Доброго времени суток, дорогие читатели моего канала. Сегодня мы поговорим о самой популярной теории зарождения жизни на нашей планете.
Абиогенез - идея о том, что жизнь возникла из неживой природы более 3,5 миллиардов лет назад на Земле. Абиогенез предполагает, что первые возникшие формы жизни были очень простыми и в ходе постепенного процесса становились все более сложными. Биогенез, при котором жизнь возникает в результате воспроизводства другой жизни, предположительно предшествовал абиогенезу, который стал невозможен после того, как атмосфера Земли приняла свой нынешний состав.
Хотя многие отождествляют абиогенез с архаичной теорией спонтанной генерации, эти две идеи совершенно разные. Согласно последней, считалось, что сложная жизнь (например, личинка или мышь) спонтанно и непрерывно возникает из неживой материи. Если гипотетический процесс самопроизвольного зарождения был взят под сомнение еще в XVII веке и решительно отвергнут в XIX веке, то абиогенез не был ни доказан, ни опровергнут.
Теория Опарина-Холдейна
В 1920-х годах британский ученый Дж. Б. С. Холдейн и российский биохимик Александр Опарин независимо друг от друга выдвинули схожие идеи относительно условий, необходимых для зарождения жизни на Земле. Оба считали, что органические молекулы могли образоваться из абиогенных материалов (вещества, которые образуются неорганическими процессами и не имеют биологического происхождения) в присутствии внешнего источника энергии (например, ультрафиолетового излучения) и что первобытная атмосфера была восстановительной (с очень низким содержанием свободного кислорода) и содержала аммиак и водяной пар, а также другие газы. Обе стороны также предполагали, что первые формы жизни появились в теплом первобытном океане и были гетеротрофными (получали готовые питательные вещества из соединений, существовавших на ранней Земле), а не автотрофными (генерировали пищу и питательные вещества из солнечного света или неорганических материалов).
Опарин считал, что жизнь возникла из коацерватов, спонтанно микроскопических сферических агрегатов липидных молекул, которые удерживаются вместе электростатическими силами и которые могли быть предшественниками клеток. Работа Опарина с коацерватами подтвердила, что ферменты, необходимые для биохимических реакций метаболизма, функционируют более эффективно, находясь в мембранно-связанных сферах, чем в свободном состоянии в водных растворах. Холдейн, не знакомый с коацерватами Опарина, считал, что сначала образуются простые органические молекулы, которые в присутствии ультрафиолетового света становятся все более сложными и в конечном итоге образуют клетки. Идеи Холдейна и Опарина легли в основу многих исследований абиогенеза, которые проводились в последующие десятилетия.
Эксперимент Миллера-Урея
В 1953 году американские химики Гарольд К. Урей и Стэнли Миллер проверили теорию Опарина-Халдейна и успешно создали органические молекулы из некоторых неорганических компонентов, которые, как считалось, присутствовали на пребиотической (этап, предшествовавший появлению жизни) Земле. В эксперименте Миллера-Урея ученые соединили теплую воду со смесью четырех газов - водяного пара, метана, аммиака и молекулярного водорода - и подавали в «атмосферу» электрические разряды. Различные компоненты должны были имитировать первобытный океан, пребиотическую атмосферу и тепло (в виде молнии) соответственно. Через неделю Миллер и Урей обнаружили, что в смоделированных условиях ранней Земли образовались простые органические молекулы, включая аминокислоты (строительные блоки белков).
Современные представления об абиогенезе
Современные гипотезы абиогенеза во многом основаны на тех же принципах, что и теория Опарина-Халдейна и эксперимент Миллера-Урея. Однако существуют тонкие различия между несколькими моделями, которые были предложены для объяснения процесса перехода от абиогенной молекулы к живому организму. Объяснения расходятся в том, стали ли сложные органические молекулы сначала самовоспроизводящимися образованиями, лишенными метаболических функций, или сначала стали метаболизирующими протоклетками (гипотетические или искусственно созданные примитивные клеточные структуры, обладающие свойствами самопроизвольного метаболизма и репликации, но не имеющие всех характеристик полноценной живой клетки), которые затем приобрели способность к самовоспроизведению.
Среда обитания абиогенеза также вызывает споры. Хотя некоторые факты указывают на то, что жизнь могла возникнуть из неживой природы в гидротермальных источниках на дне океана, но так же возможно, что абиогенез происходил и в других местах, например, глубоко под поверхностью Земли, где вновь возникшие протоклетки могли питаться метаном или водородом, или даже на океанских берегах, где протеиноиды могли возникнуть в результате реакции аминокислот с теплом и затем попасть в воду в виде капель белка, похожих на клетки.
