Сучасні гіпотези походження життя
Початок сучасним уявленням про виникнення живого було покладено вітчизняним ученим-біохіміком А. І. Опаріним . У 1924 р він опублікував працю «Походження життя», в якому представив природничо гіпотезу про зародження життя на Землі.
За гіпотезою Опаріна, життя зародилося на Землі в результаті цілого ряду хімічних перетворень, що здійснювалися протягом дуже тривалого часу (мільярди років) в особливих умовах молодої, тоді ще тільки формувалася планети.
Опарін підкреслював, що перші живі організми (предорганізми) у вигляді невеликих білкових тіл, названих їм коацерватнимі крапельками, а потім коацерватами, з'явилися в «первинному бульйоні» молодої планети шляхом цілого ряду фізичних і хімічних процесів, що здійснювалися протягом дуже тривалого періоду в історії Землі . Такі Коацервати фактично служили місцем зустрічі і взаємодії простих білків, нуклеїнових кислот, вуглеводів і ліпідів, незалежно виникли до цього в умовах молодої планети, які знаходилися в її зовнішньому середовищі.
А. І. Опарін вважав, що в масі коацерватних крапель повинен був йти відбір найбільш стійких в існуючих умовах. Серед коацерватов в процесі подальшого природного відбору залишалися лише ті, які при растекании на дочірні Коацервати зберігали свої властивості, т. Е. Були здатні до самовідтворення. З придбанням цих властивостей коацерватная крапля вже могла вважатися найпростішим живим організмом. Цей процес природного відбору йшов мільйони років.
Гіпотеза походження живого, вперше висунута А. І. Опаріним, довгий час вважалася основною і завоювала широке визнання. Однак вона залишала невирішеним питання переходу від складних органічних речовин до простих живих організмів. На думку Опаріна, головну роль відіграють білки, саме вони дали початок обміну речовин, забезпечивши відокремлення коацерватних крапельок одна від одної і від навколишнього середовища. Вчений стверджував, що білкові тільця (коа-цервати) з'явилися першими живими організмами - предорганізмамі. Але ця гіпотеза не давала пояснення здатності до самовідтворення.
Для вирішення цього питання англійський біохімік і генетик Джон Холдейн в 1929 р висуває «генетичну гіпотезу про походження живого»: першоосновою появи життя послужило виникнення дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). За гіпотезою Холдейна в основі створення найпростіших живих систем (протобионтов) лежать не білки, а нуклеїнові кислоти (РНК і ДНК), оскільки вони служать матричної основою синтезу білків. Холдейн спирався на висловлену в 1927 р американським ученим Г. Д. Меллером ідею про те, що молекули ДНК здатні утримувати «біологічну інформацію» і можуть утворювати мутації, а отже, накопичувати корисні зміни; завдяки молекулам ДНК протобіонти (протоклітини) і отримали здатність до самовідтворення. Вирішення цього питання вони пов'язували також з вивченням шляхів синтезу ферментів і відтворення генів.
Схожі з поглядами А. І. Опаріна ідеї в кінці 50-х рр. висловив англійський учений - фізик Джон Бернал . Подібну точку зору висловлював і вітчизняний вчений Н. Г. Холодний. На його думку, спочатку утворювалися НЕ білки, а вуглеводні, і це сталося не в Світовому океані, а на мілководдях після появи суші. американець Сідней Фокс стверджував, що на первісній Землі в калюжах, що залишалися після відливу, при випаровуванні води могли виникати з амінокислот якісь кулясті структури - «мікросфери», покриті зверху білками. Ці освіти Фокс називав протеіноіди і вважав, що вони, подібно ферментам, могли каталізувати певні хімічні реакції.
Подальші дослідження А. І. Опаріна і багатьох інших вчених підтвердили і розвинули ідею про виникнення живої матерії на Землі в результаті тривалої еволюції хімічних сполук.
Згідно з сучасними поглядами, живе спочатку зародилося як результат хімічної еволюції, т. Е. Абиогенно, а ускладнення живого і поява великої різноманітності живого на Землі відбулося в результаті біологічної еволюції, т. Е. Біогенної, на більш пізній стадії, що йде слідом за хімічним етапом розвитку життя в історії нашої планети. Опарін пише: «Все більш очевидним стає той факт, що дарвіновська (т. Е. Біологічна) еволюція - це лише сяюча вершина айсберга, майже дев'ять десятих якого приховано від нашого погляду».
