Печатать книгуПечатать книгу

§ 43. Основные гипотезы происхождения жизни

Сайт: Профильное обучение
Курс: Биология. 11 класс
Книга: § 43. Основные гипотезы происхождения жизни
Напечатано:: Гость
Дата: Пятница, 29 Март 2024, 10:41

Проблема происхождения жизни волнует человечество с древних времен. В попытках объяснить, каким образом на нашей планете могли возникнуть живые организмы, выдвигалось множество предположений. В пользу некоторых из них свидетельствуют определенные научные факты и результаты экспериментов. Другие гипотезы, напротив, были опровергнуты. Однако и на сегодняшний день вопрос о возникновении жизни на Земле нельзя считать полностью решенным.

Креационизм. В соответствии с этой религиозной и философской концепцией природа была создана Богом (Творцом), в том числе и все живые организмы. Поэтому гипотезы креационизма (от лат. creatio — творить) еще называют гипотезами Божественного сотворения мира. Позиций креационизма придерживаются сторонники практически всех распространенных религиозных учений. Большинство религий описывает создание мира и живых организмов в той форме, которая доступна для понимания широким слоям населения. Однако у креационистов нет единой точки зрения на процесс сотворения мира: в разных религиозных учениях существуют различные его трактовки и нередко они противоречат друг другу. При этом акт Божественного творения рассматривается как произошедший лишь однажды в прошлом. Следовательно, он недоступен для исследования. В связи с этим гипотезы креационизма невозможно ни доказать, ни опровергнуть с научной точки зрения. По-видимому, они будут существовать пока существует само человечество.

Гипотезы внеземного происхождения жизни сводятся к тому, что жизнь на планете Земля не возникала, а была занесена из космоса. Сторонники этих гипотез полагают, что «споры жизни» могли попасть на нашу планету вместе с метеоритами, кометами, космической пылью, быть перенесенными с помощью света или даже инопланетянами.

*Предположения о возможности переноса жизни через космическое пространство называются гипотезами панспермии (от греч. pan — всё и sperma — семя). Одними из первых идею о занесении жизни на Землю из космоса выдвинули шведский химик Й. Берцелиус (1834 г.) и немецкий врач Г. Рихтер (1865 г.). Интересно, что концепцию панспермии поддерживали и развивали многие выдающиеся ученые, например британский физик У. Томсон, шведский химик С. Аррениус и один из разработчиков модели строения молекулы ДНК английский биофизик Ф. Крик.*

Лабораторные исследования показали, что споры некоторых бактерий и растений могут выдерживать длительное пребывание в вакууме при температурах, близких к абсолютному нулю (−273,15 °C), без потери жизнеспособности. Кроме того, они проявляют устойчивость к ультрафиолетовому излучению и ионизирующей радиации, т. е. к условиям открытого космоса. Имеются также данные об обнаружении следов органических веществ в составе комет и метеоритов. Однако гипотезы внеземного происхождения не дают ответа на вопрос об изначальном возникновении жизни. По сути, они переносят данную проблему с планеты Земля в иную часть Вселенной.

Гипотезы самопроизвольного зарождения существовали с древних времен и подразумевали возможность самозарождения живых организмов из различных объектов неживой природы. Еще в Древней Греции многие философы полагали, что живые организмы способны возникать из почвы, ила, воды, навоза, гниющего мяса и т. п. Например, Аристотель утверждал, что лягушки, насекомые и растения могут развиваться из сырой почвы, а дождевые черви — из ила, который накапливается на дне прудов. «Таковы факты — живое может возникать в результате не только спаривания животных, но и разложения почвы... Так же обстоит дело и у растений: некоторые развиваются из семян, а другие... самозарождаются под действием сил природы из разлагающейся земли».

Представления о спонтанном зарождении организмов из тел неживой природы были распространены вплоть до XIХ в. Бельгийский исследователь Я. ван Гельмонт (фамилия приведена не для запоминания) в первой половине XVII в. описал «эксперимент», в котором он за три недели якобы создал мышей. Для этого ван Гельмонту понадобились темный шкаф, горсть зерна и грязная рубашка. Он считал, что активным началом, стимулирующим зарождение мышей, служит человеческий пот. В то время подобные «эксперименты» проводили многие естествоиспытатели и идея о возникновении жизни из неживой материи находила широкую поддержку.

