ГИПОТЕЗЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИЗНИ

ГИПОТЕЗЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИЗНИ
ПРЕДПОСЫЛКИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИЗНИ
По научным данным, планета Солнечной системы Земля образовалась
из газово-пылевого облака около 4,5—5 млрд. лет назад. Такая газовопылевая материя встречается в межзвездном пространстве и в настоящее
время. Для возникновения жизни на Земле необходимы определенные
космические и планетарные условия. Одним из таких условий являются
размеры планеты. Масса планеты не должна быть слишком большой, так как
энергия атомного распада природных радиоактивных веществ может
привести к перегреванию планеты или радиоактивному загрязнению среды.
Но если масса планеты будет маленькой, то она не способна удерживать
около себя атмосферу. Также необходимо движение планеты вокруг звезды
по круговой орбите, позволяющее постоянно и равномерно получать
необходимое количество энергии. Для развития и возникновения жизни
важно равномерное поступление потока энергии на планету, потому что
существование живых организмов возможно в пределах определенных
температурных условий. Таким образом, к основным условиям
возникновения жизни на Земле относятся размеры планеты, энергия,
определенные температурные условия. Научно доказано, что эти условия
существуют только на планете Земля.
Вопрос о происхождении жизни уже давно волнует человечество,
известно множество гипотез.
В древности из-за отсутствия научных данных о возникновении жизни
существовали различные взгляды. Великий ученый своего времени
Аристотель (IV в. до н. э.) придерживался такого мнения, что из мяса
возникла вошь, из сока животного - клоп, из ила - червь.
В средние века, несмотря на расширение научных знаний, имели место
различные представления о возникновении жизни. Позднее, с открытием
микроскопа, уточнялись данные о строении организма. Соответственно
появились опыты, которые поколебали идеи о зарождении жизни из неживой
природы. Однако до середины XVII в. было еще много сторонников взгляда
о самозарождении.
Для познания тайн жизни английский философ Ф. Бэкон (1561— 1626)
предложил проведение исследований в виде наблюдений и экспериментов.
Взгляды ученого оказали особое влияние на развитие естествознания. В
середине XVII в. итальянский врач Франческо Реди (1626-1698) нанес
серьезный удар по теории самопроизвольного зарождения жизни, поставив
следующий опыт (1668 г.). Он поместил в четыре сосуда мясо и оставил их
открытыми, а другие четыре сосуда с мясом закрыл марлей. В открытых
сосудах из яиц, отложенных мухами, вывелись личинки. В закрытом же
сосуде, куда мухи не могли проникнуть, личинки не появились. На
основании этого опыта Реди доказал, что мухи выводятся из яичек,
отложенных мухами, т. е. мухи не самозарождаются.
В 1775 г. М. М. Тереховский провел следующий опыт. Он в два сосуда
налил бульон. Первый сосуд с бульоном он вскипятил и плотно закрыл
пробкой, где позже никаких изменений на наблюдал. Второй сосуд М. М.
Тереховский оставил открытым. Через несколько суток в открытом сосуде он
обнаружил прокисший бульон. Однако в то время еще не знали о
существовании микроорганизмов. Согласно представлениям этих ученых,
живое возникает из неживого под действием сверхъестественных
"жизненных сил". В закрытый сосуд "жизненная сила" не может проникнуть,
а при кипячении она погибает. Такие взгляды получили название
виталистических (лат. vitalis "живой, жизненный").
По вопросу возникновения жизни на Земле сформировались два
противоположных взгляда.
Первый (теория абиогенеза: живое возникает из неживой природы.
Второй взгляд (теория биогенеза):
живое не может возникнуть
самопроизвольно, оно происходит от живого. Для доказательства
невозможности самозарождения жизни французский ученый-микробиолог Л.
Пастер (1822-1895) в 1860 г. поставил такой опыт. Он видоизменил опыт М.
Тереховского и использовал колбу с S-образным узким горлышком. Л.
