерленд, ні Шостак, і вона досить серйозна.

У першого організму мала бути якась форма метаболізму. З самого початку у життя мала бути здатність отримати енергію, а інакше це життя загинула б.

У цей момент Сазерленд погодився з ідеями Майка Расселла, Білла Мартіна та інших прихильників первинного метаболізму.

«Прибічники теорій про «світ РНК» і «первинний метаболізм» даремно сперечалися один з одним. В обох сторін вистачало вагомих аргументів», – пояснює Сазерленд.

"Метаболізм так чи інакше з чогось почався", - пише Шостак. – «Але що стало джерелом хімічної енергії – це велике питання».

Навіть якщо Мартін і Расселл помиляються в тому, що життя почалося в глибоководних жерлах, багато частин їхньої теорії близькі до істини. Перша – важлива роль металів при зародженні життя.

Багато ферментів у природі мають у своєму ядрі атом металу. Зазвичай це «активна» частина ферменту, тоді як решта молекули – це структура, що підтримує.

У першому житті не могли бути складні ферменти, тому швидше за все вона використовувала «голі» метали як каталізатори.

Каталізатори та ферменти

Про те саме говорив і Гюнтер Вахтеншаузер, коли припустив, що життя сформувалося на залізному піриті. Рассел також наголошує, що вода в гідротермальних жерлах насичена металами, які можуть бути каталізаторами, а дослідження Мартіна на тему останнього універсального загального предка у сучасних бактерій свідчать про наявність у ньому багатьох ферментів на основі заліза.

Все це говорить про те, що багато хімічних реакцій Сазерленду протікали успішно лише за рахунок міді (і сірки, як підкреслив Вахтершаузер), і що РНК протоклітки Шостака потребує магнію.

Цілком може виявитися, що гідротермальні жерла також є важливими для створення життя.

«Якщо поглянути на сучасний метаболізм, то можна побачити елементи, які говорять самі за себе, на кшталт кластерів із заліза та сірки», – пояснює Шостак. – «Це вписується в ідею про те, що життя зародилося всередині або біля жерла, де вода насичена залізом та сіркою».

З урахуванням сказаного можна додати лише одне. Якщо Сазерленд і Шостак на вірному шляху, то один аспект теорії про жерла виразно є оманою: життя не могло початися в глибині моря.

"Відкриті нами хімічні процеси сильно залежать від ультрафіолетового випромінювання", - вважає Сазерленд.

Єдине джерело такого випромінювання – це Сонце, отже реакції мають відбуватися безпосередньо під його променями. Це викреслює версію із глибоководними жерлами.

Шостак згоден, що глибини моря не можна вважати колискою життя. «Найгірше те, що вони ізольовані від взаємодії з атмосферою, яка є джерелом вихідних матеріалів, багатих на енергію, на кшталт ціаніду».

Але всі ці проблеми не роблять теорію про гідротермальні жерла марною. Можливо, ці жерла розташовувалися на мілководді, де мали доступ до сонячного світла та ціаніду.

Життя зародилося над океані, але в суші

Армен Мулкіджанян запропонував альтернативу. Що, якщо життя зародилося у воді, але не в океані, а на суші? А саме – у вулканічному ставку.

Мулкіджанян звернув увагу на хімічний склад клітин: зокрема які речовини вони приймають, а які відкидають. З'ясувалося, що клітини будь-якого організму містять багато фосфату, калію та інших металів, крім натрію.

Сучасні клітини зберігають баланс металів, викачуючи їх із навколишнього середовища, але в перших клітин такої можливості не було – механізм викачування ще розвинений. Тому Мулкіджанян припустив, що перші клітини з'явилися там, де був зразковий набір речовин, з яких складаються нинішні клітини.

Це одразу викреслює океан зі списку потенційної колиски життя. У живих клітинах набагато більше калію та фосфату і набагато менше натрію, ніж міститься в океані.

Під цю теорію найбільше підходять геотермальні джерела поблизу вулканів. У цих ставках міститься та сама суміш металів, що у клітинах.

Шостак ідею палко підтримує. «Мені здається, ідеальним місцем для всіх умов було б дрібне озеро або ставок у геотермально активній області», – підтверджує він. «Потрібні гідротермальні жерла, але не глибоководні, а скоріше схожі на ті, що є у вулканічно активних областях на кшталт Єллоустона».

Там могли б протікати хімічні реакції Сазерленда. У джерелах є необхідний набір речовин, рівень води коливається, тому деякі ділянки часом пересихають, і немає нестачі сонячних ультрафіолетових променів.

Більше того, Шостак каже, що подібні ставки чудово підходять для його протокліток.

«Протоклітки переважно зберігають низьку температуру, що добре впливає на копіювання РНК та інші види простого метаболізму», – стверджує Шостак. - «Але іноді вони ненадовго нагріваються, що сприяє поділу ланцюгів РНК і готує їх до подальшого самовідтворення». Ділитись протоклеткам також можуть допомогти потоки холодної чи гарячої води.

Геотермальні джерела вулканів цілком могли стати місцем зародження життя.

Життю могли допомогти метеорити

На основі всіх аргументів Сазерленд пропонує і третій варіант – місце падіння метеорита.

Земля регулярно зазнавала метеоритних дощів у перші 500 мільйонів років існування – вони падають і донині, але значно рідше. Пристойних розмірів місце падіння метеорита могло створити ті самі умови, що й ставки, про які говорив Мулкіджанян.

По-перше, метеорити здебільшого складаються з металу. А місця їх падіння часто багаті на метали типу заліза і сірки. І, що найголовніше, у місцях падіння метеорита продавлюється земна кора, що веде до геотермальної активності та появи гарячої води.

Сазерленд описує невеликі річки та струмки, що струмують по схилах новостворених кратерів, які витягують речовини, засновані на ціаніді, з каменів – і все це відбувається під впливом ультрафіолетових променів. Кожен струмок несе в собі трохи відмінну від інших суміш речовин, так що в результаті відбуваються різні реакції і виробляється цілий ряд органічних речовин.

Зрештою струмки об'єднуються у вулканічний ставок на дні кратера. Можливо, саме в такому ставку у свій час зібралися всі потрібні речовини, з яких сформувалися перші протоклетки.

«Це дуже специфічний перебіг подій», – погоджується Сазерленд. Але він схиляється до нього на підставі знайдених хімічних реакцій: «Це єдиний перебіг подій, де могли б протікати всі реакції, показані у моїх дослідах».

Шостак же ще не до кінця впевнений у цьому, але він згоден, що ідеї Сазерленда заслуговують на пильну увагу: «Мені здається, що ці події могли відбуватися на місці падіння метеорита. Але мені також подобається ідея із вулканічними системами. На користь обох версій є міцні аргументи.

Коли ми отримаємо відповідь на запитання: як зародилося життя?

Дебати, схоже, припиняться ще не скоро, і на загальну думку вчені прийдуть не одразу. Рішення буде прийнято на основі дослідів з хімічними реакціями та протоклітками. Якщо з'ясується, що в одному з варіантів не вистачає ключової речовини, або використовується речовина, що руйнує протоклетки, його визнають неправильним.

Це означає, що вперше в історії ми стоїмо на порозі найповнішого пояснення того, як зародилося життя.

"Завдання вже не здаються нездійсненними", - оптимістично заявляє Сазерленд.

Поки що підхід із умовною назвою «все й одразу» від Шостака та Сазерленда – це лише грубі нариси. Але кожен із аргументів цього підходу було доведено десятиліттями експериментів.

Ця концепція спирається попри всі підходи, що існували раніше. Вона комбінує у собі всі вдалі напрацювання, водночас вирішуючи окремі проблеми кожного підходу.

Наприклад, не спростовує теорію Расселла про гідротермальні жерла, а використовує її найвдаліші елементи.

Що сталося 4 мільярди років тому

Ми не знаємо, напевно, що відбувалося 4 мільярди років тому.

«Навіть якщо створити реактор, звідки вискочить кишкова паличка… не можна сказати, що це відтворення того самого першого життя», – вважає Мартін.

Найкраще, що ми можемо зробити – це уявити перебіг подій, підкріпивши своє бачення доказами: дослідами в галузі хімії, всіма знаннями про ранню Землю та всім тим, що говорить біологія про ранні форми життя.

У результаті після століть напружених зусиль ми побачимо, як почне вимальовуватися історія реального перебігу подій.