Некоторые ученые предполагают, что абиогенез происходил не один раз. В одном из примеров такого гипотетического сценария возникли различные типы жизни, каждый из которых имел свою биохимическую архитектуру, отражающую природу абиогенных материалов, из которых они развились. Однако в конечном итоге жизнь на основе фосфатов («стандартная» жизнь, биохимическая архитектура которой требует фосфора) получила эволюционное преимущество над всеми нефосфатными типами жизни («нестандартная» жизнь) и стала самым распространенным типом жизни на Земле. Эта идея привела ученых к предположению о существовании теневой биосферы - системы жизнеобеспечения, состоящей из микроорганизмов с уникальной или необычной биохимической структурой, которая, возможно, когда-то существовала, а возможно, существует и сейчас на Земле.
Как показал эксперимент Миллера-Урея, органические молекулы могут образовываться из абиогенных материалов в условиях пребиотической атмосферы Земли. С 1950-х годов исследователи обнаружили, что аминокислоты могут спонтанно образовывать пептиды (небольшие белки) и что ключевые промежуточные продукты в синтезе нуклеотидов РНК (азотсодержащих соединений [оснований], связанных с сахаром и фосфатными группами) могут образовываться из пребиотических исходных материалов. Последнее свидетельство может поддержать гипотезу РНК-мира - идею о том, что на ранней Земле в изобилии существовала РНК-жизнь, возникшая в результате пребиотических химических реакций. В действительности, помимо переноса и трансляции генетической информации, РНК является катализатором - молекулой, которая увеличивает скорость реакции, не расходуясь при этом сама. Это означает, что один РНК-катализатор мог породить множество живых форм, что было бы выгодно в период зарождения жизни на Земле. Гипотеза РНК-мира - одна из ведущих концепций абиогенеза, основанная на принципе саморепликации.
Некоторые современные модели абиогенеза, основанные на метаболизме, включают ферментосодержащие коацерваты Опарина, но предполагают постоянное продвижение от простых органических молекул к коацерватам, а именно к протоклеткам, агрегатам органических молекул, которые демонстрируют некоторые характеристики жизни. Предположительно, из протоклеток возникли прокариоты - одноклеточные организмы, не имеющие ядра и других органелл из-за отсутствия внутренних мембран, но способные к метаболизму и самовоспроизведению и подверженные естественному отбору. Примерами примитивных прокариот, до сих пор встречающихся на Земле, являются археи, которые часто обитают в экстремальных условиях, схожих с теми, которые могли существовать миллиарды лет назад, и цианобактерии, которые также процветают в негостеприимных средах и представляют особый интерес для понимания происхождения жизни, учитывая их способность к фотосинтезу. Строматолиты, отложения, образовавшиеся в результате роста цианобактерий, являются самыми древними окаменелостями в мире, датируемыми 3,5 миллиардами лет назад.
В вопросе абиогенеза остается много вопросов, на которые нет ответов. Экспериментам еще предстоит продемонстрировать полный переход неорганических материалов в такие структуры, как протоклетки, а в случае с предполагаемым миром РНК еще предстоит согласовать важные различия в механизмах синтеза пуриновых и пиримидиновых оснований, необходимых для образования полноценных нуклеотидов РНК. Кроме того, некоторые ученые утверждают, что абиогенез не нужен, предлагая вместо этого, что жизнь появилась на Земле в результате столкновения с внеземным объектом, содержащим живые организмы, например, с метеоритом, несущим одноклеточные организмы; гипотетическая миграция жизни на Землю известна как панспермия.
Исследования абиогенеза значительно обогатили астробиологию - область науки, занимающуюся поиском внеземной жизни (жизни за пределами Земли) и пониманием условий, необходимых для формирования жизни. Например, астробиологические исследования луны Титан, в атмосфере которой отсутствует свободный кислород, показали, что там присутствуют сложные органические молекулы, что дает ученым возможность взглянуть на формирование биологических материалов в пребиотической среде обитания, напоминающей раннюю Землю.
***
Друзья, если вам понравилась эта статья, буду очень благодарен, если вы подпишетесь. Это действительно поможет мне развиваться и создавать больше интересного для вас. Спасибо!