Пастер прокипятил питательную среду и поместил ее в колбу с длинным
изогнутым горлышком, воздух проходил в колбу свободно. Но микробы в
нее попасть не могли, так как они оседали в изогнутой части горлышка. В
такой колбе жидкость сохранялась долго без появления микроорганизмов. С
помощью такого простого опыта Л. Пастер доказал, что взгляды виталистов
ошибочны. Он убедительно доказал правильность теории биогенеза: живое
возникает только из живого. Но сторонники теории абиогенеза не признали
опыты Л. Пастера.
Некоторые из них утверждали, что "существует некая жизненная сила,
и жизнь на Земле вечна". Этот взгляд получил название креационизм (лат.
creatio "создатель
Зародыши жизни занесены на Землю с других планет посредством
метеоритов и космической пыли. Этот взгляд известен в науке под названием
теория панспермии (греч. pan "единство", sperma "зародыш"). "Теорию
панспермии" впервые в 1865 г. предложил немецкий ученый Г. Рихтер. По
его мнению, жизнь на Земле появилась не из неорганических веществ, а
занесена с других планет посредством микроорганизмов и их спор. Эту
теорию поддержали известные в то время ученые Г. Гельмгольц, Г. Томсон,
С. Аррениус, Т. Лазарев. Однако до настоящего времени нет научных
доказательств занесения микроорганизмов в составе метеоритов из далеких
космических пространств.
В 1880 г. немецкий ученый В. Прейер предложил теорию вечности
жизни на Земле, которую поддержал известный русский ученый В. И.
Вернадский. Данная теория отрицает разницу между живой и неживой
природой. Понятие о происхождении жизни тесно связано с расширением и
углублением знаний о живых организмах. В этой области немецкий ученый
Э. Пфлюгер (1875) исследовал белковые вещества. Он придавал особое
значение белку как основной составной части цитоплазмы, пытаясь
объяснить возникновение жизни с материалистической точки зрения.
Огромное научное значение имеет гипотеза русского ученого А. И.
Опарина (1924), доказывающая появление жизни на Земле абиогенным
путем из органических веществ. Его взгляды поддержали многие
зарубежные ученые. В 1928 г. английский биолог Д. Холдейн пришел к
выводу, что энергия, необходимая для образования органических
соединений, это энергия Солнца.
В настоящее время многие ученые придерживаются мнения о том, что
жизнь появилась впервые в результате обособления аминокислот и других
органических соединений в морской воде.
СОВРЕМЕННЫЕ ВЗГЛЯДЫ НА ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ.
По последним данным ученых, исследователей космоса, небесные тела
образовались 4,5—5 млрд. лет назад. На первых этапах формирования Земли
в ее состав входили оксиды, карбонаты, карбиды металлов и газы,
извергавшиеся из глубин вулканов. В результате уплотнения земной коры и
действия гравитационных сил стало выделяться большое количество тепла.
На повышение температуры Земли оказали влияние распад радиоактивных
соединений и ультрафиолетовые излучения Солнца. В это время вода на
Земле существовала в виде пара. В верхних слоях воздуха водяные пары
собирались в облака, которые выпадали на поверхность горячих камней в
виде ливневых дождей, затем вновь, испаряясь, поднимались в атмосферу. На
Земле сверкали молнии, гремели раскаты грома. Это продолжалось долго.
Постепенно поверхностные слои Земли стали остывать. Из-за ливневых
дождей образовались небольшие водоемы. Потоки раскаленной лавы,
которые текли с вулканов, и зола попадали в первичные водоемы и
непрерывно изменяли условия окружающей среды. Такие непрерывные
изменения окружающей среды способствовали возникновению реакций
образования органических соединений. В атмосфере Земли еще до
возникновения жизни содержались метан, водород, аммиак и вода. В
результате химической реакции соединения молекул сахарозы образовались
крахмал и клетчатка, а из аминокислот - белки. Из сахарозы и соединений
азота образовались саморегулирующие молекулы ДНК. В составе первичной
атмосферы Земли не было свободного кислорода. Кислород встречался в
виде соединений железа, алюминия, кремния и участвовал в образовании
различных минералов земной коры. Кроме того, кислород присутствовал в
составе воды и некоторых газов (например, углекислого). Соединения
водорода с другими элементами образовывали ядовитые газы на поверхности
Земли. Ультрафиолетовые излучения Солнца явились одним из необходимых
источников энергии для образования органических соединений. К широко
распространенным в атмосфере Земли неорганическим соединениям
относятся метан, аммиак и другие газы.
ОБРАЗОВАНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ АБИОГЕННЫМ
ПУТЕМ.
Знание условий окружающей среды на начальных этапах развития
Земли имело огромное значение для науки. Особое место в этой области
занимают работы русского ученого А. И. Опарина (1894-1980). В 1924 г. он
высказал предположение о возможности прохождения химической эволюции
в начальные этапы развития Земли. Теория А. И. Опарина основывается на
постепенном
длительном
усложнении
химических
соединений.
Американские ученые С. Миллер и Г. Юри в 1953 г. согласно теории А. И.
Опарина поставили опыты. Пропуская электрический разряд через смесь
метана, аммиака и воды, они получили различные органические соединения
(мочевина, молочная кислота, различные аминокислоты). Позднее такие
опыты повторили многие ученые. Полученные результаты опытов доказали
правильность гипотезы А. И. Опарина. Благодаря выводам названных выше
опытов, было доказано, что в результате химической эволюции первобытной
Земли образовались биологические мономеры.
ОБРАЗОВАНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ БИОПОЛИМЕРОВ
Совокупность и состав органических соединений, образованных в
различных водных пространствах первичной Земли, были разного уровня.
Образование
таких
соединений
абиогенным
путем
доказано
экспериментально. Американский ученый С. Фокс в 1957 г. высказал мнение
о том, что аминокислоты могут образовывать, соединяясь между собой,
пептидные связи без участия воды. Он заметил, что при нагревании, а затем
охлаждении сухих смесей аминокислот их белковоподобные молекулы
образуют связи. С. Фокс пришел к выводу, что на месте бывших водных
пространств под действием тепла потоков лавы и солнечных излучений
произошли самостоятельные соединения аминокислот, которые дали начало
первичным полипептидам.
РОЛЬ ДНК И РНК В ЭВОЛЮЦИИ ЖИЗНИ.
Главное отличие нуклеиновых кислот от белков это способность
удваиваться и воспроизводить точные копии первоначальных молекул. В
1982 г. американский ученый Томас Чек открыл ферментативную
(каталитическую) активность молекул РНК. В итоге он заключил, что
молекулы РНК самые первые полимеры на Земле. Молекулы ДНК по
сравнению с РНК более устойчивы в процессах распада в слабощелочных
водных растворах. А среда с такими растворами была в водах первичной
Земли. В настоящее время это условие сохранено только в составе клетки.
Молекулы ДНК и белки взаимосвязаны. Например, белки защищают
молекулы ДНК от вредного воздействия ультрафиолетовых лучей. Мы не
можем назвать белки и молекулы ДНК живыми организмами, хотя им
присущи некоторые признаки живых тел, потому что у них полностью не
сформированы биологические мембраны.
ЭВОЛЮЦИЯ И ОБРАЗОВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН.
Параллельное существование белков и нуклеиновых кислот в
пространстве, возможно, открыло путь для возникновения живых
организмов. Это могло произойти только при наличии биологических
мембран. Благодаря биологическим мембранам образуется связь между
окружающей средой и белками, нуклеиновыми кислотами. Только через
биологические мембраны идет процесс обмена веществ и энергии. На
протяжении миллионов лет первичные биологические мембраны, постепенно
усложняясь, присоединяли в состав различные белковые молекулы. Таким
образом, путем постепенного усложнения появились первые живые
организмы (протобионты). У протобионтов постепенно формировались
системы саморегуляции, самовоспроизведения. Первые живые организмы
приспособились к жизни в бескислородной среде. Все это соответствует
мнению, высказанному А. И. Опариным. Гипотеза А. И. Опарина в науке
называется коацерватной теорией. Эту теорию в 1929 г. поддержал
английский ученый Д. Холдейн. Многомолекулярные комплексы с тонкой
водной оболочкой снаружи называются коацерватами или коацерватной
каплей. Некоторые белки в составе коацерватов выполняли роль ферментов,
а нуклеиновые кислоты приобрели возможность передачи информации по
наследству.
Постепенно у нуклеиновых кислот сформировалась способность к
удвоению. Связь коацерватной капли с окружающей средой привела к
осуществлению самого первого простого обмена веществ и энергии на Земле.
