Семь научных теорий о происхождении жизни. И пять ненаучных версий

Интересно

Жизнь на Земле появилась более 3,5 миллиардов лет назад – точнее определить момент сложно хотя бы потому, что непросто провести грань между «почти живым» и «действительно живым». Однако можно с уверенностью сказать, что этот волшебный момент длился многие-долгие миллионы лет. Но это было…

Чтобы оценить это чудо по достоинству, необходимо знать ряд современных теорий, описывающих разные варианты и этапы зарождения жизни. От живого, но безжизненного набора простых органических соединений до протоорганизмов, которые познали смерть и вступили в бесконечную гонку биологической изменчивости. Ведь разве эти два термина – изменчивость и смерть – не порождают всю сумму жизни?..

1. Панспермия

Гипотеза о принесении жизни на Землю из других космических тел имеет многих авторитетных защитников. Эту должность занимали великий немецкий ученый Герман Гельмгольц и шведский химик Сванте Аррениус, русский мыслитель Владимир Вернадский и британский физик лорд Кельвин. Однако наука – это царство фактов, и после открытия космического излучения и его разрушительного воздействия на все живые существа панспермия, казалось, умерла.

Но чем больше ученые вникают в проблему, тем больше появляется нюансов. Так что теперь, включая проведение многочисленных экспериментов на космических кораблях, мы гораздо более серьезно относимся к способности живых организмов переносить радиацию и холод, нехватку воды и другие «удовольствия» пребывания в космосе. Находки всех видов органических соединений на астероидах и кометах, в далеких скоплениях газа и пыли и протопланетных облаках многочисленны и несомненно. Но утверждения об обнаружении в них следов чего-то подозрительно похожего на микробы остаются бездоказательными.

легко видеть, что при всей своей привлекательности теория панспермии лишь переносит вопрос о происхождении жизни в другое место и время. Что бы ни привело первые организмы на Землю – случайный метеорит или хитрый план высокоразвитых пришельцев – должно было где-то и так или иначе родиться. Пусть не здесь, а далеко за пределами прошлого – но жизнь должна была вырасти из безжизненной материи. На вопрос “Как?” останки.

Семь научных теорий происхождения жизни. И пять ненаучных версий

1. Ненаучно: спонтанное зарождение

Спонтанное происхождение высокоразвитой живой материи из неживой материи – например, появление личинок мух в разлагающейся плоти – также может быть связано с Аристотелем, который обобщил мысли многих предшественников и сформировал целостную доктрину спонтанного зарождения. Как и другие элементы философии Аристотеля, спонтанное зарождение было доминирующей доктриной в средневековой Европе и пользовалось некоторой поддержкой до экспериментов Луи Пастера, убедительно продемонстрировавших, что личинки мух также требуют появления мух-маток. Не путайте самозарождение с современными теориями об абиогенном происхождении жизни: разница между ними фундаментальна.

Семь научных теорий происхождения жизни. И пять ненаучных версий

2. Первичный бульон

Эта концепция тесно связана с классическими экспериментами, которым удалось обрести статус 1950-х годов у Стэнли Миллера и Гарольда Ури. В лаборатории ученые смоделировали условия, которые могли существовать на поверхности молодой Земли – смесь метана, окиси углерода и молекулярного водорода, многочисленные электрические разряды, ультрафиолетовый свет – и вскоре более 10% углерода в метане было преобразовано..в виде различных органических молекул. В экспериментах Миллера-Юри было получено более 20 аминокислот, сахаров, липидов и предшественников нуклеиновых кислот.

Современные варианты этих классических экспериментов используют гораздо более сложные конфигурации, которые лучше подходят для условий ранней Земли. Воздействие вулканов моделируется с их выбросами сероводорода и диоксида серы, присутствием азота и т.д. Таким образом, ученые могут получить огромное и разнообразное количество органического вещества, потенциальных строительных блоков потенциальной жизни. Основной проблемой этих экспериментов остается рацемат: изомеры оптически активных молекул (например, аминокислот) образуются в смеси в равных количествах, в то время как вся известная нам жизнь (за редкими и странными исключениями) состоит только из L- изомеры.

Однако мы вернемся к этому вопросу позже. Здесь также следует добавить, что недавно, в 2015 году, профессор из Кембриджа Джон Сазерленд и его команда продемонстрировали возможность формирования всех основных «молекул жизни», компонентов ДНК, РНК и белков из очень простого набора исходных компонентов. Главные герои этой смеси – цианистый водород и сероводород, которые не так уж и редки в космосе. К ним осталось добавить некоторые минералы и металлы, которые в достаточном количестве присутствуют на Земле, например, фосфаты, соли меди и железа. Ученые построили детальную схему реакции, которая могла бы создать богатый «изначальный суп», в котором появляются полимеры и в игру вступает полноценная химическая эволюция.