Однако далеко не все ученые разделяли эти взгляды. Споры между сторонниками и противниками самопроизвольного зарождения организмов продолжались долгое время. Только в середине XIX в. выдающемуся французскому микробиологу Луи Пастеру удалось убедительно доказать, что в современных условиях жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни. Таким образом, концепция самозарождения была окончательно опровергнута.

*В конце XVII в. против идеи самопроизвольного зарождения выступил итальянский врач Ф. Реди. В 1688 г. он опытным путем установил, что личинки мух не могут самозарождаться в гниющих мясе и рыбе. Исследователь поместил мясо и рыбу в сосуды, при этом одни из них оставил открытыми, горлышко других закрыл пробкой, а третьих — тканью (рис. 43.1). Ф. Реди писал: «Вскоре мясо и рыба в открытых сосудах зачервивели (Ф. Реди имел в виду, что в них вывелись личинки мух). Можно было видеть, что мухи свободно залетают в сосуды и вылетают из них. Но в закрытых сосудах я не увидел ни одного червяка, хотя прошло много дней после того, как в них были положены рыба и мясо».

В 1765 г. итальянский натуралист Л. Спалланцани решил экспериментально доказать, что микроорганизмы, которые часто обнаруживаются в овощных и мясных бульонах, самопроизвольно в них не зарождаются. Ученый подверг отвары мяса и овощей кипячению, после чего запечатал сосуды и снял их с огня. Через несколько дней, исследовав бульоны, Л. Спалланцани не обнаружил в них признаков присутствия каких-либо живых организмов. Из этого был сделан вывод о том, что после уничтожения микроорганизмов действием высокой температуры ничто живое в герметично закрытых сосудах уже не могло появиться. Однако приверженцы концепции самозарождения заявили, что в сосудах путем кипячения был «испорчен» воздух, а их запечатывание привело к невозможности проникновения туда «жизненной силы», которая и превращает неживое в живое.*

В 1860 г. Л. Пастер нанес сокрушительный удар по концепции самопроизвольного зарождения жизни. Путем кипячения он стерилизовал в колбе питательную среду, в которой могли развиваться бактерии, и придавал горлышку колбы S-образную форму (рис. 43.2). При этом воздух, *а вместе с ним и мифическая «жизненная сила»,* могли свободно поступать в колбу, но для бактерий и их спор изгибы горлышка служили ловушкой. Питательная среда в таких сосудах долгое время оставалась стерильной и прозрачной, в ней не наблюдалось самозарождения микроорганизмов. Но стоило удалить S-образное горлышко — и жидкость быстро мутнела из-за размножения попавших в нее бактерий. То же самое происходило и в случае, если колбу наклоняли так, чтобы содержащаяся в ней жидкость попала в изгиб горлышка, смыла находящихся в нем бактерий, а затем вернулась обратно в колбу.

Биохимические гипотезы основываются на том, что жизнь на Земле возникла из неживой материи в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам. Как уже отмечалось, в настоящее время самозарождение живых организмов из неживой природы не представляется возможным. Однако не исключена возможность того, что в далеком прошлом, в условиях древней Земли жизнь могла возникнуть из химических соединений. Иными словами, появлению первых живых организмов мог предшествовать длительный этап химической эволюции.

Среди биохимических гипотез происхождения жизни первоочередного внимания заслуживает коацерватная гипотеза, которую в 1924 г. предложил русский биохимик А. И. Опарин. Несколько позже, независимо от него, аналогичное предположение выдвинул британский биолог Дж. Холдейн. Согласно гипотезе Опарина — Холдейна в процессе возникновения жизни на Земле можно выделить три основных этапа.

1. Синтез низкомолекулярных органических соединений из неорганических веществ. Астрономы и геологи оценивают возраст Земли примерно в 4,5 млрд лет. На ранних этапах развития нашей планеты температура ее поверхности была очень высокой. По мере остывания образовалась земная кора. Атмосфера древней Земли, по-видимому, не содержала кислорода и состояла из водяного пара, аммиака, углекислого газа, метана и других газообразных соединений. Со временем остывание планеты привело к конденсации паров воды и формированию первичного океана.

В то время наша планета не имела озонового экрана, поэтому на ее поверхность поступал интенсивный поток ультрафиолетового солнечного излучения. Именно оно, по мнению Опарина, служило главным источником энергии для синтеза органических веществ из неорганических. Кроме того, образование органических соединений могло происходить под действием электрических разрядов — молний, высокой температуры (вследствие выбросов в первичный океан и атмосферу раскаленных продуктов вулканической деятельности), радиоактивных излучений и т. д. Синтезирующиеся органические вещества (аминокислоты, моносахариды, спирты, карбоновые кислоты и др.) долгое время накапливались в первичном океане. Это привело к образованию так называемого первичного бульона, в котором впоследствии и зародилась жизнь.