Це означає, що ми наближаємося до найбільшого поділу в історії людства: поділу на тих, хто дізнається історію зародження життя, і тих, хто не дожив до цього моменту, а тому вже ніколи не зможе його дізнатися.

Усі ті, хто не дожив до публікації «Походження видів» Дарвіна в 1859 році, померли, не маючи жодного уявлення про походження людини, оскільки вони нічого не знали про еволюцію. Але сьогодні кожен, за винятком низки ізольованих громад, може дізнатися правду про нашу спорідненість з іншими представниками тваринного світу.

Так само всі, хто народився після виходу Юрія Гагаріна на орбіту Землі, стали членами суспільства, яке здатне подорожувати до інших світів. І нехай поза межами планети побував далеко не кожен її мешканець, але космічні подорожі вже стали сучасною реальністю.

Нова реальність

Ці факти непомітно змінюють наше світовідчуття. Вони роблять нас мудрішими. Еволюція вчить нас цінувати будь-яку живу істоту, оскільки нас усіх можна вважати родичами, нехай і далекими. Космічні подорожі вчать нас дивитися на свою рідну планету збоку, щоб зрозуміти, наскільки вона унікальна і тендітна.

Деякі з людей, які живуть зараз, незабаром стануть першими в історії з тих, хто здатний розповісти про своє походження. Вони знатимуть про свого єдиного предка і про те, де він мешкав.

Це знання змінить нас. З суто наукової точки зору воно дасть нам уявлення про шанси зародження життя у Всесвіті і про те, де його можна шукати. Воно також розкриє нам сутність життя.

Але нам залишається лише здогадуватися, яка мудрість постане перед нами у момент, коли секрет походження життя буде розкритий. З кожним місяцем та роком ми ближче до розгадки великої таємниці зародження життя на нашій планеті. Нові відкриття відбуваються зараз, коли ви читаєте ці рядки.

Прочитайте також:

Share this article

ВСТУП. РОЗДІЛ 1. ОСНОВНІ ТЕОРІЇ ПОХОДЖЕННЯ ЖИТТЯ НА ЗЕМЛІ.

1.1 Креаціонізм.

1.2 Гіпотеза мимовільного зародження.

1.3 Теорія стаціонарного стану.

1.4 Гіпотеза панспермії.

РОЗДІЛ 2. БІЛКОВО-КОАЦЕРВАТНА ТЕОРІЯ А.І. ОПАРИНА.

2.1 Суть теорії.

2.2 Олександр Іванович Опарін.

2.3 Витоки хімічної еволюції "Первинний бульйон".

2.4 Стадії процесу виникнення життя.

РОЗДІЛ 3. НЕОБХІДНІСТЬ ДОСЛІДЖЕННЯ ВИНИКНЕННЯ ЖИТТЯ.

РОЗДІЛ 4. СУЧАСНІ ПОВЕРЖЕННЯ НА ПОХОДЖЕННЯ ЖИТТЯ.

ВИСНОВОК.

ЛІТЕРАТУРА.

ВСТУП

Питання про зародження життя на Землі та ймовірність її існування на інших планетах Всесвіту здавна приваблювало інтерес як вчених і філософів, так і простих людей. Останніми роками увага до цієї «вічної проблеми» значно збільшилася.

Це обумовлено двома обставинами: по-перше, значними успіхами в лабораторному моделюванні деяких етапів еволюції матерії, що призвела до зародження життя, і, по-друге, стрімким розвитком космічних досліджень, які роблять все більш реальним дійсний пошук будь-яких форм життя на планетах Сонячної системи , а майбутньому та її межами.

Походження життя - одне з найтаємничіших питань, вичерпна відповідь, на яку навряд чи колись буде отримано. Безліч гіпотез і навіть теорій про виникнення життя, що пояснюють різні сторони цього явища, нездатні поки що подолати суттєву обставину – експериментально підтвердити факт появи життя. Сучасна наука не має у своєму розпорядженні прямими доказами того, як і де виникло життя. Існують лише логічні побудови та непрямі свідчення, отримані шляхом модельних експериментів, та дані у галузі палеонтології, геології, астрономії тощо.

При цьому питання про походження життя остаточно не вирішене. Існує безліч гіпотез походження життя.

У час і у різних культурах розглядалися такі ідеї:

Креаціонізм (життя було створене Творцем);

Мимовільне зародження (самозародження; життя виникло неодноразово з неживої речовини);

Гіпотеза стаціонарного стану (життя існувало завжди);

Гіпотеза панспермії (життя занесене на Землю з інших планет);

Біохімічні гіпотези (життя виникло в земних умовах у ході процесів, що підкоряються фізичним та хімічним законам, тобто в результаті біохімічної еволюції);

Мета роботи – розглянути основні теорії походження життя на Землі.

Важливо, що з виконання мети розглядаються такі:

Розглянути основні теорії

Креаціонізм

Теорія мимовільного зародження життя

Теорія стаціонарного стану

Гіпотеза пансермії

Дослідити основну білково-коацерватну теорію А.І. Опаріна

Ознайомитись із біографією А.І. Опаріна

Описати витоки хімічної еволюції «первинний бульйон»

Визначити стадії процесу виникнення життя Землі

Необхідність дослідження походження життя Землі

Сучасні погляди на походження життя

За виконання роботи використовувалися такі методи: порівняльно-географічний, аналіз літературних джерел, історичний.

Робота була написана за такими матеріалами: монографії, перекладні видання, статті зі збірки наукових праць, складники книг, література з інтернету.

РОЗДІЛ 1. ОСНОВНІ ТЕОРІЇ ПОХОДЖЕННЯ ЖИТТЯ НА ЗЕМЛІ

1.1Креаціонізм

Креаціонізм (від англ. Creation-Створення) - релігійно-філософська концепція, в рамках якої все різноманіття органічного світу, людства, планети Земля, а також світ в цілому, розглядаються так навмисно створені якимсь верховним істота або божеством. Теорія креаціонізму, посилаючи відповідь на питання про виникнення життя до релігії (творення життя Богом), за критерієм Поппера знаходиться поза полем наукових пошуків (оскільки вона незаперечна: науковими методами неможливо довести, як те, що Бог створив життя, так і те, що Бог її творив). Крім того, ця теорія не дає задовільного відповіді на питання про причини виникнення та існування найвищої істоти, зазвичай просто постулюючи її безначальність.

1.2Гіпотеза мимовільного зародження

Ця теорія набула поширення в Стародавньому Китаї, Вавилоні та Єгипті як альтернативу креаціонізму, з яким вона співіснувала. Релігійні вчення всіх часів і всіх народів зазвичай приписували появу життя тому чи іншому творчому акту божества. Дуже наївно вирішували це питання перші дослідники природи. Аристотель (384-322гг до н.е.), якого часто проголошують фундатором біології, дотримувався теорії спонтанного зародження життя. Навіть для такого видатного розуму давнини, яким був Арістотель, прийняти уявлення про те, що тварини - черв'яки, комахи і навіть риби - могли виникнути з мулу, не представляло особливих труднощів. Навпаки, цей філософ стверджував, що всяке сухе тіло, стаючи вологим, і, навпаки, всяке мокре тіло, стаючи сухим, породять тварин.

Згідно з гіпотезою Аристотеля про спонтанне зародження, певні «частинки» речовини містять якийсь «активний початок», який за сприятливих умов може створити живий організм. Аристотель мав рацію, вважаючи, що цей активний початок міститься в заплідненому яйці, але помилково вважав, що воно присутнє також у сонячному віяті, тині та м'ясі, що гниє.

«Такі факти – живе може виникати не лише шляхом спарювання тварин, а й розкладанням ґрунту. Так само справа і в рослин: деякі розвиваються з насіння, а інші як би самозароджуються під дією всієї природи, виникаючи з землі, що розкладається, або певних частин рослин »(Аристотель).

Авторитет Аристотеля мав винятковий впливом геть погляди середньовічних учених. Думка даного філософа в їхніх умах химерно перепліталася з релігійними концепціями, часто даючи безглузді і навіть відверто дурні на сучасний погляд висновки. Приготування живої людини або її подоби, «гомункулуса», в колбі, за допомогою змішування і перегонки різних хімічних речовин, вважалося в середні віки хоч і дуже важким і беззаконним, але, без сумніву, можливим. Здобуття ж тварин з неживих матеріалів уявлялося вченим того часу настільки простим і звичайним, що відомий алхімік і лікар Ван-Гельмонт (1577-1644) прямо дає рецепт, слідуючи якому можна штучно приготувати мишей, покриваючи посудину з зерном мокрими і брудними ганчірками. Цей дуже щасливий учений описав експеримент, у якому він за три тижні нібито створив мишей. Для цього потрібні були брудна сорочка, темна шафа та жменя пшениці. Активним початком у миші Ван-Гельмонт вважав людський піт.