Читайте также:  7 удивительных роботов прошлых веков, созданных без цифровых технологий

Гипотеза об абиогенном происхождении жизни из «органического бульона», проверенная опытами Миллера и Юри, была выдвинута в 1924 году советским биохимиком Александром Опариным. И хотя в «темные годы» расцвета лысенковщины ученый встал на сторону противников научной генетики, заслуги его велики. В знак признания его роли как академика его имя отмечено главной наградой Международного научного общества по изучению происхождения жизни (ISSOL) – медалью Опарина. Премия вручается каждые шесть лет и вручается как Стэнли Миллеру, так и выдающемуся исследователю хромосом, лауреату Нобелевской премии Джеку Шостаку. Признавая огромный вклад Гарольда Ури, ISSOL награждает медалью Юри среди медалей Опарина (также каждые шесть лет). В результате получился уникальный и реальный эволюционный приз – с меняющимся названием.

3. Химическая эволюция

Теория пытается описать превращение относительно простых органических веществ в довольно сложные химические системы, предшественников самой жизни, под воздействием внешних факторов, механизмов отбора и самоорганизации. Основная концепция этого подхода – «водно-углеродный шовинизм», который представляет эти два компонента (воду и углерод – NS) как абсолютно необходимые и ключевые для возникновения и развития жизни как на Земле, так и где-то за ее пределами. И главной проблемой остаются условия, при которых «водно-углеродный шовинизм» может перерасти в очень сложные химические комплексы, способные, прежде всего, к самовоспроизводству.

Согласно одной из гипотез, первичная организация молекул могла происходить в микропорах глинистых минералов, которые играли структурную роль. Шотландский химик Александр Грэм Кэрнс-Смит выдвинул эту идею несколько лет назад. Сложные биомолекулы могут откладываться и полимеризоваться на своей внутренней поверхности, как на матрице: израильские ученые показали, что такие условия позволяют расти достаточно длинным белковым цепям. Здесь могло накапливаться необходимое количество солей металлов, играющих важную роль катализаторов химических реакций. Глиняные стены могут функционировать как клеточные мембраны, разделяя «внутреннее» пространство, в котором происходят все более сложные химические реакции, и отделяя его от внешнего хаоса.

Поверхности кристаллических минералов могут действовать как «матрицы» для роста молекул полимеров: пространственная структура их кристаллической решетки способна выбирать только один тип оптических изомеров – например, L-аминокислоты – решая проблему, о которой мы говорили о выше. Энергия для первичного «метаболизма» может быть обеспечена неорганическими реакциями, такими как восстановление минерального пирита (FeS2) водородом (до сульфида железа и сероводорода). В этом случае для появления сложных биомолекул, как в экспериментах Миллера-Юри, не требуется ни молнии, ни ультрафиолетового излучения. Это означает, что мы можем избавиться от вредных аспектов их действия.

Молодая Земля не была защищена от вредных и даже смертельных компонентов солнечной радиации. Даже современные организмы, прошедшие эволюционную проверку, не смогли бы противостоять суровому ультрафиолетовому излучению, несмотря на то, что само Солнце было намного моложе и не давало достаточно тепла планете. Отсюда возникла гипотеза, что в эпоху, когда произошло чудо зарождения жизни, вся Земля могла быть покрыта толстым слоем льда – сотни метров; и это к лучшему. Скрываясь под этим ледяным покровом, жизнь могла чувствовать себя полностью защищенной от ультрафиолетового излучения и частых ударов метеоров, которые угрожали уничтожить ее в зародыше. Относительно прохладная окружающая среда также может стабилизировать структуру первых макромолекул.

4. Черные курильщики

Действительно, ультрафиолетовое излучение на молодой Земле, в атмосфере которой еще не было кислорода и не было такой чудесной вещи, как озоновый слой, должно было быть смертельным для любой зарождающейся жизни. Отсюда возникла гипотеза, что хрупкие предки живых организмов были вынуждены где-то существовать, укрываясь от непрерывного потока стерилизующих лучей. Например, глубоко под водой – конечно, там, где достаточно минералов, смешения, тепла и энергии для химических реакций. И такие места нашлись.

К концу ХХ века стало ясно, что дно океана ни в коем случае не могло быть убежищем для средневековых монстров: условия здесь слишком суровые, температура низкая, радиация отсутствует, а редкое органическое вещество – только способны оседать с поверхности. На самом деле это огромные полупустыни – за некоторыми заметными исключениями: прямо там, под водой, у выходов геотермальных источников, жизнь буквально бьет ключом. Черная вода, насыщенная сульфидами, горячая, активно перемешивается и содержит много минералов.

Читайте также:  6 дилетантов, оказавшихся гениями

Курильщики Черного океана представляют собой очень богатые и самобытные экосистемы: бактерии, которые ими питаются, используют реакции железо-сера, которые мы уже обсуждали. Они являются основой для процветающей жизни, в которой обитает множество уникальных червей и креветок. Возможно, они стали основой возникновения жизни на планете: по крайней мере, теоретически такие системы несут в себе все необходимое для этого.

Семь научных теорий происхождения жизни. И пять ненаучных версий

2. Ненаучные: духи, боги, предки

Любой космологический миф о происхождении мира всегда венчается антропогоническими мифами – о происхождении человека. И в этих фантазиях можно только позавидовать фантазии античных авторов: на вопрос о том, что, как и почему возник космос, где и как зародилась жизнь – и люди, версии звучали очень по-разному и почти всегда красиво. Растения, рыбы и животные были пойманы со дна моря огромной вороной, люди выползли из тела предка Пангу, а черви, вылепленные из глины и пепла, родились от браков богов и монстров. Все это на удивление поэтично, но, конечно, не имеет ничего общего с наукой.

5. Мир РНК

В соответствии с принципами диалектического материализма жизнь – это «единство и борьба» двух принципов: изменчивой и наследуемой информации, с одной стороны, и биохимических, структурных функций, с другой. Одно невозможно без другого, и вопрос о том, где зародилась жизнь, с информацией и нуклеиновыми кислотами или с функциями и белками, остается одним из самых сложных. И одним из хорошо известных решений этой парадоксальной проблемы является гипотеза «мира РНК», которая возникла в конце 1960-х и окончательно оформилась в конце 1980-х.

РНК – макромолекулы, в хранении и передаче информации не так эффективны, как ДНК, и в выполнении ферментативных функций – не так впечатляющи, как белки. Но молекулы РНК способны к обоим и до сих пор служат звеном передачи в информационном обмене клетки и катализируют серию реакций в ней. Белки не могут реплицироваться без информации ДНК, а ДНК не может реплицироваться без белковых «способностей». С другой стороны, РНК может быть полностью автономной: она способна катализировать собственное «воспроизводство» – и этого достаточно, чтобы начать.

Исследования в рамках гипотезы мира РНК показали, что эти макромолекулы также способны к полноценной химической эволюции. Возьмем, к примеру, наглядный пример, продемонстрированный калифорнийскими биофизиками во главе с Лесли Оргелом: если бромид этидия, который действует как яд для этой системы, блокирующий синтез РНК, добавляется к раствору самовоспроизводящейся РНК, то постепенно При смене поколений макромолекул в смеси появляются РНК, устойчивые даже к очень высоким концентрациям токсина. Примерно так, эволюционируя, первые молекулы РНК могли найти способ синтезировать первые белковые инструменты, а затем – в сочетании с ними – «открыть» для себя двойную спираль ДНК, идеальный вектор наследственной информации.

Семь научных теорий происхождения жизни. И пять ненаучных версий

3. Ненаучно: неизменность

Не более научными, чем рассказы о ранних предках, они не могут быть названы мнениями, носящими шумное название теории стационарного состояния. По мнению его сторонников, никакой жизни никогда не возникало – точно так же, как не зарождалась Земля и не появлялся космос: они просто всегда были, всегда и останутся. Все это уже не оправдано, чем черви Пангу: чтобы серьезно отнестись к такой «теории», придется забыть бесчисленные открытия палеонтологии, геологии и астрономии. И действительно, отказаться от всей грандиозной постройки современной науки – но тогда, пожалуй, стоит отказаться от всего, что принадлежит ее обитателям, включая компьютеры и безболезненную стоматологическую помощь.

6. Протоклетки

Однако простой репликации недостаточно для «нормальной жизни»: любая жизнь – это, прежде всего, пространственно изолированная область окружающей среды, которая разделяет обменные процессы, облегчает протекание одних реакций и позволяет исключить другие. Другими словами, жизнь – это клетка, ограниченная полупроницаемой мембраной, состоящей из липидов. А «протоклетки» должны были появиться уже на ранних этапах существования жизни на Земле – первую гипотезу об их происхождении высказал известный нам Александр Опарин. Он считает, что капельки гидрофобных липидов, которые выглядят как капли желтого масла, плавающие в воде, могут действовать как «протомембраны.

Читайте также:  Интересные факты о возможностях нашего мозга

В целом идеи ученого принимаются и современной наукой; Этой темой занимался и Джек Шостак, получивший за свою работу медаль Опарина. Вместе с Катаржиной Адамала ему удалось создать своеобразную модель «протоклетки», аналог мембраны которой состоял не из современных липидов, а из еще более простых органических молекул, жирных кислот, которые могли накапливаться в местах зарождения ранних стадий протоорганизмы. Шостаку и Адамала даже удалось «оживить» свои структуры, добавив в среду ионы магния (стимулирующие работу РНК-полимераз) и лимонную кислоту (стабилизирующие структуру жировых мембран).

В результате получилась совершенно простая, но в какой-то мере живая система; в любом случае это была нормальная протоклетка, содержащая мембранно-защищенную среду для репродукции РНК. С этого момента вы можете закрыть последнюю главу предыстории жизни и начать первые главы ее истории. Однако это уже совсем другая тема, поэтому мы поговорим об одном, но чрезвычайно важном понятии, связанном с первыми шагами эволюции жизни и появлением огромного количества разнообразных организмов.

Семь научных теорий происхождения жизни. И пять ненаучных версий

4. Ненаучный: вечное возвращение

«Корпоративное» представление индийской философии в западной философии, связанное с работами Иммануила Канта, Фридриха Ницше и Мирчи Элиаде. Поэтический образ вечного странствия каждой живой души по бесконечному множеству миров и их обитателей, превращение ее в ничтожное насекомое, затем в возвышенного поэта или даже в неизвестное нам существо, в демона или бога. Несмотря на отсутствие представлений о реинкарнации, Ницше очень близок к этой идее: вечность вечна, а это значит, что любое событие в ней может – и должно повторяться снова. И каждое существо бесконечно вращается в этой карусели всеобщего возвращения, так что только голова поворачивается, и сама проблема первичного происхождения исчезает где-то в калейдоскопе бесчисленных повторений.

7. Эндосимбиоз

Посмотрите в зеркало, посмотрите в глаза: существо, с которым вы смотрите на себя, – это сложный гибрид, возникший в незапамятные времена. В конце XIX века немецко-английский естествоиспытатель Андреас Шимпер заметил, что хлоропласты – органеллы растительной клетки, ответственные за фотосинтез, – реплицируются отдельно от самой клетки. Вскоре возникло предположение, что хлоропласты – это симбионты, клетки фотосинтезирующих бактерий, однажды проглоченные хозяином и оставленные жить здесь навсегда.

Конечно, у нас нет хлоропластов, иначе мы могли бы питаться солнечным светом, как предполагают некоторые псевдорелигиозные секты. Однако в 1920-х годах гипотеза эндосимбиоза была расширена и теперь включает митохондрии, органеллы, которые потребляют кислород и снабжают энергией все наши клетки. На сегодняшний день эта гипотеза приобрела статус полноценной теории и неоднократно доказывалась: достаточно сказать, что митохондрии и пластиды имеют собственный геном, более или менее механизмы деления клеток и собственные системы синтеза белка.

В природе были обнаружены и другие эндосимбионты, которые не прошли миллиарды лет совместной эволюции и находятся на менее глубоком уровне интеграции в клетку. Например, у некоторых амеб нет собственных митохондрий, но в них есть бактерии, которые играют свою роль. Существуют гипотезы об эндосимбиотическом происхождении других органелл, включая жгутики и реснички, и даже ядра клетки: по мнению некоторых исследователей, все мы, эукариоты, являются результатом беспрецедентного слияния бактерий и архей. Эти версии пока не нашли строгого подтверждения, но ясно одно: как только она возникла, жизнь стала поглощать своих соседей и взаимодействовать с ними, давая рождение новой жизни.

5. Ненаучность: креационизм

Само понятие креационизма возникло в 19 веке, когда этим словом стали называть сторонники различных версий возникновения мира и жизни, предложенных авторами Торы, Библии и других священных книг монотеистических религий. Однако на самом деле креационисты не предложили ничего нового в отношении этих книг, снова и снова пытаясь опровергнуть строгие и фундаментальные открытия науки – и фактически, снова и снова, теряя одну позицию за другой. К сожалению, идеи современных учёных-псевдокреационистов понять намного проще: требуется много усилий, чтобы понять теории реальной науки.

Один источник

Оцените статью
Добавить комментарий