Виникнення життя на землі і гіпотеза стаціонарного стану

Існує кілька гіпотез про походження життя на Землі. Їх можна розділити на

дві групи. 

Біогенез – походження живого від живого (гіпотеза панспермії, стаціонарного стану).

Абіогенез – походження живого від неживого (гіпотеза самозародження, біохімічна еволюція) 

Гіпотеза стаціонарного стану

Земля і життя на ній ніколи не виникали, а існують вічно.

Види живих організмів можуть вимирати або змінювати свою чисельність, але не можуть змінюватися. 

Доказ: з теорії біогенезу як твердження про те, що живі організми можуть відбуватися тільки від інших живих організмів, неминуче випливає єдиний логічний висновок: життя існувало вічно. Іншими словами, якщо простежити ланцюжок породжують один одного живих організмів в минуле, то вона повинна тягнутися нескінченно.

Креаціонізм

Різноманіття форм органічного світу є результатом створення їх Богом.

Заперечує зміна видів і їх еволюцію. 

Практично всі релігійні вчення стверджують, що людина і всі інші живі істоти створені Богом. Види відразу були досконалими і завжди залишаться такими, якими вони були створені. Ніяких доказів, що це так, не існує. Це питання віри. 

Креаціоністами було більшість вчених до XIX в.

Основоположник систематики К. Лінней вважав, що всі види рослин і тварин існують з часу «створення світу» і створені Богом незалежно один від одного.

Французький анатом і палеонтолог Ж. Кюв’є вважав, що протягом історії Землі відбувалися великі катастрофи, або катаклізми, після яких спустошені місця заселялися організмами, котрі пережили катастрофу у віддалених районах (теорія катастроф). 

Доказ креаціонізму : доцільність пристрою живих організмів і їх спільнот, хороша пристосованість до умов існування. 

Деякі сучасні послідовники креаціонізму використовують існування дуже складних, різноманітних молекулярно-генетичних процесів у живих істот як аргумент на користь невипадковість їх появи. Інші ж згодні з існуванням еволюційного процесу, але вважають, що саме початок еволюції було пов’язано з актом творіння. 

Гіпотеза панспермії

Життя занесене з космосу

Чи не пропонує вирішення проблеми походження життя у Всесвіті, а пояснює лише поява його на нашій планеті занесенням з космосу. 

Доказ панспермії : деякі мікроорганізми, а особливо їх спори, можуть зберігати життєздатність при дуже жорстких впливах (наприклад, дуже низьких температурах).

Однак до теперішнього часу при вивченні метеоритів ніяких форм життя на них не знайдено. 

Гіпотеза біохімічної еволюції Опаріна-Холдейна (гіпотеза абиогенеза)

Виникнення життя на нашій планеті відбулося в кілька етапів еволюції: 

  1. Абіогенний синтез простих органічних сполук.
  2. Освіта біополімерів.
  3. Встановлення зв’язків між біополімерами – освіту коацерватів . 
  4. Виникнення мембран, що відокремлюють перші подоби живих організмів – протобионтів – від навколишнього середовища.
  5. Виникнення обміну речовин і енергії з навколишнім середовищем.
  6. Поява здатності до самовідтворення.
  7. Формування екологічних зв’язків і утворення перших екосистем. 

Гіпотеза абіогенеза грунтується на даних сучасної науки про формування Землі приблизно 4,5 мільярда років тому. 
Гіпотеза Опаріна-Холдейна сформувалася і отримала перші експериментальні підтвердження в 1950 – 1960-ті рр. В даний час на основі сучасних даних гіпотеза абіогенеза зазнала значних змін, була розширена і доповнена. Зокрема, більшість вчених сьогодні вважають, що виникнення самовідтворення передувало формуванню мембран і повноцінного обміну речовин або відбувалося паралельно з ними. Самовідтворення передбачає збереження властивостей в ряду поколінь організмів, лежить в основі природного відбору (який, безумовно, вже діяв серед цих древніх систем) і еволюції в цілому.

Після появи нашої планети як твердого тіла і її поступового охолодження відбувалася конденсація водяної пари в первинній атмосфері Землі. Дощова вода з розчиненими в ній речовинами накопичувалася в поглибленнях рельєфу.

В первинній атмосфері в значних кількостях присутній вуглекислий газ, сірководень, метан, аміак, пари води і майже повністю був відсутній кисень (отже, не було озонового шару). Земля була схильна до жорсткого ультрафіолетового випромінювання Сонця. 

Середовище в цілому була насичена енергією. Для освіти або розриву хімічних зв’язків важливу роль відігравали такі джерела: 

  • жорстке ультрафіолетове випромінювання; 
  • електричні розряди; 
  • природна радіоактивність; 
  • сонячний вітер;  
  • вулканічна діяльність. 

