Šiuolaikinės teorijos apie gyvybės atsiradimą žemėje. Gyvybės atsiradimo žemėje teorijos ir hipotezės
Filosofai ir istorikai, biologai ir chemikai šimtmečius ir net tūkstantmečius galvojo apie tai, kaip mūsų planetoje atsirado gyvybė, tačiau vis dar nėra sutarimo šiuo klausimu, todėl šiuolaikinė visuomenė Yra keletas teorijų, kurios visos turi teisę egzistuoti.
Spontaniška gyvenimo karta
Ši teorija susiformavo senovėje. Jo kontekste mokslininkai teigia, kad gyvos būtybės atsirado iš negyvos medžiagos. Šiai teorijai patvirtinti arba paneigti buvo atlikta daug eksperimentų. Taigi L. Pasteuras gavo prizą už sultinio virimo kolboje eksperimentą, kurio rezultatas buvo įrodyta, kad visi gyvi organizmai gali atsirasti tik iš gyvos medžiagos. Tačiau yra naujas klausimas: Iš kur atsirado organizmai, iš kurių mūsų planetoje atsirado gyvybė?
Kreacionizmas
Ši teorija daro prielaidą, kad visą gyvybę Žemėje beveik vienu metu sukūrė kokia nors aukštesnė būtybė, turinti supergalių, nesvarbu, ar tai dievybė, Absoliutas, superintelektas ar kosminė civilizacija. Ši hipotezė buvo aktuali nuo seniausių laikų ir yra visų pasaulio religijų pagrindas. Tai dar nepaneigta, nes mokslininkams nepavyko rasti pagrįsto paaiškinimo ir patvirtinimo sudėtingus procesus ir planetoje vykstančius reiškinius.
Stacionari būklė ir panspermija
Šios dvi hipotezės leidžia pateikti bendrą pasaulio viziją taip, kad išorinė erdvė egzistuoja nuolat, tai yra amžinybė (stacionari būsena), o joje yra gyvybė, kuri periodiškai persikelia iš vienos planetos į kitą. Gyvybės formos keliauja meteoritų pagalba (panspermijos hipotezė). Sutikti su šia teorija neįmanoma, nes astrofizikai mano, kad visata atsirado maždaug prieš 16 milijardų metų dėl pirmykščio sprogimo.
Biocheminė evoliucija
Ši teorija yra aktualiausia šiuolaikinis mokslas ir yra laikomas priimtu daugelio pasaulio šalių mokslo bendruomenėje. Ją sudarė A.I. Oparinas, sovietų biochemikas. Remiantis šia hipoteze, gyvybės formų atsiradimas ir komplikacija atsiranda dėl cheminės evoliucijos, dėl kurios sąveikauja visų gyvų dalykų elementai. Pirmiausia Žemė susiformavo kaip kosminis kūnas, vėliau atsirado atmosferos, vyko organinių molekulių ir medžiagų sintezė. Po to per milijonus ir milijardus metų atsiranda įvairių gyvų būtybių. Šią teoriją patvirtina daugybė eksperimentų, tačiau, be jos, yra ir nemažai kitų hipotezių, į kurias reikėtų atsižvelgti.
Gyvybė Žemėje prasidėjo prieš tris milijardus metų. Nuo tada evoliucija pavertė elementarius vienaląsčius organizmus įvairiomis formomis, spalvomis, dydžiais ir funkcijomis, kokias matome šiandien. Bet kaip tiksliai atsirado gyvybė pirmykštėje sriuboje - vandenyje, esančiame sekliuose šaltiniuose ir prisotintame aminorūgščių bei nukleotidų?
Yra daug teorinių atsakymų į klausimą, kas tiksliai sukėlė gyvybės atsiradimą – nuo žaibo smūgio iki kosminio kūno. Štai tik keletas iš jų.
Elektros kibirkštis
Ta labai metaforiška gyvybės kibirkštis galėjo būti visiškai pažodinė kibirkštis arba daugybė kibirkščių, kurių šaltinis buvo žaibas. Į vandenį patekusios elektros kibirkštys gali sukelti aminorūgščių ir gliukozės susidarymą, paverčiant jas iš atmosferos, kurioje gausu metano, vandens, vandenilio ir amoniako. Ši teorija netgi buvo patvirtinta eksperimentiškai 1953 m., įrodant, kad žaibas galėjo būti pagrindinių elementų, būtinų pirmųjų gyvybės formų atsiradimui, susidarymo priežastimi.
Atlikę eksperimentą, mokslininkai sugebėjo įrodyti, kad ankstyvoje mūsų planetos atmosferoje negali būti pakankamai vandenilio, tačiau Žemės paviršių dengiantys vulkaniniai debesys gali apimti visus reikalingus elementus ir atitinkamai pakankamai elektronų žaibas.
Povandeninės hidroterminės angos
Palyginti stiprios giliavandenės angos galėjo tapti būtinu vandenilio šaltiniu pirmiesiems gyviems organizmams formuotis ant jų uolėtų paviršių. Net ir šiandien aplink hidrotermines angas susidaro įvairios ekosistemos, net ir dideliame gylyje.
Molis
Pirmosios organinės molekulės galėjo būti rastos ant molio paviršiaus. Molyje visada yra pakankamai organinių komponentų, be to, jis galėtų tapti savotišku šių komponentų organizatoriumi į sudėtingesnes ir efektyvesnes struktūras, panašias į DNR.
Tiesą sakant, DNR yra tam tikras aminorūgščių žemėlapis, tiksliai nurodantis, kaip jos turėtų būti išdėstytos sudėtingų riebalų ląstelėse. Grupė biologų iš Glazgo universiteto Škotijoje teigia, kad molis galėtų būti toks žemėlapis, skirtas paprasčiausiems polimerams ir riebalams, kol jie neišmoks „savarankiškai organizuoti“.
Panspermija
Ši teorija verčia susimąstyti apie kosminės gyvybės atsiradimo galimybę. Tai yra, pagal jos postulatus, gyvybė atsirado ne Žemėje, o tiesiog atnešta čia meteorito pagalba, pavyzdžiui, iš Marso. Žemėje buvo rasta pakankamai fragmentų, kurie, kaip manoma, atkeliavo pas mus iš raudonosios planetos. Kitas nežinomų gyvybės formų „kosminio taksi“ būdas yra kometos, galinčios keliauti tarp žvaigždžių sistemų.
Net jei tai tiesa, panspermija vis tiek negali atsakyti į klausimą, kaip tiksliai atsirado gyvybė ten, kur ji buvo atvežta į Žemės planetą.
Po ledo danga
Gali būti, kad vandenynai ir žemynai prieš tris milijardus metų buvo padengti storu ledo sluoksniu, nes Saulė nešvietė taip ryškiai kaip šiandien. Ledas gali tapti apsauginis sluoksnis trapioms organinėms molekulėms, neleidžiančioms ultravioletiniams spinduliams ir kosminiams kūnams, susidūrusiems su paviršiumi, pakenkti pirmosioms ir silpniausioms gyvybės formoms. Be to, dėl žemesnės temperatūros pirmosios molekulės galėjo išsivystyti į stipresnes ir ilgiau išliekančias.
RNR pasaulis
RNR pasaulio teorija remiasi filosofiniu kiaušinio ir vištos klausimu. Faktas yra tas, kad DNR susidarymui (dvigubėjimui) reikalingi baltymai, o baltymai negali savaime daugintis be paties žemėlapio, įterpto į DNR. Taigi kaip atsirado gyvenimas, jei vienas negali atsirasti be kito, bet abu puikiai egzistuoja dabartyje? Atsakymas gali būti RNR, ribonukleino rūgštis, kuri gali saugoti tokią informaciją kaip DNR ir tarnauti kaip baltymų fermentai. Remiantis RNR, susidarė tobulesnė DNR, tada efektyvesni baltymai visiškai pakeitė RNR.
Šiandien RNR egzistuoja ir atlieka keletą funkcijų sudėtinguose organizmuose, pavyzdžiui, ji yra atsakinga už tam tikrų genų funkcionavimą. Ši teorija yra gana logiška, tačiau ji neatsako į klausimą, kas buvo pačios ribonukleino rūgšties susidarymo katalizatorius. Prielaidą, kad ji galėjo atsirasti savaime, dauguma mokslininkų atmeta. Teorinis paaiškinimas yra paprasčiausių rūgščių PNA ir TNA susidarymas, kurios vėliau išsivystė į RNR.
Paprasčiausia pradžia
Ši teorija vadinama holobioze ir kilusi iš idėjos, kad gyvybė prasidėjo ne nuo sudėtingų RNR molekulių ir pirminio genetinio kodo, o nuo paprastų dalelių, sąveikaujančių tarpusavyje dėl metabolizmo. Galbūt šios dalelės išsivystė laikui bėgant sulaikymo, kaip membrana, o vėliau išsivystė į vieną sudėtingesnį organizmą. Šis modelis vadinamas „fermentiniu metabolizmo modeliu“, o RNR pasaulio teorija – „pirminio genetinio kodo modeliu“.
Savivaldybės švietimo įstaiga
45 vidurinė mokykla
Gyvybės atsiradimo Žemėje teorijos
Atlikta : 11 klasės „B“ mokinys
Nigmatullina Marija
Proveila : biologijos mokytoja
Trapueva L. S.
Čeliabinskas
2010 m
1. Įvadas
2. Hipotezės apie gyvybės kilmę
3. Genobiozė ir holobiozė
4. Oparino – Haldano teorija
5. RNR pasaulis kaip šiuolaikinio gyvenimo pirmtakas
6. Panspermija
7. Spontaniška gyvenimo karta
8. Pastovios būsenos teorija
9. Kreacionizmas
10. Evoliucijos teorija
11. Darvino teorija
12. Išvada
Įvadas
Teorijos apie Žemės kilmę ir gyvybę joje, ir, tiesą sakant, visą Visatą, yra įvairios ir toli gražu nėra patikimos. Remiantis pastovios būsenos teorija, visata egzistavo amžinai. Remiantis kitomis hipotezėmis, Visata galėjo atsirasti iš daugybės neutronų dėl „Didžiojo sprogimo“, gimti vienoje iš juodųjų skylių arba ją sukūrė Kūrėjas. Priešingai populiariam įsitikinimui, mokslas negali paneigti tezės apie dieviškąjį Visatos sukūrimą, kaip ir teologinės pažiūros nebūtinai atmeta galimybę, kad gyvybė vystydamasi įgavo bruožų, kuriuos galima paaiškinti remiantis gamtos dėsniais. .
Hipotezės apie gyvybės kilmę
Skirtingais laikais buvo iškeltos šios hipotezės dėl gyvybės atsiradimo Žemėje:
- Biocheminės evoliucijos hipotezė
- Panspermijos hipotezė
- Stacionarios gyvenimo būklės hipotezė
- Spontaniškos kartos hipotezė
Teorijos spontaniška karta Ir pastovi būsena yra svarbūs tik istoriniai ar filosofiniai, nes rezultatai moksliniai tyrimai prieštarauja šių teorijų išvadoms.
teorija panspermija neišsprendžia esminio gyvybės atsiradimo klausimo, tik nustumia ją į dar miglotesnę Visatos praeitį, nors to negalima atmesti kaip hipotezės apie gyvybės pradžią Žemėje.
Genobiozė ir holobiozė
Priklausomai nuo to, kas laikoma pagrindine, yra du metodologiniai požiūriai į gyvybės kilmės klausimą:
Genobiozė– metodologinis požiūris į gyvybės kilmės klausimą, pagrįstas tikėjimu molekulinės sistemos, turinčios pirminio genetinio kodo savybėmis, pirmenybės.
Holobiozė- Metodologinis požiūris į gyvybės kilmės klausimą, pagrįstas struktūrų, turinčių galimybę elementariai metabolizmui, dalyvaujant fermentiniam mechanizmui, pirmumo idėja.
Oparino-Haldane'o teorija
1924 m. būsimasis akademikas Oparinas paskelbė straipsnį „Gyvybės kilmė“, kuris 1938 m. buvo išverstas į anglų kalbą ir atgaivino susidomėjimą spontaniškos kartos teorija. Oparinas pasiūlė, kad didelės molekulinės masės junginių tirpaluose jie gali spontaniškai susidaro padidintos koncentracijos zonos, kurios yra santykinai atskirtos nuo išorinės aplinkos ir gali palaikyti mainus su ja. Jis jiems paskambino Koacervatiniai lašai, arba tiesiog koacervuoja .
Pagal jo teoriją procesą, paskatinusį gyvybės atsiradimą Žemėje, galima suskirstyti į tris etapus:
- Organinių medžiagų atsiradimas
- Baltymų atsiradimas
- Baltymų kūnų atsiradimas
Astronominiai tyrimai rodo, kad ir žvaigždės, ir planetų sistemos atsirado iš dujų ir dulkių. Kartu su metalais ir jų oksidais jame buvo vandenilio, amoniako, vandens ir paprasčiausio angliavandenilio – metano.
Baltymų struktūrų formavimosi proceso pradžios sąlygos buvo nustatytos nuo pirminio vandenyno atsiradimo momento. Vandens aplinkoje angliavandenilių dariniai gali patirti sudėtingų cheminių pokyčių ir transformacijų. Dėl šios molekulių komplikacijos gali susidaryti sudėtingesnės organinės medžiagos, būtent angliavandeniai.
Mokslas įrodė, kad naudojant ultravioletinius spindulius galima dirbtinai susintetinti ne tik aminorūgštis, bet ir kitas bio cheminių medžiagų. Remiantis Oparino teorija, tolesnis žingsnis link baltymų kūnų atsiradimo galėtų būti koacervatinių lašelių susidarymas. At tam tikromis sąlygomis organinių molekulių vandens apvalkalas įgavo aiškias ribas ir atskyrė molekulę nuo aplinkinio tirpalo. Molekulės, apsuptos vandens apvalkalo, susijungia, sudarydamos daugiamolekulinius kompleksus – koacervuoja.