*В 1953 г. американские ученые С. Миллер и Г. Юри создали установку, в которой можно было смоделировать условия древней Земли (рис. 43.3). «Первичный океан» в этом аппарате представляла вода. Ее нагревали, и в «атмосферу», состоящую из метана, аммиака и водорода, поступали водяные пары. Через газовую смесь, циркулирующую в установке, пропускали электрические разряды (аналоги молний).

Эксперимент длился неделю. После этого был проведен химический анализ, который показал, что за время опыта в аппарате образовались различные аминокислоты, моносахариды, липиды, предшественники нуклеотидов и некоторые другие органические вещества. Впоследствии многие исследователи повторяли подобный эксперимент с использованием различных газовых смесей и разных источников энергии. Результаты всех этих опытов были сходны с теми, которые получили Миллер и Юри. Таким образом, возможность синтеза низкомолекулярных органических веществ из неорганических в условиях, близких к условиям древней Земли, была подтверждена экспериментально.*

2. Образование биополимеров. Предполагается, что на этом этапе в первичном бульоне из низкомолекулярных органических веществ, таких как аминокислоты, нуклеотиды и моносахариды, синтезировались соответствующие биополимеры — белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды. Опарин полагал, что главная роль в возникновении первых живых организмов принадлежала белкам. В растворах белки способны образовывать многомолекулярные комплексы, обособленные от окружающей их воды. Такие комплексы могут сливаться друг с другом, формируя сгустки — коацерваты (от лат. coacervus — сгусток).

Коацерваты обладали способностью поглощать из окружающего раствора различные вещества и за счет этого увеличиваться в размерах (подобие питания и роста). Крупные коацерваты могли дробиться с образованием мелких сгустков (подобие размножения). Однако коацерваты были лишены биологических мембран и не имели генетического аппарата, поэтому их не принято считать первыми живыми организмами.

3. Формирование первых живых организмов — протобионтов. К гидрофильным головкам липидов, покрывавших в виде пленки поверхность воды, способны притягиваться молекулы белков. При порывах ветра капли воды с содержащимися в них коацерватами могли отрываться от поверхности и снова падать в первичный бульон. Так, вероятно, образовались липидно-белковые мембраны, которые обладали избирательной проницаемостью и придавали коацерватам стабильность.

Дальнейшее объединение коацерватов с нуклеиновыми кислотами, по-видимому, и привело к формированию протобионтов — первых живых организмов, способных к саморегуляции и самовоспроизведению. Считается, что протобионты могли делиться (бесполое размножение) и избирательно поглощать из первичного бульона различные вещества, в том числе органические (гетеротрофное питание). Часть органических соединений они использовали в процессах пластического обмена (т. е. для роста), другие расщепляли в ходе энергетического обмена (анаэробное дыхание).

Основными гипотезами возникновения жизни являются гипотезы Божественного сотворения (креационизм), внеземного происхождения жизни и биохимические. Концепция самопроизвольного зарождения живых организмов из объектов неживой природы на сегодняшний день отвергнута. В современных условиях жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни. Однако в условиях древней Земли происхождение живых организмов в результате длительной эволюции химических соединений представляется возможным. В этом заключается суть коацерватной гипотезы Опарина  —  Холдейна. Согласно ей в процессе возникновения жизни на Земле можно выделить три этапа: синтез низкомолекулярных органических веществ из неорганических, образование биополимеров и формирование протобионтов — первых живых организмов.

1. В чем заключается суть концепции креационизма?

2. Каким образом сторонники гипотез внеземного происхождения жизни объясняют возникновение живых организмов на Земле? Какие данные могут свидетельствовать в пользу этих гипотез?

3. В чем состояла идея спонтанного зарождения живых организмов? Почему она была отвергнута?

4. На чем основываются биохимические гипотезы возникновения жизни? Охарактеризуйте основные этапы происхождения жизни в соответствии с коацерватной гипотезой Опарина  —  Холдейна.

5*. Как вы думаете, почему в условиях современной Земли возникновение жизни согласно гипотезе Опарина  —  Холдейна считается невозможным? Назовите несколько причин.