Сім наукових теорій про походження життя. І п'ять ненаукових версій

Щоб оцінити це чудо по достоїнству, треба познайомитися з рядом сучасних теорій, що описують різні варіанти і етапи народження життя. Від жвавого, але неживого набору нескладних органічних сполук і до протоорганізмов, які пізнали смерть і вступили в нескінченну гонку біологічної мінливості. Зрештою, чи не ці два доданків - мінливість і смерть - породжують всю суму життя? ..

1.Панспермія

Гіпотеза про занесенні життя на Землю з інших космічних тіл має масу авторитетних захисників. На цій позиції стояв великий німецький вчений Герман Гельмгольц і шведський хімік Сванте Арреніус, російський мислитель Володимир Вернадський і британський лорд-фізик Кельвін. Однак наука - область фактів, і після відкриття космічної радіації і її згубного впливу на все живе панспермия, здавалося, померла.

Але чим глибше вчені занурюються в питання, тим більше спливає нюансів. Так, тепер - в тому числі і поставивши численні експерименти на космічних апаратах - ми з куди більшою серйозністю ставимося до здібностям живих організмів переносити радіацію і холод, відсутність води та інші «принади» перебування у відкритому космосі. Знахідки всіляких органічних сполук на астероїдах і кометах, в далеких газопилових скупченнях і протопланетних хмарах численні і не викликають сумнівів. А от заяви про виявлення в них слідів чогось підозріло нагадує мікроби залишаються недоведеними.

Легко помітити, що при всій своїй захопливості теорія панспермії лише переносить питання про виникнення життя в інше місце і інший час. Що б не занесло перші організми на Землю - випадковий чи метеорит або хитрий план високорозвинених інопланетян, вони повинні були десь і якось народитися. Хай не тут і набагато далі в минулому - але життя повинна була вирости з млявою матерії. Питання «Як?» Залишається.

© Getty Images

1.Ненаучно: Самозародження

Спонтанне походження високорозвиненою живої матерії з неживої - як зародження личинок мух в гниючому м'ясі - можна зв'язати ще з Аристотелем, який узагальнив думки безлічі попередників і сформував цілісну доктрину про самозародження. Як і інші елементи філософії Аристотеля, самозародження було домінуючою доктриною в Середньовічній Європі і користувалося певною підтримкою аж до експериментів Луї Пастера, який остаточно показав, що для появи навіть личинок мух потрібні мухи-батьки. Не варто плутати самозародження з сучасними теоріями абіогенного виникнення життя: різниця між ними принципова.

Не варто плутати самозародження з сучасними теоріями абіогенного виникнення життя: різниця між ними принципова

© Flickr

2. Первинний бульйон

Це поняття тісно пов'язане з встигли набути статусу класичних експериментами, поставленими в 1950-х Стенлі Міллером і Гарольдом Юрі. У лабораторії вчені змоделювали умови, які могли існувати на поверхні молодої Землі, - суміш метану, чадного газу та молекулярного водню, численні електричні розряди, ультрафіолет, - і незабаром більше 10% вуглецю з метану перейшло в форму тих або інших органічних молекул. У дослідах Міллера - Юри було отримано більше 20 амінокислот, цукру, ліпіди і попередники нуклеїнових кислот.

Сучасні варіації цих класичних експериментів використовують куди більш складні постановки, які точніше відповідають умовам ранньої Землі. Імітуються дії вулканів з їх викидами сірководню і двоокису сірки, присутність азоту і т. Д. Так вченим вдається отримувати величезну і різноманітне кількість органіки - потенційних цеглинок потенційної життя. Головною проблемою цих дослідів залишається рацемат: ізомери оптично активних молекул (таких як амінокислоти) утворюються в суміші в рівних кількостях, тоді як вся відома нам життя (за одиничними і дивними винятками) включає лише L-ізомери.

Втім, до цієї проблеми ми ще повернемося. Тут же варто додати, що недавно - в 2015 році - кембриджський професор Джон Сазерленд (John Sutherland) зі своєю командою показав можливість утворення всіх базових «молекул життя», компонентів ДНК, РНК і білків з вельми нехитрого набору вихідних компонентів. Головні герої цієї суміші - ціановодород і сірководень, не такі вже й рідко зустрічаються в космосі. До них залишається додати деякі мінеральні речовини і метали, в достатній кількості наявні на Землі, - такі як фосфати, солі міді і заліза. Вчені побудували детальну схему реакцій, яка цілком могла створити насичений «первинний бульйон» для того, щоб в ньому з'явилися полімери і в гру вступила повноцінна хімічна еволюція.

Гіпотезу абіогенного походження життя з «органічного бульйону», яку перевірили експерименти Міллера і Юрі, висунув в 1924 році радянський біохімік Олександр Опарін. І хоча в «темні роки» розквіту лисенківщини вчений став на бік супротивників наукової генетики, заслуги його великі. В знак визнання ролі академіка ім'я його носить головна нагорода, що вручається Міжнародним науковим товариством вивчення виникнення життя (ISSOL), - Медаль Опаріна. Премія присуджується кожні шість років, і в різний час її удостоювалися і Стенлі Міллер, і великий дослідник хромосом, Нобелівський лауреат Джек Шостак. Визнаючи величезний внесок і Гарольда Юрі, в проміжках між врученнями Медалі Опаріна ISSOL (теж кожні шість років) присуджує Медаль Юрі. Вийшла унікальна, справжня еволюційна премія - з мінливим назвою.

3.Хіміческая еволюція

Теорія намагається описати перетворення порівняно простих органічних речовин в досить складні хімічні системи, попередниці власне життя, під впливом зовнішніх чинників, механізмів селекції і самоорганізації. Базовою концепцією цього підходу є «водно-вуглецевий шовінізм», що представляє ці два компоненти (воду і вуглець - NS) в якості абсолютно необхідних і ключових для появи і розвитку життя, будь то на Землі або десь за її межами. А головною проблемою залишаються умови, при яких «водно-вуглецевий шовінізм» може розвинутися в дуже витончені хімічні комплекси, здатні - перш за все - до самореплікаціі.

За однією з гіпотез, первинна організація молекул могла відбуватися в мікропорах глинистих мінералів, які виконували структурну роль. Цю ідею кілька років тому висунув шотландський хімік Александер Кейрнс-Сміт (Alexander Graham Cairns-Smith). На їх внутрішній поверхні, як на матриці, могли осідати і полимеризоваться складні біомолекули: ізраїльські вчені показали, що такі умови дозволяють вирощувати досить довгі білкові ланцюжки. Тут же могли накопичуватися потрібні кількості солей металів, що грають важливу роль каталізаторів хімічних реакцій. Глиняні стінки могли виконувати функції клітинних мембран, розділяючи «внутрішнє» простір, в якому протікають все більш складні хімічні реакції, і відокремлюючи його від зовнішнього хаосу.

«Матрицями» для зростання полімерних молекул могли служити поверхні кристалічних мінералів: просторова структура їх кристалічної решітки здатна вести відбір лише оптичних ізомерів одного типу - наприклад, L-амінокислот, - вирішуючи проблему, про яку ми говорили вище. Енергію для первинного «обміну речовин» могли постачати неорганічні реакції - такі як відновлення мінералу піриту (FeS2) воднем (до сульфіду заліза і сірководню). В цьому випадку для появи складних біомолекул не потрібно ні блискавок, ні ультрафіолету, як в експериментах Міллера - Юри. А значить, ми можемо позбутися від шкідливих аспектів їх дії.

Молода Земля не була захищена від шкідливих - і навіть смертельно небезпечних - компонентів сонячного випромінювання. Навіть сучасні, випробувані еволюцією організми були б нездатні витримати цього жорсткого ультрафіолету - при тому, що саме Сонце було значно молодше і не давало досить тепла планеті. З цього виникла гіпотеза про те, що в епоху, коли творилося диво зародження життя, вся Земля могла бути покрита товстим - в сотні метрів - шаром льоду; і це на краще. Ховаючись під цим крижаним щитом, життя могла відчувати себе цілком в безпеці і від ультрафіолету, і від частих метеоритних ударів, що загрожували погубити її ще в зародку. Щодо прохолодна середовище могло також стабілізувати структуру перших макромолекул.

4. Чорні курці

Справді, ультрафіолетове випромінювання на молодій Землі, атмосфера якої ще не містила кисню і не мала такої чудової штуки, як озоновий шар, повинно було бути вбивчим для будь-якої зароджується життя. З цього виросло припущення про те, що тендітні предки живих організмів були змушені існувати десь, ховаючись від безперервного потоку стерилізують все і вся променів. Наприклад, глибоко під водою - звісно, ​​там, де є досить мінеральних речовин, перемішування, тепла і енергії для хімічних реакцій. І такі місця знайшлися.

Ближче до кінця ХХ століття стало ясно, що океанське дно ніяк не може бути притулком середньовічних монстрів: умови тут дуже важкі, температура невелика, випромінювання немає, а рідкісна органіка здатна хіба що осідати з поверхні. Фактично це якнайширші напівпустелі - за деякими примітними винятками: тут же, глибоко під водою, поблизу від виходів геотермальних джерел, життя буквально б'є ключем. Насичена сульфідами чорна вода гаряча, активно перемішується і містить масу мінералів.

