Походження життя на Землі: гіпотези, теорії, основні концепції

Відомо, що наукові журнали намагаються не приймати до публікації статті, присвячені проблемам, що привертає загальну увагу, але не мають чіткого рішення, - серйозне видання з фізики не буде публікувати проект вічного двигуна. Такою темою стало походження життя на Землі. Питання про виникнення живої природи, про появу людини хвилює людей думаючих багато тисячоліть, а однозначну відповідь знайшли для себе тільки креаціоністи – прихильники божественного походження всього сущого, але науковій ця теорія не є як не підлягає перевірці.

Погляди стародавніх

Про появу живих істот з води і гниючих залишків оповідають давньокитайські і давньоіндійські рукописи, про народження земноводних істот в мулистих відкладах великих річок написано староєгипетськими ієрогліфами і клинописом Стародавнього Вавилона. Гіпотези походження життя на Землі шляхом самозародження для мудреців далекого минулого були очевидні. Античні філософи також наводили приклади появи тварин з неживої матерії, але їх теоретичні обґрунтування мали різну природу: матеріалістичну та ідеалістичну. Демокріт (460-370 до н. е) знаходив причину виникнення життя в особливому взаємодії найдрібніших, вічних і неподільних частинок – атомів. Платон (428-347 до н. е.) і Аристотель (384-322 до н. е.) походження життя на Землі пояснювали дивним впливом на неживу матерію вищого начала, вселяє в душу об'єкти природи.




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

Теорія самозародження

Антоні ван Левенгук (1632-1723 рр) з винаходом мікроскопа зробив відкриті їм дрібні мікроорганізми головним предметом суперечки між вченими, поділяли дві основні теорії походження життя на Землі – биогенез і абиогенез. Перші вважали, що все живе може бути породженням тільки живого, другі вважали можливим самозародження органічної матерії в розчинах, поміщених в особливі умови. Суть цього спору не змінилася й досі.




Експерименти одних натуралістів доводили можливість мимовільного виникнення найпростіших мікроорганізмів, прихильники біогенезу повністю заперечували таку ймовірність. Луї Пастер (1822-1895 рр) строго науковими методами, високою коректністю своїх дослідів довів відсутність міфічної життєвої сили, що передається по повітрю і породжує живі бактерії. Однак в своїх роботах він допускав можливість самозародження в якихось особливих умовах, з'ясувати які належало вченим майбутніх поколінь.

Теорія еволюції

Труди великого Чарльза Дарвіна (1809-1882 рр) потрясли основи багатьох природничих наук. Проголошене ним поява величезного різноманіття біологічних видів від одного загального предка, знову зробило походження життя на Землі найважливішим питанням науки. Теорія природного відбору і на початку насилу знаходила своїх прихильників, і тепер піддається критичним атак, які виглядають досить обгрунтовано, але саме дарвінізм лежить в основі сучасних природничих наук. Після Дарвіна про походження життя на Землі біологія не могла розглядати з колишніх позицій. Вчені багатьох галузей біологічної науки переконувалися в істинності еволюційного шляху розвитку організмів. Нехай багато в чому змінилися сучасні погляди на спільного предка, поміщеного Дарвіном в основу Древа життя, але істинність загальної концепції непорушна.

Теорія стаціонарного стану

Лабораторне спростування спонтанного самозародження бактерій та інших мікроорганізмів, усвідомлення складного біохімічного будови клітини разом з ідеями дарвінізму зробили особливий вплив на появу альтернативних варіантів теорії походження життя на Землі. У 1880 році одне з нових суджень запропонував Вільям Прейер (1841-1897 рр.). Він вважав, що немає необхідності говорити про народження життя на нашій планеті, так як вона існує вічно, і у неї не було почала як такого, вона незмінна і постійно готова до відродження в будь-яких відповідних умовах. Ідеї Прейера і його послідовників являють собою тільки чисто історичний і філософський інтерес, тому що надалі астрономи і фізики розрахували терміни кінцевого існування планетарних систем, зафіксували постійне, але неухильне розширення Всесвіту, тобто вона ніколи не була ні вічною, 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), 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, не містили слідів органічних речовин, говорило про геологічну вічність життя. Одним із способів, яким життя з'явилася на молодій планеті, Вернадський називав її контакти з космічними об'єктами – кометами, астероїдами і метеоритами. Тут його теорія змикалася з іншою версією, объяснявшей походження життя на Землі методом панспермії.