Таким образом, основные положения теории возникновения жизни по А. И.
Опарину таковы:
1) в результате непосредственного влияния факторов окружающей
среды из неорганических веществ образовались органические;
2) образованные органические вещества оказали влияние на
образование сложных органических соединений (ферментов) и свободных
самовоспроизводящих генов;
3) образованные свободные гены соединились с другими
высокомолекулярными органическими веществами;
4) у высокомолекулярных веществ снаружи постепенно появились
белково-липидные мембраны;
5) в результате названных процессов появились клетки.
Современный взгляд на возникновение жизни на Земле называется
теорией биопоэза. В настоящее время она носит название биохимической
эволюционной теории появления жизни на Земле. Эту теорию предложил
в 1947 г. английский ученый Д. Бернал. Он различал три этапа биогенеза.
Первый этап это возникновение биологических мономеров абиогенным
путем. Второй этап это образование биологических полимеров. Третий этап
− возникновение мембранных структур и первых организмов (протобионтов).
Группировка сложных органических соединений в составе коацерватов и их
активное взаимодействие между собой создают условия для образования
саморегулирующих простейших гетеротрофных организмов.
В процессе возникновения жизни произошли сложные эволюционные
изменения −образование органических веществ из неорганических
соединений. Сначала появились хемосинтезирующие, затем постепенно
фотосинтезирующие организмы. В появлении большего количества
свободного кислорода в атмосфере Земли огромную роль сыграли
фотосинтезирующие организмы.
Химическая эволюция и эволюция первых организмов (протобионтов)
на Земле продлилась 1−1,5 млрд. лет.
Существенным недостатком всех теорий возникновения жизни
является отсутствие конкретного молекулярного базиса для исходной
примитивной доклеточной эволюции. Молекула, давшая начало жизни на
Земле, должна быть как можно более простой по структуре, и в то же время
способной выполнять важнейшие биологические функции. Одну из
возможных моделей такой "молекулы первожизни" предложили недавно
химики США.
Повышенный интерес к роли рибонуклеиновых кислот (РНК) в
зарождении жизни вызвало открытие в 1981-82 годах рибозимов. Рибозимы
(англ. ribozyme: ribonucleic enzyme) - это специфические молекулы РНК,
которые кроме обычной своей роли "транслятора" генетической информации
от ДНК к белкам, как оказалось, могут выполнять еще одну функцию,
принципиальную для самовоспроизведения, а именно - катализировать
химические реакции. Вполне логичным шагом после этого стало
предположение, что именно такой специфический вид РНК мог явиться
наилучшим кандидатом на роль "молекулярной праматери" жизни на Земле
Теория РНК- эволюции, как и все ей предшествующие, столкнулась,
однако, с обычной проблемой: нужно было доказать не только возможность
процесса как такового, но и "расписать" каждый его этап в более конкретных
деталях. Каким образом происходил реальный процесс первичной эволюции
древних РНК? Из каких "кирпичиков" могла состоять наиболее примитивная
РНК? Вершиной доказательности было бы, разумеется, моделирование
процесса "в пробирке" (in vitro).
В этом направлении проводили свои исследования химики Джон Ридер
(John Reader) и Джералд Джойс (Gerald Joyce) из Scripps Research Institute в
Калифорнии. Задавшись целью определить минимальный состав кирпичиков
РНК - нуклеотидов, который бы обеспечивал максимальную простоту
конструкции рибозима с возможно минимальной потерей его каталитических
свойств, они показали, что для построения такой молекулы достаточно всего
двух (против используемых современными организмами четырех) типов
нуклеотидов.
Исследователи отмечают при этом, что использованные ими
нуклеотиды весьма уместны для гипотетического рибозима предшественника жизни, так как их проще синтезировать из
предшественников; они также более устойчивы к температурным перепадам.
Важно также, что полученный "минимальный" рибозим мог специфически
катализировать принципиальную для самовоспроизводства РНК реакцию образование связей между РНК - нуклеотидами. При этом интенсивность
катализа была в 36000 раз выше, чем в отсутствие такого рибозима.
Таким образом, появился очередной, экспериментальный аргумент, в пользу РНК гипотезы происхождения жизни.