Ряд джерел, датованих XVI і XVIIв.в., докладно описує перетворення води, каміння та інших неживих предметів на плазунів, птахів і звірів. Гріндель фон Ах навіть демонструє зображення жаб, що нібито виникають із травневої роси, а Альдрованд зображує процес переродження птахів та комах із гілок та плодів дерев.

Чим далі розвивалося природознавство, чим більше значення у справі пізнання природи набували точне спостереження і досвід, а не одні тільки міркування та мудрування, тим більше звужувалася область застосування теорії мимовільного зародження. Вже в 1688 р. італійський біолог і лікар Франческо Реді, який жив у Флоренції, підійшов до проблеми виникнення життя суворо і поставив під сумнів теорію спонтанного зародження. Доктор Реді простими дослідами довів безпідставність думок про самозародження хробаків у м'ясі, що гниє. Він встановив, що маленькі білі черв'ячки – це личинки мух. Провівши низку експериментів, він отримав дані, що підтверджують думку про те, що життя може виникнути лише з попереднього життя (концепція біогенезу).

«Переконаність була б марністю, якби її не можна було підтвердити експериментом. Тому в середині липня я взяв чотири великі посудини з широким горлом, помістив в одну з них землю, в іншу - трохи риби, в третю - вугрів з Арно, в четверту - шматок молочної телятини, щільно закрив їх і запечатав. Потім я помістив те саме в чотири інші судини, залишивши їх відкритими... Незабаром м'ясо та риба в незапечатаних судинах зачервили; можна було бачити, як мухи вільно залітають у судини і вилітають із них. Але в запечатаних судинах я не бачив жодного черв'яка, хоча минуло багато днів, після того, як у них була покладена дохла риба» (Реді).

Таким чином, щодо живих істот, видимих ​​простим оком, пророцтво про самозародження виявилося неспроможним. Але наприкінці XVII ст. Кірхером і Левенгуком було відкрито світ дрібних істот, невидимих ​​простим оком і помітних лише мікроскоп. Цих «найдрібніших живих звірят» (так Левенгук називав відкриті їм бактерії та інфузорії) можна було виявити всюди, де тільки відбувалося гниття, у довго відварах і настоях рослин, що стояли, в гниючому м'ясі, бульйоні, в кислому молоці, у випорожненнях, у зубному нальоті. . "У моєму роті, - писав Левенгук, - їх (мікробів) більше, ніж людей у ​​сполученому королівстві". Варто тільки поставити на деякий час у тепле місце швидкопсувні речовини, що легко загнивають, як у них зараз же розвиваються мікроскопічні живі істоти, яких раніше там не було. Звідки ці істоти беруться? Невже вони походять із зародків, що випадково потрапили в гнильну рідину? Скільки, отже, має бути скрізь цих зародків! Мимоволі була думка, що саме тут, у гниючих відварах та настоях і відбувається самозародження живих мікробів з неживої матерії. Ця думка в середині XVIII ст одержала сильне підтвердження в дослідах шотландського священика Нідхема. Нідхем брав м'ясний бульйон або відвари рослинних речовин, поміщав їх у щільно закриваються судини і короткий час кип'ятив. При цьому, на думку Нідхема, мали загинути всі зародки, нові ж не могли потрапити ззовні, оскільки судини були щільно закриті. Проте через деякий час у рідинах з'являлися мікроби. Звідси вказаний вчений робив висновок, що він присутній при явище самозародження.

При цьому проти цієї думки виступив інший вчений, італієць Спалланцані. Повторюючи досліди Нідхема, він переконався, що триваліший нагрівання судин, що містять органічні рідини, зовсім їх знешкоджує. У 1765 р. Ладзаро Спалланцані провів наступний досвід: піддавши м'ясні та овочеві відвари кип'ятіння протягом кількох годин, він відразу ж їх запечатав, після чого зняв з вогню. Дослідивши рідини через кілька днів, Спалланцані не виявивши в них жодних ознак життя. З цього він зробив висновок, що висока температура знищила всі форми живих істот, і що без них ніщо живе не могло виникнути.

Між представниками двох протилежних поглядів розгорілася запекла суперечка. Спалланцані доводив, що рідини в дослідах Нідхема були досить прогріті і там залишалися зародки живих істот. На це Нідхем заперечував, що не він нагрівав рідини дуже мало, а, навпаки, Спалланцані нагрівав їх занадто багато і таким грубим прийомом руйнував «зароджувальну силу» органічних настоїв, яка дуже примхлива і непостійна.

Отже, кожен із сперечальників залишився на вихідних позиціях, і питання про самозародження мікробів у рідинах, що гниють, не було вирішено ні в ту, ні в іншу сторону протягом цілого століття. За цей час було зроблено чимало спроб досвідом довести або спростувати самозародження, але жодна з них не призвела до певних результатів.

Питання заплутувалося все більше і більше, і тільки в половині XIX ст він був остаточно вирішений завдяки блискучим дослідженням геніального французького вченого.

Луї Пастер зайнявся проблемою походження життя 1860г. На той час він уже багато зробив у галузі мікробіології і зумів вирішити проблеми, що загрожували шовківництва і виноробства. Він довів також, що бактерії всюдисущі і що неживі матеріали легко можуть бути заражені живими істотами, якщо їх не стерилізувати належним чином. Поруч експериментів він показав, що всюди, а особливо біля людського житла, у повітрі гасають дрібні зародки. Вони такі легкі, що вільно плавають у повітрі, лише дуже повільно та поступово опускаючись на землю.

В результаті ряду експериментів, в основі яких лежали методи Спалланцані, Пастер довів справедливість теорії біогенезу та остаточно спростував теорію спонтанного зародження.

Таємнича поява мікроорганізмів у дослідах попередніх дослідників Пастер пояснював або неповним занепокоєнням середовища, або недостатнім захистом рідин від проникнення зародків. Якщо ретельно прокип'ятити вміст колби і потім оберігати його від зародків, які могли б потрапити з повітрям, що припливає в колбу, то в ста випадках зі ста загнивання рідини і утворення мікробів не відбувається.

Пастер застосовував найрізноманітніші прийоми: він або прожарював повітря в скляних і металевих трубках, або захищав горло колби ватною пробкою, в якій затримуються всі дрібні частинки, зважені в повітрі, або, нарешті, пропускав. повітря через тонку скляну трубку, вигнуту у вигляді літери S, - у цьому випадку всі зародки механічно затримувалися на вологих поверхнях згинів трубки.

Усюди, де захист був достатньо надійним, поява мікробів у рідині не спостерігалося. Але, можливо, тривале нагрівання хімічно змінило середовище і зробило його непридатним для підтримки життя? Пастер легко спростував і це заперечення. Він кидав у знеположену нагріванням рідину ватяну пробку, через яку пропускалося повітря і яка, отже, містила зародків, - рідина швидко загнивала. Отже, прокип'ячені настої є цілком підходящим ґрунтом у розвиток мікробів. Цей розвиток не відбувається лише тому, що немає зародка. Як тільки зародок потрапляє в рідину, зараз же він проростає і дає пишний урожай.

Досліди Пастера з безперечністю показали, що самозародження мікробів в органічних настоях не відбувається. Усі живі організми розвиваються із зародків, тобто. беруть свій початок з інших живих істот. У цьому підтвердження теорії біогенезу породило іншу проблему. Якщо для виникнення живого організму необхідний інший живий організм, то звідки ж узявся перший живий організм? Тільки теорія стаціонарного стану не вимагає відповіді на це питання, а в усіх інших теоріях мається на увазі, що на якійсь стадії історії життя стався перехід від неживого до живого.

1.3Теорія стаціонарного стану.

Відповідно до цієї теорії, Земля ніколи не виникала, а існувала вічно; вона завжди була здатна підтримувати життя, а якщо змінювалася, то дуже незначно. Відповідно до цієї версії, види також ніколи не виникали, вони існували завжди, і кожен вид має лише дві можливості - або зміну чисельності, або вимирання.