Американські дослідники Стенлі Міллер і Гарольд Юрі в 1953 році в експериментах показали, як в далекому минулому могли з’являтися біологічно важливі хімічні сполуки. Вони підібрали різні гази в співвідношенні, близькому до складу древньої атмосфери, і пропускали через цю суміш іскрові розряди. В результаті виходили такі біологічно важливі сполуки, як мурашина і молочна кислоти, сечовина і амінокислоти (гліцин, аланін, глутамінова кислота, аспарагінова кислота). Наступні експериментатори, варіюючи умови і удосконалюючи методи аналізу, розширили набір продуктів в такому синтезі. Ними були отримані багато амінокислот, пуринові основи – аденін і гуанін (вони виходять, якщо в суміш газів додати синильну кислоту), чотирьох- і пятиуглеродного цукру. У 2008 році досвід повторили і з’ясували,
Міллер і Юрі грунтувалися в своїх експериментах на уявленнях 1950-х рр. про можливий склад земної атмосфери. В даний час погляди на це питання змінилися. Зокрема, вважається, що концентрація СО не могла бути такою високою, при цьому було показано, що навіть невеликі зміни умов і складу газової суміші приводять до дуже істотних змін ефективності процесу синтезу органіки. Застосування нових аналітичних методів до найдавніших земних гірських порід дозволило уточнити склад стародавньої атмосфери Землі. Він виявився дуже схожий на сучасні атмосфери Венери і Марса – 98% СО2, 1,5% N2 і малі частки інших газів, в основному аргону і SO2. З такої атмосфери в апараті Міллера не виходить ніякої органіки. Для отримання органіки з CO2 необхідний відновник, і вчені зайнялися його пошуками.

Води на поверхні і безпосередньо під поверхнею Землі насичувалися подібними речовинами ( «первинний бульйон» ). Склад і концентрація органічних речовин залежали від оточуючих умов і, ймовірно, були різними в різних частинах поверхні Землі. Частина утворених органічних речовин руйнувалася. Однак інша частина могла концентруватися, наприклад, в пористих мінералах, утворюючи полімери. В експериментах показано, що нагрівання суміші амінокислот призводить до утворення досить довгих поліпептидів з випадковою послідовністю мономерів. Деякі з цих поліпептидів мають каталітичну активність.

Жирні кислоти, з’єднуючись із спиртами, могли утворювати ліпідні плівки на поверхні водойм. 

Зв’язки між різними біополімерами і іншими речовинами могли утворитися при ізоляції невеликих обсягів біополімерів, наприклад при утворенні бульбашок з ліпідних плівок ( коацерватов ) або з пептидів (мікросфери). 

Роль коацерватів досліджувалася Олександром Івановичем Опаріним і його англійським колегою Джоном Холдейном. Мікросфери були присвячені дослідження американського вченого Сіднея Фокса. 