Чорні курці океану - дуже багаті і самобутні екосистеми: харчуються на них бактерії використовують железосерние реакції, про які ми вже говорили. Вони є основою для цілком квітучого життя, включаючи масу унікальних черв'яків і креветок. Можливо, вони були основою і зародження життя на планеті: принаймні, теоретично такі системи несуть в собі все необхідне для цього.

© Wikimedia Commons

2.Ненаучно: Духи, боги, первопредки

Будь-які космологічні міфи про походження світу завжди вінчаються антропогонические - про походження людини. І в цих фантазіях можна лише позаздрити уяві стародавніх авторів: з питання про те, з чого, як і чому виник космос, звідки і яким чином з'явилося життя - і люди, - версії звучали найрізноманітніші і майже завжди красиві. Рослини, риби і звірі виловлювалися з морського дна величезним вороном, люди виповзали хробаками з тіла первопредка Паньгу, ліпилися з глини і попелу, народжувалися від шлюбів богів і чудовиськ. Все це дивно поетично, але до науки, звичайно, не має ніякого відношення.

5.Мір РНК

Відповідно до принципів діалектичного матеріалізму життя - це «єдність і боротьба» двох начал: змінюється і передається у спадок інформації, з одного боку, і біохімічних, структурних функцій - з іншого. Одне без іншого неможливо - і питання про те, з чого життя почалося, з інформації і нуклеїнових кислот або з функцій і білків, залишається одним з найскладніших. А одним з відомих рішень цієї парадоксальної завдання є гіпотеза «світу РНК», що з'явилася ще в кінці 1960-х і остаточно оформилася в кінці 1980-х.

РНК - макромолекули, в зберіганні і передачі інформації не настільки ефективні, як ДНК, а в виконанні ферментативних функцій - не настільки вражаючі, як білки. Зате молекули РНК здатні і на те, і на інше, і до сих пір вони служать передавальною ланкою в інформаційному обміні клітини, і каталізують цілий ряд реакцій в ній. Білки нездатні реплицироваться без інформації ДНК, а ДНК здатна на це без білкових «умінь». РНК ж може бути повністю автономною: вона здатна каталізувати власне «розмноження» - і для початку цього достатньо.

Дослідження в рамках гіпотези «світу РНК» показали, що ці макромолекули здатні і до повноцінної хімічної еволюції. Взяти хоча б наочний приклад, продемонстрований каліфорнійськими біофізиками на чолі з Леслі Оргелом (Lesley Orgel): якщо в розчин здатної до самореплікаціі РНК додати бромистий етидій, службовець для цієї системи отрутою, що блокує синтез РНК, то потроху, зі зміною поколінь макромолекул, в суміші з'являються РНК, стійкі навіть до дуже високих концентрацій токсину. Приблизно так, еволюціонуючи, перші молекули РНК могли знайти спосіб синтезувати перші інструменти-білки, а потім - в комплексі з ними - «відкрити» для себе і подвійну спіраль ДНК, ідеальний носій спадкової інформації.

Приблизно так, еволюціонуючи, перші молекули РНК могли знайти спосіб синтезувати перші інструменти-білки, а потім - в комплексі з ними - «відкрити» для себе і подвійну спіраль ДНК, ідеальний носій спадкової інформації

© Wikimedia Commons

3.Ненаучно: Незмінність

Не більше науковими, ніж історії про первопредках, можна назвати і погляди, що носять гучне ім'я Теорії стаціонарного стану. На думку її прихильників, ніяка життя зовсім ніколи не виникала - наче й не народжувалася і Земля, не з'являвся і космос: вони просто були завжди, завжди і зостануться. Все це не більше обгрунтовано, ніж черв'яки Паньгу: щоб всерйоз прийняти таку «теорію», доведеться забути про незліченні знахідки палеонтології, геології та астрономії. А по суті, відмовитися від усього грандіозного будівлі сучасної науки - але тоді, напевно, варто відмовитися і від усього того, що належить його жителям, включаючи комп'ютери і безболісне лікування зубів.

6.Протоклеткі

Однак простий реплікації для «нормального життя» недостатньо: будь-яке життя - це, перш за все, просторово ізольований ділянку середовища, що розділяє процеси обміну, що полегшує протягом одних реакцій і дозволяє виключати інші. Інакше кажучи, життя - це клітина, обмежена напівпроникною мембраною, що складається з ліпідів. І «протоклітини» повинні були з'являтися вже на самих ранніх етапах існування життя на Землі - першу гіпотезу про їх походження висловив добре знайомий нам Олександр Опарін. В його уяві «протомембранамі» могли служити крапельки гідрофобних ліпідів, що нагадують жовті краплі олії, плаваючого у воді.

В цілому ідеї вченого приймаються і сучасною наукою, займався цією темою і Джек Шостак, який отримав за свої роботи Медаль Опаріна. Разом з Катаржина Адамалой (Katarzyna Adamala) він зумів створити свого роду модель «протоклітини», аналог мембрани якої складався не з сучасних ліпідів, а з ще більш простих органічних молекул, жирних кислот, які цілком могли накопичуватися в місцях виникнення перших протоорганізмов. Шостаку і Адамале вдалося навіть «оживити» свої структури, додавши в середу іони магнію (стимулюючі роботу РНК-полімерази) і лимонну кислоту (стабілізуючу структуру жирових мембран).

В результаті у них вийшла зовсім проста, але в чомусь жива система; у всякому разі це була нормальна протоклетка, яка містила захищену мембраною середу для розмноження РНК. З цього моменту можна закрити останню главу передісторії життя - і почати перші глави її історії. Втім, це вже зовсім інша тема, так що ми розповімо лише про одну, але надзвичайно важливою концепції, пов'язаної з першими кроками еволюції життя і виникненням величезного розмаїття організмів.

© Getty Images

4.Ненаучно: Вічне повернення

«Фірмове» уявлення індійської філософії, в західній філософії пов'язане з працями Іммануїла Канта, Фрідріха Ніцше та Мірчі Еліаде. Поетична картина вічного мандри кожної живої душі по нескінченному безлічі світів і їх мешканців, її переродження то в нікчемне комаха, то в піднесеного поета, а то і в істота, невідоме нам, демона або бога. Незважаючи на відсутність ідей реінкарнації, Ніцше ця ідея дійсно близька: вічність вічна, а значить, будь-яка подія в ній може - і повинно повторитися знову. І кожна істота без кінця обертається на цій каруселі загального повернення, так що тільки голова паморочиться, а сама проблема первинного походження зникає десь у калейдоскопі незліченних повторень.

7. ендосимбіоз

Погляньте на себе в дзеркало, вдивіться в очі: істота, з яким ви переглядалися, це дуже складний гібрид, що виник в незапам'ятні часи. Ще в кінці XIX століття німецько-англійський натураліст Андреас Шимпером (Andreas Schimper) зауважив, що хлоропласти - органели рослинної клітини, відповідальні за фотосинтез, - реплицируются окремо від самої клітини. Незабаром з'явилася гіпотеза про те, що хлоропласти - це симбіонти, клітини фотосинтезирующих бактерій, колись проковтнуті господарем - і залишилися жити тут назавжди.

Зрозуміло, хлоропластів у нас немає, інакше б ми могли харчуватіся Сонячна світлом, як предлагают деякі псевдорелігійні секти. Однак в 1920-е гіпотеза ендосімбіоз булу розшірена, включаючи мітохондрії - органели, Які спожівають кисень и поставляються Енергію всім нашим клітінам. До сьогоднішнього дня ця гіпотеза набула статусу повноцінної, багаторазово доведеною теорії - досить сказати, що у мітохондрій і пластид виявився власний геном, більш-менш незалежні від клітини механізми розподілу і власні системи синтезу білка.

У природі виявлено та інші ендосімбіонти, що не мають за плечима мільярдів років спільної еволюції і знаходяться на менш глибокому рівні інтеграції в клітці. Наприклад, у деяких амеб немає власних мітохондрій, зате є включені всередину і виконують їх роль бактерії. Є гіпотези і про ендосімбіотіческом походження інших органел - включаючи джгутики і війки, і навіть клітинне ядро: згідно з думкою деяких дослідників, всі ми, еукаріоти, стали результатом небувалого злиття між бактеріями і археями. Ці версії поки не знаходять суворого підтвердження, проте ясно одне: тільки-но виникнувши, життя стала поглинати сусідів - і взаємодіяти з ними, породжуючи нове життя.

5.Ненаучно: Креаціонізм

Саме поняття креаціонізму виникло в XIX столітті, коли цим словом стали називатися прихильники різних версій появи світу і життя, запропонованих авторами Тори, Біблії та інших священних книг монотеїстичних релігій. Однак по суті нічого нового в порівнянні з цими книгами креаціоністи не запропонували, раз по раз намагаючись спростувати строгі і ґрунтовні знахідки науки - а насправді раз по раз втрачаючи одну позицію за іншою. На жаль, ідеї сучасних псевдовчених-креационистов куди легше зрозуміти: на усвідомлення теорій справжньої науки потрібно-таки витратити чимало зусиль.

Зрештою, чи не ці два доданків - мінливість і смерть - породжують всю суму життя?
Питання «Як?
Навигация сайта
Новости
Реклама
Панель управления
Информация