При цьому гіпотеза стаціонарного стану докорінно суперечить даним сучасної астрономії, які вказують на кінцевий час існування будь-яких зірок і, відповідно, планетних систем навколо зірок. За сучасними оцінками, заснованими на обліку швидкостей радіоактивного розпаду, вік Землі, Сонця, Сонячної системи обчислюються ~4,6 млрд років. Тому ця гіпотеза звичайно розглядається академічною наукою.

Прибічники цієї теорії не визнають, що наявність або відсутність певних копалин залишків може вказувати на час появи або вимирання того чи іншого виду, і наводить як приклад представника кістеперих риб - латимерію (целаканта). За палеонтологічними даними кістепері вимерли наприкінці крейдяного періоду. При цьому цей висновок довелося переглянути, коли в районі Мадагаскару було знайдено живих представників кістеперих. Прихильники теорії стаціонарного стану стверджують, що, тільки вивчаючи види, що нині живуть, і порівнюючи їх з викопними останками, можна зробити висновок і вимиранні, та й у цьому випадку дуже ймовірно, що він виявиться невірним. Використовуючи палеонтологічні дані на підтвердження теорії стаціонарного стану, її прибічники інтерпретують поява викопних залишків в екологічному аспекті. Так, наприклад, раптова поява якогось викопного виду в певному пласті вони пояснюють збільшенням чисельності його популяції або його переміщенням у місця, сприятливі для збереження залишків.

1.4Гіпотеза пансермії

Гіпотеза про появу життя Землі внаслідок перенесення з інших планет деяких зародків життя називається теорією пансермії (від грец. παν - весь, всякий і σπερμα - насіння). Ця гіпотеза примикає до гіпотези стаціонарного стану. Її прихильники підтримують думку про вічне існування життя і висувають ідею про раптове її походження. Одним із перших ідею про космічне (раптове) походження життя висловив німецький вчений Г. Ріхтер у 1865р. Згідно з Ріхтером життя на Землі не виникло з неорганічних речовин, а було занесене з інших планет. У зв'язку з цим виникали питання, наскільки можливе таке перенесення з однієї планети на іншу і як це могло бути здійснено. Відповіді шукали насамперед у фізиці, і не дивно, що першими захисниками цих поглядів виступили представники цієї науки, визначні вчені Г. Гельмгольц, С. Арреніус, Дж. Томсон, П.П. Лазарєв та ін.

Згідно з уявленнями Томсона та Гельмгольця, суперечки бактерій та інших організмів могли бути занесені на Землю з метеоритами. Лабораторні дослідження підтверджують високу стійкість живих організмів до несприятливих впливів, зокрема низьких температур. Наприклад, суперечки та насіння рослин не гинули навіть при тривалому витримуванні в рідкому кисні або азоті.

Сучасні прихильники концепції пансермії (у числі яких – лауреат Нобелівської премії англійський біофізик Ф. Крик) вважають, що життя на Землю занесене випадково чи навмисно космічними прибульцями. До гіпотези пансермії примикає думка астрономів Ч. Вікрамасінгха (Шрі-Ланка) і Ф. Хойла (Великобританія). Вони вважають, що в космічному просторі, в основному в газових та пилових хмарах, у великій кількості є мікроорганізми, де вони, на думку вчених, і утворюються. Далі ці мікроорганізми захоплюються кометами, які потім, проходячи поблизу планет, «сіють зародки життя».

РОЗДІЛ 2. БІЛКОВО-КОАЦЕРВАТНА ТЕОРІЯ А.І. ОПАРИНА

2.1Суть теорії

Першу наукову теорію щодо походження живих організмів Землі створив радянський біохімік А.І. Опарін (1894-1980). У 1924 р. він опублікував роботи, в яких виклав уявлення про те, як могло виникнути життя на Землі. Згідно з цією теорією, життя виникло в специфічних умовах древньої Землі, і розглядається Опаріним як закономірний результат хімічної еволюції сполук вуглецю у Всесвіті.

За Опаріном, процес, що призвів до виникнення життя на Землі, може бути розділений на три етапи:

Виникнення органічних речовин.

Освіта з найпростіших органічних речовин біополімерів (білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів, ліпідів та ін.).

Виникнення примітивних організмів, що самовтворюються.

Теорія біохімічної еволюції має найбільше прибічників серед сучасних учених. Земля виникла близько п'яти мільярдів років тому; Спочатку температура її поверхні була дуже високою (до кількох тисяч градусів). У міру її остигання утворилася тверда поверхня (земна кора - літосфера).

Атмосфера, що спочатку складалася з легких газів (водень, гелій), не могла ефективно утримуватися недостатньо щільною Землею, і ці гази замінювалися більш важкими: водяною парою, вуглекислим газом, аміаком та метаном. Коли температура Землі опустилася нижче 100 градусів за Цельсієм, водяна пара почала конденсуватися, утворюючи світовий океан. У цей час, відповідно до уявлень А.І. Опарину, відбувся абіогенний синтез, тобто в первинних земних океанах, насичених різними простими хімічними сполуками, «у первинному бульйоні» під впливом вулканічного тепла, розрядів блискавок, інтенсивної ультрафіолетової радіації та інших факторів середовища почався синтез більш складних органічних сполук, а потім біополімерів . Утворенню органічних речовин сприяла відсутність живих організмів – споживачів органіки – та головного окислювача – кисню. Складні молекули амінокислот випадково поєднувалися в пептиди, які, своєю чергою, створили початкові білки. З цих білків синтезувалися первинні живі істоти мікроскопічних розмірів.

Найбільш складною проблемою в сучасній теорії еволюції є перетворення складних органічних речовин на прості живі організми. Опарін вважав, що вирішальна роль у перетворенні неживого на живе належить білкам. Очевидно, білкові молекули, притягуючи молекули води, утворювали колоїдні гідрофільні комплекси. Подальше злиття таких комплексів один з одним призводило до відокремлення колоїдів від водного середовища (коацервація). На кордоні між коацерватом (від латів. Coacervus – згусток, купа) та середовищем вибудовувалися молекули ліпідів – примітивна клітинна мембрана. Передбачається, що колоїди могли обмінюватися молекулами з довкіллям (прообраз гетеротрофного харчування) і накопичувати певні речовини. Ще один тип молекул забезпечував здатність до самовідтворення. Система поглядів О.І. Опаріна дістала назву «коацерватна гіпотеза».

Гіпотеза Опаріна була лише першим кроком у розвитку біохімічних уявлень про виникнення життя. Наступним кроком стали експерименти Л.С. Міллера, який у 1953 р. показав, як із неорганічних складових первинної земної атмосфери під впливом електричних розрядів та ультрафіолетового випромінювання можуть утворюватися амінокислоти та інші органічні молекули.

Академік РАН В.М. Пармон та ряд інших вчених припускають різні моделі, що дозволяють пояснити, як у середовищі насиченого органічними молекулами можуть протікати автокаталітичні процеси, що реплікують деякі з цих молекул. Одні молекули реплікуються успішніше, інші – гірші. Так запускається процес хімічної еволюції, яка передує біологічній еволюції.

На сьогоднішній день серед біологів переважає гіпотеза РНК-світу, яка стверджує, що між хімічною еволюцією, в якій розмножувалися та конкурували окремі молекули та повноцінним життям, заснованим на моделі ДНК-РНК-білок, був проміжний етап, на якому розмножувалися та конкурували між собою окремі молекули РНК. Вже є дослідження, що показують, що деякі молекули РНК мають автокаталітичні властивості і можуть забезпечувати самовідтворення без участі складних білкових молекул.

Сучасна наука ще далека від вичерпного пояснення, як саме неорганічна речовина досягла високого рівня організації, властивого процесів життєдіяльності. Проте, зрозуміло, що це був багатоступінчастий процес, під час якого рівень організації речовини крок за кроком підвищувався. Відновити конкретні механізми цього ступеневого ускладнення – завдання майбутніх наукових досліджень. Ці дослідження йдуть за двома основними напрямами:

Зверху донизу: аналіз біооб'єктів та вивчення можливих механізмів утворення їх окремих елементів;

Знизу нагору: ускладнення «хімії» - вивчення дедалі складніших хімічних сполук.

Поки що досягти повноцінного поєднання цих двох підходів не вдалося. Тим не менш, біоінженери вже зуміли «за кресленнями», тобто, за відомим генетичним кодом та структурою білкової оболонки зібрати з найпростіших біологічних молекул найпростіший живий організм – вірус. Тим самим було доведено, що для створення живого організму з неживої матерії не потрібно надприродного впливу. Отже, необхідно лише відповісти на питання, як цей процес міг пройти без участі людини, у природному середовищі.