Проблеми теорії абіогенеза

  1. Проблема складності самовідтворюється системи. Складність живих клітин величезна. Навіть найпростіші бактерії мають геном з понад мільйон нуклеотидів, що кодує понад тисячу білків. Для роботи цього генома потрібні спеціальні молекулярні машини синтезу білка (рибосоми), синтезу ДНК (репликативная вилка), енергопостачання (як мінімум 12 ферментів гліколізу, а зазвичай ще й електрон-транспортна ланцюг на мембрані) і засоби регулювання і управління (транскрипційні фактори та сигнальні білки). Складність такої системи дуже висока, а більш простих самостійно відтворюються систем, ніж клітина, біологія не знає. Віруси не береться до уваги – для їх розмноження потрібна складна жива клітина. Дарвінівський природний відбір може породжувати все більш складні системи, але для цього вони з самого початку повинні бути здатні до реплікації. 
  2. Проблема хіральної чистоти.
    Всі живі системи містять тільки певні оптичні ізомери амінокислот і цукрів (L-амінокислоти і D-цукру). Протилежні ізомери зустрічаються, але рідко і в особливих випадках (наприклад, в клітинній стінці бактерій). Неживі ж системи таким властивістю не володіють. Це властивість живих систем називається хіральної чистотою. Вона підтримується за рахунок просторового відповідності молекул біологічних каталізаторів – ферментів – тільки одному з оптичних ізомерів. Більшість хімічних реакцій в неживих системах не є стереоселективного, тобто в них беруть участь обидва оптичних ізомери з однієї і тієї ж ймовірністю. Відомо дуже мало абіогенних процесів, які стереоселективного, тобто в них бере участь переважно один оптичний ізомер, але і вони не дають достатнього збагачення системи потрібними изомерами. Однак в останні роки відкрито безліч процесів, які призводять до збагачення тих чи інших оптичним ізомером – див. Далі в п.3.
  3. Проблема відсутності відновника в первинній атмосфері (див. Вище про досвід Міллера-Юрі). За новими даними про склад первинної атмосфери, в ній практично не містилося молекулярного водню і CО, і описані Міллером і Юрі синтези йти не могли.
    У багатьох сучасних успішні експерименти по абіогенного синтезу органіки беруть в якості вихідної речовини формальдегід. Він дуже реакционноспособен і дає безліч біологічно значущих продуктів.
    Звідки міг узятися формальдегід? Він міг утворюватися при відновленні вуглекислого газу на неорганічних каталізаторів. Наприклад, гаряча вулканічна лава, яка містить самородне залізо, при контакті з вологою СО2-атмосферою утворює формальдегід. Водний розчин гідроксиду заліза (II) виробляє ту ж реакцію при освітленні ультрафіолетом.
    Сьогодні існують дві детально розроблені теорії абіогенного синтезу органіки, що зв’язують відновлення СО2, енергетичний обмін і особливості змісту іонів металів в живу речовину.
    Перша, що припускає походження життя в «залізо-сірчаному світі», на підводних геотермальних джерелах, запропонована німецьким біофізиком Карлом Ваштерхаузером.
    Інший сценарій абіогенного синтезу органіки на геотермальних джерелах запропонований Мулкіджаняном. Він випливає з здібності сульфідів цинку і марганцю до відновлення різних речовин на світлі ( «цинковий світ»).
    Як відбувався подальший синтез складної биогенной органіки? Вчені проводять безліч експериментів, прагнучи підібрати умови для цих процесів, можливі на древній Землі. Велику роль в сучасних дослідженнях грає реакція Бутлерова,  відкрита ще в 1865 році. У цій реакції водний розчин формальдегіду (СH2O) з додаванням Ca (OH) 2 або Mg (OH) 2 при невеликому нагріванні перетворюється в складну суміш цукрів. Ця реакція виявилася автокаталитической, тобто продукти є каталізаторами. Також каталізує реакцію світло. У певних умовах реакція Бутлерова дозволяє вирішити проблему хіральної чистоти, приводячи до появи тільки певних оптичних ізомерів цукрів. Для цього додають силікати або гідроксиапатит (фосфат кальцію) – з’єднання, в яких не бракує в земній корі. Також до синтезу хіральні чистих D-цукрів призводить додавання комплексу амінокислоти L-проліну з іоном цинку. 
    Великою проблемою вважався довгий час синтез нуклеотидів, так як умови синтезу його окремих компонентів, а також 4 різних нуклеотидів виявилися слабо сумісні. Однак у 2008 році Сандерлендом був здійснений синтез нуклеотидів як цілого, а не у вигляді окремих компонентів, при цьому отримані всі 4 варіанти. 

Проблема самовідтворення і ГІПОТЕЗА РНК-СВІТУ

Як пробіонти придбали здатність до саморепродукції, тобто здатність до відтворення структури макромолекул? Точно сказати неможливо, проте є гіпотези, що пояснюють формування самовідтворення систем на основі нуклеїнових кислот.

Сучасні вчені і раніше активно займаються проблемою абіогенного синтезу і досягли значних успіхів. Зокрема, активно вивчається автокаталитический синтез цукрів (реакція Бутлерова), відкритий процес синтезу цілого нуклеотиду (раніше освіту нуклеотидів було неприступною фортецею – все його компоненти отримати в подібних умовах не вдавалося). Отримавши нуклеотиди, легко перейти до складання перших нуклеїнових кислот, а ці молекули вже містять в собі потенціал до самовідтворення. Ймовірно, перші самовідтворюються системи були побудовані на основі РНК.

Відкриття в 1982 р каталітичної активності деяких молекул РНК (рибозимів) дозволяє припускати, що саме молекули РНК були першими біополімерами, в яких здатність до реплікації поєднувалася з ферментативної активністю. Штучно отримані самовідтворюються РНК (правда, невеликої довжини), т. Е. РНК, здатні каталізувати синтез своїх копій. Більш того, саме РНК відіграє важливу роль у всіх основних і, як передбачається, найдавніших процесах в клітці. Так, при біосинтезі білка на рибосомах каталітична роль належить саме Хвороби. Безбілкова рибосома в даний час не існує – білки є невід’ємною частиною цього комплексу, але вона цілком могла існувати в минулому.
Всі ці факти говорять на користь того, що саме РНК колись виконувала всі біологічно значущі функції в перших живих системах, а вже потім частина функцій перейшла до ДНК (зберігання спадкової інформації) і білків (каталіз, структурні функції і ін.). Це припущення називається гіпотезою РНК-світу і користується широкою підтримкою серед сучасних вчених.

Сподобалася стаття? Поділитися з друзями:
Знай все!
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: