1. Теории и гипотезы происхождения жизни на Земле
Теории и гипотезы происхождения жизни на Земле
Вопрос о том, как на нашей планете появилось первое живое существо, остается одной из величайших загадок естествознания. В биологии исторически сложились два противоположных философских подхода к этой проблеме: биогенез и абиогенез. Сторонники биогенеза утверждают, что живое может произойти только от живого. Сторонники абиогенеза считают, что при определенных условиях возможно самопроизвольное зарождение жизни из неживой материи.
Чтобы успешно сдать контрольную работу и понять логику эволюционного процесса, необходимо разобраться, как менялись взгляды человечества на эту проблему и какая теория сегодня признана научным сообществом.
Исторические и альтернативные концепции
На протяжении тысячелетий люди пытались объяснить сложность окружающего мира. До развития химии и микробиологии доминировали идеи, не требующие экспериментального подтверждения.
Креационизм (от латинского creatio* — творение) — религиозная и философская концепция, согласно которой жизнь была создана сверхъестественным существом (Богом, Творцом) в определенный момент времени. * Гипотеза стационарного состояния — гласит, что Земля никогда не возникала, а существовала вечно. Жизнь на ней также была всегда, лишь изменяясь в формах. * Панспермия — идея о том, что жизнь не зарождалась на Земле, а была занесена из космического пространства вместе с метеоритами или космической пылью.
| Гипотеза | Суть концепции | Статус в современной науке | | :--- | :--- | :--- | | Креационизм | Живое создано высшим разумом или творцом | Ненаучная (невозможно доказать или опровергнуть экспериментально) | | Стационарное состояние | Планета и жизнь на ней существовали всегда | Опровергнута (доказан конечный возраст Земли и Вселенной) | | Панспермия | Жизнь занесена из космоса (например, на метеоритах) | Альтернативная научная гипотеза (но не объясняет само первичное возникновение жизни) |
Гипотеза панспермии не решает главную загадку: она лишь переносит место возникновения жизни с Земли на другую планету. Однако она имеет под собой некоторые основания.
В 1984 году в Антарктиде был найден метеорит ALH84001 марсианского происхождения. Его масса составляла 1,93 килограмма, а возраст оценивался в 4,09 миллиарда лет. При исследовании под электронным микроскопом ученые обнаружили в нем структуры, напоминающие окаменелые остатки бактерий. Хотя позже было доказано, что эти структуры могли образоваться небиологическим путем, подобные находки поддерживают интерес к панспермии.
Гипотеза самозарождения и её опровержение
В античности и Средневековье люди верили в постоянное самозарождение жизни из грязи, гниющего мяса или старых тряпок. Считалось, что для появления мышей достаточно оставить в темном углу зерно и грязную рубашку.
Первый удар по этой теории нанес итальянский врач Франческо Реди в XVII веке. Он поместил куски мяса в несколько сосудов. Часть сосудов он оставил открытыми, а часть плотно закрыл марлей. В открытых сосудах вскоре появились личинки мух, а в закрытых — нет. Реди доказал, что личинки не зарождаются из мяса, а вылупляются из яиц, отложенных мухами.
Окончательно гипотезу самозарождения в современных условиях опроверг французский микробиолог Луи Пастер в 1862 году. Он использовал колбы с S-образными (лебедиными) горлышками. Пастер наливал в них питательный бульон и кипятил его, убивая все микроорганизмы. Воздух мог свободно проникать в колбу, но споры бактерий и пыль оседали в изгибе горлышка. Бульон оставался стерильным месяцами. Но стоило отломить горлышко, как в жидкости начиналось размножение бактерий.
> «Омнэ вивум экс виво» (Omne vivum ex vivo — всё живое происходит от живого). > > Это положение стало главным аргументом противников самозарождения. Пастер доказал, что в современных условиях Земли абиогенез невозможен.
Теория биохимической эволюции Опарина-Холдейна
Если сегодня жизнь происходит только от жизни, как же появилась самая первая клетка? Ответ на этот вопрос в 1924 году предложил советский биохимик Александр Опарин, а позже, независимо от него, британский биолог Джон Холдейн. Их концепция получила название теории биохимической эволюции.
Суть теории заключается в том, что миллиарды лет назад условия на Земле кардинально отличались от современных, и именно эти уникальные условия сделали возможным однократный абиогенез (переход от неживой химии к биологии).
Первичная атмосфера Земли носила восстановительный характер. В ней полностью отсутствовал свободный кислород, зато в избытке присутствовали метан, аммиак, водород и пары воды. Из-за отсутствия озонового экрана поверхность планеты подвергалась жесткому ультрафиолетовому излучению. Кроме того, источниками энергии служили частые грозовые разряды и активный вулканизм.
Процесс зарождения жизни, согласно Опарину, прошел три ключевых этапа:
Возраст Земли оценивается примерно в 4,54 миллиарда лет. Первые достоверные следы жизнедеятельности одноклеточных организмов имеют возраст около 3,5 миллиардов лет. Это означает, что на химическую эволюцию у природы был колоссальный запас времени — около лет.
Экспериментальное подтверждение: опыт Миллера-Юри
Теория Опарина-Холдейна могла бы остаться лишь красивой догадкой, если бы не эксперимент американских ученых Стэнли Миллера и Гарольда Юри, проведенный в 1953 году.
Они создали стеклянный аппарат, имитирующий условия ранней Земли. В колбу залили воду (древний океан) и закачали смесь газов: метан, аммиак и водород (первичная атмосфера). Воду нагревали, а через смесь газов пропускали электрические искры, имитирующие молнии.
Установка работала непрерывно в течение 1 недели (168 часов). Напряжение на электродах составляло вольт. В результате эксперимента вода в колбе потемнела. Химический анализ показал, что до 15% углерода из метана перешло в форму органических соединений. Ученые обнаружили более 20 различных аминокислот, сахара и липиды. Этот опыт блестяще доказал первый этап теории Опарина — возможность абиогенного синтеза органики.
Современное дополнение: гипотеза РНК-мира
В теории Опарина-Холдейна долгое время оставалось одно слабое место: парадокс «курицы и яйца». Для синтеза белков нужна ДНК (инструкция), но для удвоения ДНК нужны белки (ферменты). Что появилось раньше?
В конце XX века была сформулирована гипотеза РНК-мира. Ученые открыли, что молекулы РНК могут не только хранить генетическую информацию (как ДНК), но и работать как катализаторы химических реакций (как белки). Такие РНК-ферменты назвали рибозимами.
Согласно этой гипотезе, первыми молекулами, способными к самовоспроизведению в «первичном бульоне», были именно молекулы РНК. Лишь на более поздних этапах эволюции функция хранения информации перешла к более стабильной ДНК, а функция катализаторов — к более эффективным белкам.