Широко поширене «статистичне» заперечення проти абіогенного механізму життя. Наприклад, у 1996 р. німецький біохімік Шрам підрахував, що ймовірність випадкового поєднання 6000 нуклеотидів у РНК-вірусі тютюнової мозаїки: 1 шанс із 102000. Це надзвичайно низька ймовірність, яка вказує на повну неможливість випадкової освіти подібної РНК. При цьому насправді це заперечення збудовано некоректно. Воно виходить із припущення, що вірусна молекула РНК повинна утворитися з нуля з розрізнених аміокислот. У разі ступінчастого ускладнення хімічних і біохімічних систем ймовірність розраховується зовсім інакше. Крім того, немає жодної необхідності отримати саме такий вірус, а не якийсь інший. З урахуванням цих заперечень виходить, що оцінки ймовірності синтезу виникнення вірусної РНК занижені до повної неадекватності і не можуть розглядатися як переконливе заперечення абіогенної теорії виникнення життя.

2.2 Олександр Іванович Опарін та його теорія виникнення життя

З початку 1935 р. починає свою роботу інститут біохімії АН СРСР, заснований Опаріним спільно з А.М. Бахом. З самого заснування Інституту Опарін керував Лабораторією ензимології, яка у майбутньому перетворилася на лабораторію еволюційної біохімії та субклітинних структур. До 1946 він є заступником директора, після смерті А.Н. Баха – директором цього інституту.

3 травня 1924 р. на зборах Російського ботанічного товариства виступив з доповіддю «Про виникнення життя», в якій запропонував теорію виникнення життя з бульйону органічних речовин. У середині XXв були експериментально отримані складні органічні речовини при пропущенні електричних зарядів через суміш газів і парів, що гіпотетично збігається із складом атмосфери древньої Землі. Як проклітини Опарин розглядав коацервати - органічні структури, оточені жировими мембранами.

Після смерті 1951г С.І. Вавілова А.І. Опарін став другим головою правління Всесоюзного просвітницького товариства "Знання". Залишався цій посаді по 1956г, коли головою «Знання» було обрано М.Б. Мітін.

У 1970 р. було організовано Міжнародне наукове товариство з вивчення виникнення життя, першим президентом, а потім почесним президентом якого був обраний Опарін. Виконком ISSOL у 1977 р. заснував Золоту медаль імені А.І. Опаріна (англ. Oparin Medal), що присуджується за найважливіші експериментальні дослідження у цій галузі.

2.3 Витоки хімічної еволюції «Первинний бульйон»

Незважаючи на деякі прогалини в наших знаннях про першу стадію виникнення життя, ми можемо зробити досить певні висновки. Адже нам відомо, що в межах сонячної системи можливий синтез сполук, що містять до 24 атомів вуглецю та азоту. Можливо, можливий також синтез і складніших сполук, у тому числі полімерів, хоча даних про існування полімерів з упорядкованою послідовністю немає. Це все, що ми можемо сказати щодо складу середовища, відомого під назвою «первинного бульйону».

У міру накопичення нових відомостей стає все очевиднішим, що продукти первинного синтезу з молекул простих гібридів обов'язково утворюватимуться у відповідних умовах. Ці умови можуть бути надзвичайно різноманітними, і тому аналізовані синтези не пов'язані з якимось певним часом і місцем.

Факти, експерименти та спостереження свідчать про можливість синтезу досить складних хімічних сполук на околиці будь-якої зірки за наявності достатньої кількості «сировини» - пилу та газів. Отже, перша стадія - це ще стільки виникнення життя, скільки підготовка до цього. Все починається з матеріалів, що утворюються за рахунок традиційних астрофізичних процесів; подальші перетворення відбуваються у повній згоді із законами хімії, без залучення будь-яких нових принципів. У той самий час вже у цій стадії відбувається якийсь відбір тих типів сполук, які згодом підуть на побудову живих істот. Отже, оскільки процеси, що відбуваються на цій першій стадії, впливають на весь наступний хід біосинтезу, вони і самі залежать від конкретних умов, що існують на планетах. Ось тому Земля - ​​єдина планета сонячної системи, що має океани на своїй поверхні, - виявилося водночас і єдиною планетою з розвиненим життям.

2.4 Стадії процесу виникнення життя

Стадія 1. Ця стадія відповідає зростанню складності молекул і молекулярних систем, яким судилося, зрештою, включитися в живі системи. На першій стадії відбулося формування передорганізмних молекул із гібридів вуглецю, азоту та кисню (тобто з метану, аміаку та води). Ці гази виявляються в молекулярній формі в космічному просторі (у холодніших частинах Всесвіту) і зараз. Здається очевидним, перша стадія могла б здійснитися у багатьох місцях - їх нам достовірно відомі лише Земля і метеорити астероїдного походження. Таким місцем могла бути і первинна польова хмара. Виявилося також можливим імітувати ці процеси в лабораторії, що було зроблено Міллером та її послідовниками. У цих експериментах було отримано найважливіші біологічні молекули: деякі органічні основи (наприклад, адеїн), що входять до складу білків; деякі цукру, зокрема робоза і їх фосфати, і, нарешті, деякі складніші азотовмісні сполуки, такі, як порфірини, які служать важливою складовою окисних ферментів і переносників енергії.

Стадія 2. На другій стадії компонентів опаринського «первинного бульйону», що складався головним чином з тільки що згаданих молекул, а також з більш складних молекул, утворилися полімери шляхом з'єднання в лінійному порядку подібних або ідентичних мономерів або субмолекул. На якійсь вирішальній стадії в процесі еволюції таких полімерів, які, мабуть, є більш простими аналогами існуючих нині нуклеїнових кислот і білків, мав виникнути механізм суворої репродукції та реплікації, які розглядаються багатьма біологами як важлива відмінна риса самого життя. Поки що можемо лише логічно реконструювати ті процеси, які б призвести цього у умовах, очевидно, що існували тоді Землі, тобто. у присутності води у вільному стані, а також молекул газів та іонів металу у розчині. Важко уявити, щоб усе це могло відбуватися на таких безводних небесних тілах, як Місяць, чи тим паче на метеоритах астероїдного походження, містять воду лише у пов'язаному стані - як гідратів чи льоду.

РОЗДІЛ 3. НЕОБХІДНІСТЬ ДОСЛІДЖЕННЯ ВИНИКНЕННЯ ЖИТТЯ

Головний практичний мотив вивчення виникнення життя полягає в тому, що без цього ми не зможемо зрозуміти сучасне життя, і, отже, не зможемо керувати нею. Необхідно вивчити виникнення життя для того, щоб розібратися в його сутності, його можливостях та обмеженнях, а потім уже для того, щоб розвинути перші та подолати другі. У більш широкому розумінні вивчення про походження життя є подальшою спробою пошуків сенсу життя. З найдавніших часів сенс життя вбачали в різних речах, але з часом все ясніше ставала хибність різноманітних трактів сенсу життя, їх кінцева неспроможність. Аж до середньовіччя і навіть пізнє призначення життя у загальній системі світопорядку вважалося відомим. Різні люди в різних цивілізаціях по-різному вирішували це питання, але й рішення ці були настільки подібними, що їх можна вважати варіантами однієї й тієї ж відповіді найпростіша відповідь зводилася до того, що життя має сенс у накресленнях всезнаючого і всемогутнього Бога. Волю Господню слід виконувати, а якщо зрозуміти в чому вона полягає важко, то допускаються різні тлумачення. Але з усіх таких відповідей правильною може бути лише одна. І якою є ця відповідь - дано знати не всім, а лише істинно віруючим.

Наукова революція, що почалася в XVII ст, поступово підточувала основи віри. Але навіть в умах тих, хто так чи інакше, своїми відкриттями та інтелектуальними прозріннями руйнував твердиню віри (іноді зовсім несвідомо), віра продовжувала існувати. Хоч як це парадоксально, але що потужнішою була атака, то сильніше чіплялися за цю віру людські уми. Звідси і опір подальшим дослідникам, які, природно, мали покласти край релігійним поглядам на Всесвіт. Хоча опір новим ідеям перестав бути настільки жорстоким, як це було за часів Коперника і навіть Дарвіна, але воно все ж таки існує. А тим часом уже те небагато, що відомо про можливе походження життя, достатньо для того, щоб потрясти основи віри набагато глибше, ніж це було в змозі зробити будь-яке інше відкриття у минулому. Будова Всесвіту в цілому і процеси, що протікають в ній, починають для нас проясняться, нехай поки навіть вчорне, і після цього вже ніщо не може залишитися незмінним.

Потреба в міфах, що пояснюють походження і долю людини, виникла ще на зорі історії, і подібних міфів відомо з давніх-давен безліч, проте досі не з'явилося нічого, що однаково задовольняло б розум і серце. З одного боку, віри була покликана виправити недосконалість людського розуму та його спостережень, а з іншого - те, що вважалося науковою картиною Всесвіту, стало здаватися безглуздим, сухим та незадовільним. Зараз, нарешті, ми починаємо прозрівати шуканий сенс, і це не завдяки створенню «втішної філософії», а практично завдяки зменшенню життєвих труднощів та збільшенню можливостей людини.

РОЗДІЛ 4. СУЧАСНІ ПОГЛЯДИ НА ПОХОДЖЕННЯ ЖИТТЯ НА ЗЕМЛІ

У теорії А.І. Опарину та інших подібних гіпотез є один істотний недолік: немає жодного факту, який би підтвердив можливість абіогенного синтезу на Землі хоча б найпростішого живого організму з неживих сполук. У численних лабораторіях світу здійснено тисячі спроб такого синтезу. Наприклад, американський вчений С. Міллер, виходячи з припущень щодо складу первинної атмосфери Землі, у спеціальному приладі пропускав електричні розряди через суміш метану, аміаку, водню та водної пари. Йому вдалося отримати молекули амінокислот – тих основних «цеглинок», з яких складається основа життя – білки. Ці досліди були багато разів повторені, декому з вчених вдалося отримати досить довгі ланцюжки пептидів (простих білків). І тільки! Жодного хоча б найпростішого живого організму нікому не вдалося синтезувати. Нині серед учених користується популярністю принцип Реді: «Живе - лише від живого».

Але припустимо, що такі спроби колись увінчаються успіхом. Що доведе такий досвід? Лише те, що для синтезу життя потрібні розум людини, складна розвинена наука та сучасна техніка. Нічого на початковій Землі був. Більше того, синтез складних органічних сполук із простих суперечить другому закону термодинаміки, який забороняє перехід матеріальних систем від стану більшої ймовірності до стану меншої, а розвиток від простих органічних сполук до складних, потім від бактерій до людини відбувався саме у цьому напрямі. Тут ми спостерігаємо ніщо інше, як творчий процес. Другий закон термодинаміки незаперечний закон, єдиний закон, який ще жодного разу не був поставлений під сумнів, порушений або спростований. Тому порядок (генна інформація) не може стихійно виникнути з безладу випадкових процесів, що підтверджується теорією ймовірності.

Останнім часом нищівний удар гіпотезі абіогенного синтезу завдали математичних досліджень. Математики підрахували, що ймовірність самозародження живого організму з неживих блоків практично дорівнює нулю. Так, Л. Блюменфельд довів, що ймовірність випадкового утворення за весь час існування Землі хоча б однієї молекули ДНК (дезоксирибонуклеїнової кислоти – однієї з найважливіших складових частин генетичного коду) становить 1/10800. вдумайтеся в мізерно невелику величину цього числа! Адже в знаменнику його знаходиться цифра, де після одиниці тягнеться ряд із 800 нулів, а це число в неймовірну кількість разів більше від загальної кількості всіх атомів у Всесвіті. Сучасний американський астрофізик Ч. Вікрамасінгхе так образно висловив неможливість абіогенного синтезу: «Швидше ураган, який пронесеться над цвинтарем старих літаків, збере новенький суперлайнер зі шматків брухту, ніж у результаті випадкового процесу виникне зі своїх компонентів життя».

Протирічають теорії абіогенного синтезу та геологічні дані. Як би далеко ми не проникали вглиб геологічної історії, не знаходимо слідів «азойської ери», тобто періоду, коли Землі не існувало життя.

Зараз палеонтологи в породах, вік яких досягає 3,8 млрд років, тобто близькі до часу утворення Землі (4-4,5 млрд років тому за останніми оцінками), виявили викопні залишки досить складно організованих істот - бактерій, синьо-зелених водоростей, простих грибків . В. Вернадський був упевнений, що життя геологічно вічне, тобто в геологічній історії не було епохи, коли наша планета була неживою. «Проблема абіогенезу (спонтанного зародження живих організмів), - писав учений в 1938 р, - залишається безплідною і паралізує справді назрілу наукову працю».

Нині форма життя надзвичайно тісно пов'язана із гідросферою. Про це свідчить хоча б той факт, що вода є основною частиною маси будь-якого земного організму (людина, наприклад, більш ніж на 70% складається з води, а такі організми, як медуза – на 97-98%). Очевидно, що життя на Землі сформувалося лише тоді, коли на ній з'явилася гідросфера, а це, за геологічними даними, сталося майже з початку існування нашої планети. Багато властивостей живих організмів обумовлені саме властивостями води, сама вода є феноменальне з'єднання. Так, за даними П. Привалова, вода – це кооперативна система, в якій будь-яка дія поширюється «естафетним» шляхом, тобто має місце «далекодія».

Деякі вчені вважають, що вся гідросфера Землі по суті є одна гігантська «молекула» води. Встановлено, що вода може активуватись природними електромагнітними полями земного та космічного походження (зокрема штучного). Надзвичайно цікавим було недавнє відкриття французькими вченими пам'яті води. Можливо, те, що біосфера Землі є єдиним суперорганізмом, і зумовлено цими властивостями води? Адже організми – це складові, «краплі» цієї супермолекули земної води.

Хоча нам досі відоме лише земне білково-нуклеїново-водне життя, це не означає, що в безмежному Космосі не можуть існувати інші його форми. Деякі вчений, зокрема американські, Г. Файнберг та Р. Шапіро, моделюють такі гіпотетично можливі його варіанти:

Плазмоїди - життя в зіркових атмосферах за рахунок магнітних сил, пов'язаних із групами рухомих електричних розрядів;

Радіоби - життя у міжзоряних хмарах з урахуванням агрегатів атомів, що у різних станах збудження;

Лавоби – життя на основі сполук кремнію, що може існувати в озерах розплавленої лави на дуже гарячих планетах;

Водороби - життя, яке може існувати при низьких температурах на планетах, покритих «водойми» з рідкого метану, і черпати енергію з перетворень ортоводороду на пароводень;

Термофаги - різновид космічного життя, що отримує енергію з градієнта температур в атмосфері чи океанах планет.

Звичайно, такі екзотичні форми життя поки що існують лише в уяві вчених та письменників-фантастів. Тим не менш, не виключена можливість реального існування деяких із них, зокрема плазмоїдів. Є деякі підстави вважати, що на Землі паралельно з «нашою» формою життя існує інший її різновид, схожий на згаданих плазмоїдів. До них відносять деякі види НЛО (непізнаних літаючих об'єктів), освіти, схожі на кульові блискавки, а також невидимі для ока, але фіксовані кольоровою фотоплівкою енергетичні «згустки», що літають в атмосфері, які в ряді випадків виявляли розумну поведінку.

Таким чином, зараз є підстави стверджувати, що життя на Землі з'явилося від початку її існування і виникло, за словами Ч. Вікрамасінгхе, «від загальногалактичної живої системи, що проникає».

ВИСНОВОК

Чи маємо ми логічне право на визнання корінної різниці між живим та неживим? Чи є в навколишній природі такі факти, які переконують нас у тому, що життя існує вічно і має так мало спільного з неживою природою, що ні за яких умов ніколи не могла з неї утворитися, виділитися? Чи можемо ми визнати організми утвореннями зовсім, принципово відмінними від решти світу?

Біологія XXв поглибила розуміння суттєвих рис живого, розкривши молекулярні основи життя. У основі сучасної біологічної картини світу лежить уявлення у тому, що живого - це грандіозна система високоорганізованих систем.

Безперечно, у моделі походження життя включатимуться нові знання, і вони будуть все більш обґрунтованими. Але чим якісніше нове відрізняється від старого, тим важче пояснити його виникнення.

Необхідно вивчити виникнення життя для того, щоб розібратися в його сутності, його можливостях та обмеженнях, а потім уже для того, щоб розвинути перші та подолати другі.