Досліди, поставлені в 50-х рр. XX ст. американським біохіміком Стенлі Міллером , А пізніше і багатьма іншими дослідниками, показали, що з суміші газоподібного водню, аміаку, метану і водяної пари, з яких складалася первинна бескислородная атмосфера, можуть утворюватися різні органічні сполуки, серед них сечовина, ціаністий водень, спирти, альдегіди, цукор, амінокислоти (гліцин, аланін, аспаргіновая кислота та ін.), органічні кислоти (гліколева, молочна, бурштинова, оцтова, мурашина і ін.) і невеликі нуклеотидні ланцюга з шести мономерів (прості нуклеїнові кислоти). Все це підтверджувало, що органічні речовини могли утворюватися на первісній Землі без участі живих організмів.
Питання про те, який з цих двох шляхів призвів до виникнення перших живих організмів (на основі білкових коацерватов - за гіпотезою А. І. Опаріна, або нуклеїнових кислот - за гіпотезою Дж. Холдейна), біологією ще не вирішене. Але і та і інша гіпотези в цілому подібним чином визначають етапи виникнення життя на Землі. Таких етапів умовно виділяють чотири:
1) синтез простих (низькомолекулярних) органічних сполук з неорганічних;
2) виникнення складних органічних сполук у вигляді полімерних ланцюгів білків і нуклеїнових кислот;
3) освіту відокремлених агрегатів (грудочок) органічних речовин у вигляді коацерватов або протеіноідов, відокремлених від зовнішнього середовища білковими мембранами;
4) поява найпростіших клітин, що володіють властивостями живого організму (самовідтворення). Це останній етап у створенні життя на Землі.
Перші три етапи відображають період хімічної еволюції в розвитку життя, а четвертий етап є початком біологічної еволюції живого. Сам перехід грудочки хімічних сполук в живу клітину поки експериментом не доведений. Тому так і інша теорії вважаються гіпотезами.
Еволюція хімічних сполук в напрямку життя (біопоеза) почалася з моменту формування планети Земля, близько 5-7 млрд років тому. Цей етап еволюції, що привів зрештою до формування перших організмів, зайняв близько 1 млрд років. Вчені вважають, що перші форми живого на Землі з'явилися понад 3500 млн років тому.
Існують і інші гіпотези про походження життя на Землі. Всі вони не суперечать один одному в головному: живе виникло в результаті цілого ряду фізичних і хімічних перетворень, що здійснювалися протягом дуже тривалого часу в особливих умовах молодої, тільки лише формувалася планети Земля.
Теорія Опаріна - Холдейна, таким чином, є теорією хімічної еволюції.
Суть теорії зводиться до наступного.
- Первісна Земля мала атмосферу, позбавлену кисню.
- Коли на цю атмосферу стали впливати різні природні джерела енергії, наприклад грози і виверження вулканів, то при цьому почали мимовільно формуватися основні хімічні сполуки (амінокислоти, жирні кислоти, спирти та ін.), Необхідні для органічного життя.
- З плином часу молекули органічних речовин накопичувалися в древньому океані в значних концентраціях. Походив синтез полімерів (пептидів, нуклеїнових кислот) з синтезованих раніше простих органічних сполук. Це було можливим, оскільки ніяких споживачів органічної речовини ще не було. Безкиснева атмосфера перешкоджала окислення цих речовин, їх «псування». Холдейн назвав такий стан стародавнього океану «первинним бульйоном».
- Деякі з цих полімерних молекул виявилися здатні до самовідтворення.
- Взаємодія між виникли нуклеїновими кислотами і пептидами врешті-решт призвело до виникнення генетичного коду.
- Надалі ці молекули об'єдналися, і з'явилися перші живі клітини - протобіонти (пробіонти).
- Перші клітини були гетеротрофами, вони не могли відтворювати свої компоненти самостійно і отримували їх з «первинного бульйону». Але з часом все органічні сполуки з «бульйону» були використані, і клітини були змушені відтворювати їх самостійно. Так з'явилися автотрофні організми.
- Завдяки процесу природного відбору з цих перших клітин з'явилися всі живі організми, що існують на Землі.
<Попередня сторінка "Історія уявлень про виникнення життя"
Наступна сторінка "Фізико-хімічна еволюція в розвитку біосфери">