Колиска життя – космос

Панспермия (грец. - "насіннєва суміш", "насіння всюди") вважає життя фундаментальним властивістю матерії і не пояснює способів її виникнення, але називає космос джерелом зародків життя, які потрапляють на небесні тіла з придатними для їх «проростання» умовами. Перша згадка про основних концепціях панспермії можна знайти у творах давньогрецького філософа Анаксагора (500-428 до н. е), а в XVIII столітті про неї висловлювався французький дипломат і геолог Бенуа де Майї (1656-1738 рр.). Реанімували ці ідеї Сванте Август Арреніус (1859-1927 рр.), лорд Кельвін Вільям Томсон (1824-1907 рр.) і Герман фон Гельмгольц (1821-1894 рр.). Дослідження жорстокого впливу на живі організми космічного випромінювання та температурних умов міжпланетного простору зробило подібні гіпотези походження життя на Землі не надто актуальними, але з початком космічної ери інтерес до панспермії посилився. У 1973 році нобелівський лауреат Френсіс Крік (1916-2004 рр.) висловив думка про позаземне виробництві молекулярних живих систем і попадання їх на Землю з метеоритами та кометами. При цьому шанси абиогенеза на нашій планеті їм оцінювалися як дуже низькі. Походження і розвиток життя на Землі методом самозбірки органічної речовини високого рівня видатний вчений не вважав реальністю. Скам'янілі біологічні структури знаходили в метеоритах по всій планеті, подібні сліди знайшли у зразках грунту, доставлених з Місяця і Марса. З іншого боку, проводяться численні експерименти по обробці біоструктур впливами, можливими при знаходженні їх у космічному просторі і при проходженні атмосфери, подібній до земної. Важливий експеримент був проведений в 2006 році в рамках місії Deep Impact. Комети Темпеля була протаранена спеціальним зондом-импактором, випущеними автоматичним апаратом. Аналіз кометної речовини, що виділилася в результаті удару, показав наявність у ньому води і різноманітних органічних сполук. Висновок: з часу появи теорія панспермії значно змінилася. Сучасна наука по-іншому трактує ті первинні елементи життя, які могли бути доставлені на нашу молоду планету космічними об'єктами. Дослідження і експерименти доводять життєстійкість живих клітин в умовах міжпланетного подорожі. Все це робить ідею позаземного походження земного життя актуальною. Основними концепціями походження життя на Землі є теорії, які панспермия входить або як головна частина, або як спосіб доставки на Землю компонентів 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 році вийшла монографія з 70 сторінок, придавшая цієї ідеї силу опрацьованої та обґрунтованої теорії. Ця робота називалася «Походження життя», автором її був російський учений - Олександр Іванович Опарін (1894-1980 рр). У 1929 році, коли праці Опаріна ще не були перекладені на англійську мову, схожі концепції походження життя на Землі висловив англійський біолог Джон Холдейн (1860-1936 рр.). Опарін припустив, що, якщо примітивна атмосфера молодої планети Земля була відновлювальної (тобто не містить кисню), потужний сплеск енергії (наприклад, блискавка або ультрафіолетове випромінювання) міг сприяти синтезу органічних сполук з неорганічної речовини. В надалі такі молекули могли утворювати згустки і скупчення – коацерватние краплі, що представляють собою протоорганизми, навколо яких утворюються водні сорочки – зачатки оболонки-мембрани, відбувається розшарування, що породжує різниця зарядів, значить, рух – початок обміну речовин, зачатки метаболізму і т. д. Коацервати вважалися основою для початку еволюційних процесів, які привели до створення перших життєвих форм. Холдейн ввів поняття «первинного бульйону» - початкового земного океану, став величезною хімічною лабораторією, підключеної до потужного джерела живлення – сонячного світла. Поєднання діоксиду вуглецю, аміаку і ультрафіолетового випромінювання привело до появи концентрованої популяції органічних мономерів і полімерів. Згодом такі утворення з'єднувалися з появою навколо них ліпідної мембрани, і їх розвиток привів до утворення живої клітини.

Основні етапи походження життя на Землі (за Опаріну-Холдейну)

Згідно теорії виникнення Всесвіту з згустку енергії, Великий Вибух стався близько 14 млрд років тому, а близько 46 млрд років тому завершилося створення планет Сонячної системи. Молода Земля, поступово охолоджуючись, знайшла тверду оболонку, навколо якої відбувалося утворення атмосфери. Первинна атмосфера містила водяні пари і гази, надалі стали сировиною для органічного синтезу: оксид і діоксид вуглецю, сірководень, метан, аміак, ціанисті сполуки. Бомбардування космічними об'єктами, що містять воду в замерзлому стані, і конденсація водяних парів у атмосфері призвели до утворення Світового океану, в якому розчинялися різні хімічні сполуки. Потужні грози супроводжували формування атмосфери, крізь яку проникав сильне ультрафіолетове випромінювання. В таких умовах відбувався синтез амінокислот, цукрів та іншої найпростішою органіки. В кінці першого мільярди років існування Землі почався процес полімеризації у воді найпростіших мономерів в білки (поліпептиди) і нуклеїнові кислоти (полінуклеотиди). Вони почали утворювати предбиологические з'єднання – коацервати (з зачатками ядра, метаболізму і мембрани). 35-3 млрд років до нашої ери – етап утворення протобионтов, що володіють самовоспроизведением, регульованим обміном речовин, зі змінною мембраною проникністю. 3 млрд років до н. е. – поява клітинних організмів, нуклеїнових кислот, первинних бактерій, початок біологічної еволюції.

Експериментальні докази гіпотези Опаріна-Холдейна

Багато вчених позитивно оцінили основні концепції походження життя на Землі на основі абиогенеза, хоча з самого початку знаходили в теорії Опаріна-Холдейна вузькі місця і недомовленості. В різних країнах почалися роботи по проведення тестових досліджень гіпотези, з яких найбільш відомий класичний експеримент, проведений в 1953 році американськими вченими Стенлі Міллером (1930-2007 рр.) і Гарольдом Юрі (1893-1981 рр.). Суть експерименту полягала в моделюванні в лабораторії умов ранньої Землі, в яких міг відбуватися синтез простих органічних сполук. У приладі циркулювала газова суміш, аналогічна за складом первинної земної атмосфері. Конструкція приладу забезпечувала імітацію вулканічної діяльності, а пропускалися через суміш електричні розряди створювали ефект блискавок. Після тижневого циркулювання суміші по системі був відзначений перехід десятої частини вуглецю в органічні сполуки, були виявлені амінокислоти, цукру, ліпіди і з'єднання, передуючі амінокислот. Повторні та модифіковані досліди повністю підтвердили можливість абиогенеза в імітованих умовах ранньої Землі. У наступні роки в інших лабораторіях були проведені повторні досліди. До складу газової суміші додавався сірководень як можливий компонент вулканічних виділень, вносилися інші некардинальние зміни. У більшості випадків досвід синтезу органічних сполук вдавався, хоча спроби піти далі і отримати більш складні елементи, які наближалися за складом до живій клітині, успіхом не увінчалися.

Світ РНК

До кінця XX століття багатьом вченим, яких не переставала цікавить проблема походження життя на Землі, стало зрозуміло, що при всій стрункості теоретичних побудов і виразному досвідченому підтвердженні теорія Опаріна-Холдейна має явні, може бути, непоборні вади. Головним з них була неможливість пояснити появу у протобионтов визначальних для живого організму властивостей – розмножуватися із збереженням спадкових ознак. З відкриттям генетичних клітинних структур, з визначенням функції і будови ДНК, з розвитком мікробіології з'явився новий кандидат на роль молекули первожизни. Ним стала молекула рибонуклеїнової кислоти – РНК. Ця макромолекула, що входить до складу всіх живих клітин, являє собою ланцюг нуклеотидів – найпростіших органічних ланок, які складаються з атомів азоту, моносахариду – рибози і фосфатної групи. Саме послідовність нуклеотидів є кодом спадкової інформації, і у вірусів, наприклад, РНК виконує ту роль, що у складних клітинних структур відіграє ДНК. Крім того, вченими відкрита унікальна здатність деяких молекул РНК вносити розриви в інші ланцюжка або склеювати окремі елементи РНК, а деякі грають роль автокаталізаторів – тобто сприяють швидкому самовідтворення. Відносно невеликі розміри макромолекули РНК і її спрощене, порівняно з ДНК, будова (в одну нитку) зробили рибонуклеиновую кислоту головним кандидатом на роль основного елемента добиологических систем. Остаточно нову теорію виникнення живої матерії на планеті сформулював у 1986 році Уолтер Гілберт (нар. 1932 р.) – американський фізик, мікробіолог і біохімік. Не всі фахівці згодні з таким поглядом на походження життя на Землі. Коротко названа «Світ РНК», теорія будови добиологического світу нашої планети не може відповісти на просте питання, як з'явилася перша молекула РНК з заданими властивостями, навіть якщо була присутня величезна кількість «будівельного матеріалу» у вигляді нуклеотидів і т. д.

Світ ПАУ

Відповідь спробував знайти в травні 2004 року Саймон Ніколас Платтс, а в 2006 році група вчених під керівництвом Паскаль Эренфройнд. В якості вихідного матеріалу для РНК з катализирующими 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 особливості їх кільцеподібного будови, що сприяє швидкому з'єднанню з азотистими підставами - ключовими компонентами РНК. Теорія ПАУ в черговий раз говорить про злободенності деяких положень панспермії.

Унікальна життя на унікальній планеті

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