Життя - одне з найскладніших явищ природи. З давніх-давен вона сприймалася як таємнича і непізнавана - ось чому з питань її походження завжди йшла гостра боротьба між матеріалістами та ідеалістами. Деякі прихильники ідеалістичних поглядів вважають життя духовним, нематеріальним початком, що виник у результаті божественного творіння. Матеріалісти ж, навпаки, вважають, що Землі виникла з неживої матерії шляхом самозародження (абіогенез) чи було занесено з інших світів, тобто. є породженням інших живих організмів (біогенез).

За сучасними науковими уявленнями, життя - це процес існування складних систем, що складаються з великих органічних молекул і неорганічних речовин і здатні самовідтворюватися, саморозвиватися та підтримувати своє існування в результаті обміну енергією та речовиною з навколишнім середовищем. Отже, біологічна наука стоїть на матеріалістичних позиціях.

При цьому питання про походження життя ще остаточно не вирішене.

ЛІТЕРАТУРА

1.Опарін А. І. Виникнення життя Землі. - Тбілісі: Мінцебра, 1985р. - 270с.

2.Бернал Д. Виникнення життя Додаток №1: Опарін А. І. Походження життя. - Москва: Світ, 1969р. - 365с.

3.Вернадський в. І. Жива речовина. - Москва: Наука, 1978р. - 407с.

4. Найдиш В. М. Концепції сучасного природознавства - Москва: Наука, 1999р. - 215с.

5. загальна біологія. За ред. Н. Д. Лісова. - Мінськ, 1999р. - 190с.

6.Поннамперуму С. Походження життя. - Москва: Світ, 1977р. - 234с.

7.Вологодін А. Г. Походження життя на Землі. - Москва: Знання, 1970р. - 345с.

8. Ігнатов А. І. Проблема походження життя. - Москва: Радянська Росія, 1962р. - 538с.

9. Бернал Дж. Виникнення життя. - Москва: Світ, 1969р. - 650с.

Походження життя – це велика наукова проблема. За останні 10 років є величезна кількість нових даних та досліджень. На сьогоднішній день залишаються ще невирішені питання, але загальна картина того, як з неживої матерії могло зародитися життя, дуже швидко прояснюється. Але, як відомо, у науці кожна відповідь породжує 10 нових питань.

Моделі поступової еволюції від неорганічних сполук до перших організмів на сьогоднішній день добре опрацьовані. Але історія цього питання бере свій початок ще зі знаменитого автора .

Англійський натураліст та дослідник у своїх наукових працях нічого з цього приводу не писав і всерйоз теоріями та гіпотезами походження життя не займався. Ця тема була поза розуміння науки 19-го століття. Чарльз лише говорив, як із вже існуючих перших живих організмів вийшло все те різноманіття біологічних форм, яке ми бачимо.

Тільки з його листів кращому другові ми знаємо, що Дарвін намагався розмірковувати на цю тему, але звичайно на тому рівні знань він нічого конкретно припустити не міг, крім найзагальніших уявлень, що якось все ж таки могли з неорганічної хімії, солей амонію, фосфору з використанням електрики в невеликому теплому ставку зародитися органічні речовини.

Але слід зазначити, що навіть у цьому листі він дуже точно вгадав. Наприклад, хіміки виявили правдоподібний шлях абіогенного синтезу нуклеотидів, цегли з яких складається РНК. Виявилося, ці нуклеотиди можуть спонтанно синтезуватися в умовах, схожих з умовами невеликого теплого водоймища.

Версій виникнення всього живого Землі придумано дуже багато. Багато з них вигадані конспірологами та лжевченими. Але все ж таки основна частина теорій заснована на реальних фактах і дослідженнях.

Основні теорії походження життя:

- креаціонізм;

- Панспермія;

- Теорія стаціонарного стану;

- Спонтанне зародження;

- Біохімічна еволюція.

Креаціоністська гіпотезадотримуються люди, які вважають, що життя створив творець, Бог, світ світ. Не має доказів, а її просуванням займаються не вчені, а журналісти, богослови та теологи. До них приєднуються люди, які бажають підзаробити шляхом обману.

Ці ж креаціоністи продовжують стверджувати, що у питанні походження людей є загадка, тому що археологи не можуть знайти якусь ланку, що бракує, тобто перехідну форму від стародавньої людини кроманьйонця до сучасного homo sapiens. Надзвичайно важливі розуміння статті:

» 100% Походження людини: теорії та гіпотези

Теорія стаціонарного стануполягає в тому, що живе разом із всесвітом, а відповідно і всім світом, існувало і існуватиме завжди, незалежно від часу. Поряд з цим похідні всесвіту тіла та освіти на кшталт зірок, планетарних систем, живих організмів обмежені у часі: вони народжуються та гинуть.

На даний момент ця гіпотеза має лише історичне значення, і в наукових колах вже давно не обговорюється, оскільки спростовано сучасною наукою в ключовому моменті: всесвіт виник завдяки великому вибуху та подальшому його розширенню. Важлива стаття на цю тему простою та зрозумілою мовою: 100% Походження та еволюція всесвіту.

Теорія пансперміївже науковіша. Вона передбачає таке: живі організми на нашу планету занесли космічні тіла на кшталт метеоритів чи комет. Деякі особливо мрійливі прихильники впевнені, що це зробили НЛО та інопланетяни усвідомлено, переслідуючи свої цілі.

У нашій Сонячній системі вірогідність знайти ще десь живі організми надзвичайно мала, проте життя могло прилетіти до нас з іншої зоряної системи. Астрономічні дані показують, що згідно з біохімічним складом метеоритів, метеорів і комет у них найчастіше можна виявити органічні сполуки, наприклад, амінокислоти. Саме вони й могли стати насінням при контакті космічного тіла із Землею, подібно до того, як розлітається насіння кульбаби на сотні метрів навколо.

Основною противагою твердженням панспермістів є логічне питання, звідки ж узялося життя на інших планетах, з яких летів цей самий астероїд чи комета. Таким чином, панспермічна гіпотеза інопланетного походження живих організмів може лише доповнити основну версію – біохімічну.

Теорія абіогенезуза допомогою біохімічної еволюції вивчає та успішно доводить утворення органічних структур з неорганічної матерії, причому поза організмом і без застосування спеціальних ферментів.

Синтез найпростіших органічних сполук з неорганічної матерії здатний проходити у найрізноманітніших природних умовах: планети чи космосі (наприклад, у протопланетному диску — проплиде). У 1953 році було проведено знаменитий класичний експеримент Міллера-Юрі, який доводить, що така органіка як амінокислоти мають можливість з'явитися в суміші різних газів, які б імітували атмосферний склад планети.

У природі з часом утворилася і набула здатності до (До речі, на сьогоднішній день її синтез людиною дуже утруднений). Адже це основна цегла, і відповідь на питання походження життя на Землі криється саме в ньому.

Зараз абсолютно точно відомо, як виникла молекула дезоксирибонуклеїнової кислоти. Спочатку біологічні істоти були засновані на іншій схожій молекулі під назвою РНК. Довгий час існував інший живий світ, в якому організми мали спадкову інформацію у формі молекули рибонуклеїнової кислоти, яка виконувала роль білків. Ця молекула здатна зберігати спадкову інформацію подібно до ДНК і виконувати активну роботу, подібну до білків.

У сучасних клітинах ці функції розділені – ДНК зберігає спадкову інформацію, білки виконують роботу, а РНК є своєрідним посередником з-поміж них. У найперших древніх організмах була лише РНК, що справлялася з обома завданнями сама.

Цікава закономірність у питанні походження всього живого полягає в тому, що за останні кілька років з'явилися десятки нових наукових статей, що максимально близько підводять до розгадки таємниці, і ніякі інші теорії та гіпотези виникнення життя крім абіогенного на даний момент вже не потрібні.

Муніципальний загальноосвітній заклад

Середня загальноосвітня школа №45

Теорії походження життя Землі

Виконала : учениця 11 «В» класу

Нігматуліна Марія

Провіїла : вчитель біології

Трапуєва Л. С.

м. Челябінськ

2010 р.

1. Введення

2. Гіпотези про виникнення життя

3. Генобіоз та глобіоз

4. Теорія Опаріна – Холдейна

5. Світ РНК як попередник сучасного життя

6. Панспермія

7. Самозародження життя

8. Теорія стаціонарного стану

9. Креаціонізм

10. Теорія еволюції

11. Дарвінівська теорія

12. Висновок

Вступ

Теорії, що стосуються виникнення Землі та життя на ній, та й усього Всесвіту, різноманітні та далеко не достовірні. Відповідно до теорії стаціонарного стану, Всесвіт існував вічно. Згідно з іншими гіпотезами, Всесвіт міг виникнути зі згустку нейтронів в результаті «Великого вибуху», народився в одній з чорних дірок або був створений Творцем. Всупереч існуючим уявленням, наука не може спростувати тезу про божественне створення Всесвіту, так само як теологічні погляди не обов'язково відкидають можливість того, що життя в процесі свого розвитку набуло рис, зрозумілих на основі законів природи.

Гіпотези про виникнення життя

У різний час щодо виникнення життя Землі висувалися такі Гіпотези:

• Гіпотеза біохімічної еволюції
• Гіпотеза панспермії
• Гіпотеза стаціонарного стану життя
• Гіпотеза самозародження

Теорії самозародженняі стаціонарного станує лише історичний чи філософський інтерес, оскільки результати наукових досліджень суперечать висновкам цих теорій.

Теорія пансперміїне вирішує важливого питання виникнення життя, вона лише віддаляє їх у ще більш туманне минуле Всесвіту, хоча й може виключатися як гіпотеза початку життя Землі.

Генобіоз та глобіоз

Залежно від того, що вважається первинним, розрізняють два методологічні підходи до питання виникнення життя:

Генобіоз- методологічний підхід у питанні походження життя, що ґрунтується на переконанні в первинності молекулярної системи з властивостями первинного генетичного коду.

Голобіоз- методологічний підхід у питанні походження життя, що ґрунтується на ідеї первинності структур, наділених здатністю до елементарного обміну речовин за участю ферментного механізму.

Теорія Опаріна – Холдейна

У 1924 році майбутній академік Опарін опублікував статтю «Походження життя», яка у 1938 році була перекладена англійською та відродила інтерес до теорії самозародження. Опарин припустив, що в високомолекулярних розчинах сполук можуть мимоволіутворюватися зони підвищеної концентрації, які відносно відокремлені від зовнішнього середовища та можуть підтримувати обмін із нею. Він назвав їх Коацерватні краплі, або просто коацервати .

Згідно з його теорією процес, що призвів до виникнення життя на Землі, може бути поділений на три етапи:

• Виникнення органічних речовин
• Виникнення білків
• Виникнення білкових тіл

Астрономічні дослідження показують, що як зірки, і планетні системи виникли з газопилового речовини. Поруч із металами та його оксидами у ньому містилися водень, аміак, вода і найпростіший вуглеводень - метан.

Умови початку процесу формування білкових структур встановилися з появи первинного океану. У водному середовищі похідні вуглеводнів могли зазнавати складних хімічних змін і перетворень. Внаслідок такого ускладнення молекул могли утворитися складніші органічні речовини, а саме вуглеводи.

Наука довела, що внаслідок застосування ультрафіолетових променів можна штучно синтезувати не лише амінокислоти, а й інші біохімічні речовини. Згідно з теорією Опаріна, подальшим кроком на шляху до виникнення білкових тіл могло з'явитися утворення коацерватних крапель. За певних умов водна оболонка органічних молекул набувала чітких меж і відокремлювала молекулу від навколишнього розчину. Молекули, оточені водяною оболонкою, об'єднувалися, утворюючи багатомолекулярні комплекси – коацервати.

Коацерватні краплі також могли виникати при простому змішуванні різноманітних полімерів. При цьому відбувалося самоскладання полімерних молекул у багатомолекулярні утворення - видимі під оптичним мікроскопом краплі.

Краплі були здатні поглинати ззовні речовини на кшталт відкритих систем. При включенні в коацерватні краплі різних каталізаторів (у тому числі і ферментів) в них відбувалися різні реакції, зокрема полімеризація мономерів, що надходять із зовнішнього середовища. За рахунок цього краплі могли збільшуватися в обсязі та вазі, а потім подрібнюватись на дочірні освіти. Таким чином, коацервати могли зростати, розмножуватися, здійснювати обмін речовин.

Подібні погляди також висловлював британський біолог Джон Холдейн.

Перевірив теорію Стенлі Міллер у 1953 році в експерименті Міллера – Юрі. Він помістив суміш H 2 O, NH 3 , CH 4 , CO 2 , CO в замкнуту посудину (рис. 1) і став пропускати через неї електричні розряди. Виявилося, що утворюються амінокислоти. Пізніше в різних умовах були отримані інші цукри та нуклеотиди. Він зробив висновок, що еволюція може статися при фазововідокремленому стані розчину (коацерватів). Однак така система не може сама себе відтворювати.

Теорія була обгрунтована, крім однієї проблеми, яку довго заплющували очі майже всі фахівці у сфері походження життя. Якщо спонтанно, шляхом випадкових безматричних синтезів у коацерваті виникали поодинокі вдалі конструкції білкових молекул (наприклад, ефективні каталізатори, що забезпечують перевагу даному коацервату в зростанні та розмноженні), то як вони могли копіюватися для поширення всередині коацервату, а тим більше для передачі коацерватам? Теорія виявилася нездатною запропонувати вирішення проблеми точного відтворення - всередині коацервату і в поколіннях - одиничних ефективних білкових структур, що випадково з'явилися. Однак, було показано, що перші коацервати могли утворитися мимоволі з ліпідів, синтезованих абіогенним шляхом, і вони могли вступити в симбіоз з «живими розчинами» - колоніями молекул РНК, що самовідтворюються, серед яких були і рибозими, що каталізують синтез ліпідів, а таку спільноту вже можна назвати організмом.

Олександр Опарін (праворуч) у лабораторії

Світ РНК як попередник сучасного життя

До XXI століття теорія Опаріна-Холдейна, що передбачає початкове виникнення білків, фактично поступилася місцем більш сучасної. Поштовхом для її розробки послужило відкриття рибозимів - молекул РНК, які мають ферментативної активністю і тому здатних поєднувати у собі функції, які у реальних клітинах переважно виконують окремо білки і ДНК, тобто каталізування біохімічних реакцій і збереження спадкової інформації. Таким чином, передбачається, що перші живі істоти були РНК-організмами без білків і ДНК, а прообразом їх міг стати автокататилічний цикл, утворений тими рибозимами, здатними каталізувати синтез своїх власних копій.

Панспермія

Відповідно до теорії Панспермії, запропонованої в 1865 році німецьким вченим Г. Ріхтером і остаточно сформульованої шведським вченим Арреніусом в 1895 році, життя могло бути занесене на Землю з космосу. Найімовірніше попадання живих організмів позаземного походження з метеоритами та космічним пилом. Це припущення ґрунтується на даних про високу стійкість деяких організмів та їх суперечку до радіації, глибокого вакууму, низьких температур та інших впливів. Проте досі немає достовірних фактів, що підтверджують позаземне походження мікроорганізмів, знайдених у метеоритах. Але якби навіть вони потрапили на Землю і дали початок життя на нашій планеті, питання про первісне виникнення життя залишалося б без відповіді.

Френсіс Крік і Леслі Оргел запропонували в 1973 році інший варіант - керовану панспермію, тобто навмисне «зараження» Землі (поряд з іншими планетними системами) мікроорганізмами, доставленими на непілотованих космічних апаратах розвиненою інопланетною цивілізацією, яка, можливо, знаходилася просто сподівалася зробити тераформування інших планет для майбутньої колонізації. На користь своєї теорії вони навели два основних докази - універсальність генетичного коду (відомі інші варіації коду використовуються в біосфері набагато рідше і мало відрізняються від універсального) і значну роль молібдену в деяких ферментах. Молібден – дуже рідкісний елемент для всієї Сонячної системи. За словами авторів, первісна цивілізація, можливо, мешкала біля зірки, збагаченої молібденом.

Проти заперечення про те, що теорія панспермії (у тому числі керованої) не вирішує питання про зародження життя, вони висунули наступний аргумент: на планетах іншого невідомого нам типу ймовірність зародження життя спочатку може бути набагато вищою, ніж на Землі, наприклад, через наявності особливих мінералів із високою каталітичною активністю.

У 1981 році Ф. Крик написав книгу "Life itself: its origin and nature", в якій він докладніше, ніж у статті, і в популярній формі викладає гіпотезу керованої панспермії.