Koacervatiniai lašeliai taip pat gali atsirasti tiesiog maišant skirtingus polimerus. Šiuo atveju įvyko polimero molekulių savaiminis susijungimas į daugiamolekulinius darinius – optiniu mikroskopu matomus lašelius.
Lašai galėjo absorbuoti medžiagas iš išorės kaip atviros sistemos. Kai į koacervato lašelius buvo įtraukti įvairūs katalizatoriai (įskaitant fermentus), juose įvyko įvairios reakcijos, ypač iš išorinės aplinkos monomerų polimerizacija. Dėl šios priežasties lašai gali padidėti apimties ir svorio, o vėliau suskaidyti į dukterinius darinius. Taigi koacervatai galėtų augti, daugintis ir vykdyti medžiagų apykaitą.
Panašią nuomonę išsakė ir britų biologas Johnas Haldane'as.
Teoriją 1953 m. išbandė Stanley Milleris, atlikdamas Miller-Urey eksperimentą. Jis įdėjo į uždarą indą H 2 O, NH 3, CH 4, CO 2, CO mišinį (1 pav.) ir per jį pradėjo leisti elektros iškrovas. Paaiškėjo, kad susidaro aminorūgštys. Vėliau į skirtingos sąlygos buvo gauti kiti cukrūs ir nukleotidai. Jis padarė išvadą, kad evoliucija gali vykti faziškai atskirtoje būsenoje nuo tirpalo (koacervuoja). Tačiau tokia sistema negali atkurti savęs.
Teorija pasiteisino, išskyrus vieną problemą, į kurią beveik visi gyvybės kilmės ekspertai jau seniai buvo užmerkę akis. Jei spontaniškai, per atsitiktines sintezes be šablonų, koacervete atsirado pavienės sėkmingos baltymų molekulių konstrukcijos (pavyzdžiui, veiksmingi katalizatoriai, suteikiantys tam tikram koacervatui pranašumą augant ir dauginantis), tai kaip juos būtų galima nukopijuoti ir paskirstyti koacervatas, o juo labiau perdavimas palikuonims koacervatams? Paaiškėjo, kad teorija negali pasiūlyti tikslaus pavienių, atsitiktinai atsirandančių veiksmingų baltymų struktūrų dauginimosi – koacervate ir kartomis – problemos sprendimo. Tačiau buvo įrodyta, kad pirmieji koacervatai gali susidaryti spontaniškai iš abiogeniškai susintetintų lipidų ir įsilieti į simbiozę su „gyvaisiais tirpalais“ – savaime besidauginančių RNR molekulių kolonijomis, tarp kurių buvo lipidų sintezę katalizuojantys ribozimai ir tokią bendruomenę jau galima vadinti organizmu.
Aleksandras Oparinas (dešinėje) laboratorijoje
RNR pasaulis kaip šiuolaikinio gyvenimo pirmtakas
Iki XXI amžiaus Oparino-Haldane teorija, kuri numato pirminį baltymų atsiradimą, praktiškai užleido vietą modernesnei. Jo vystymosi impulsas buvo ribozimų - RNR molekulių, turinčių fermentinį aktyvumą, atradimas, todėl galinčios sujungti funkcijas, kurias realiose ląstelėse daugiausia atlieka baltymai ir DNR, tai yra, katalizuoja biochemines reakcijas ir saugo paveldimą informaciją. Taigi daroma prielaida, kad pirmosios gyvos būtybės buvo RNR organizmai be baltymų ir DNR, o jų prototipas galėjo būti autokatalizinis ciklas, sudarytas iš tų pačių ribozimų, galinčių katalizuoti savo kopijų sintezę.
Panspermija
Pagal panspermijos teoriją, kurią 1865 metais pasiūlė vokiečių mokslininkas G. Richteris, o galiausiai 1895 metais suformulavo švedų mokslininkas Arrhenius, gyvybė į Žemę galėjo būti atnešta iš kosmoso. Nežemiškos kilmės gyvi organizmai greičiausiai patenka su meteoritais ir kosminėmis dulkėmis. Ši prielaida grindžiama duomenimis apie didelį kai kurių organizmų ir jų sporų atsparumą radiacijai, dideliam vakuumui, žemai temperatūrai ir kitokiam poveikiui. Tačiau vis dar nėra patikimų faktų, patvirtinančių meteorituose rastų mikroorganizmų nežemišką kilmę. Tačiau net jei jie patektų į Žemę ir mūsų planetoje atsirastų gyvybė, klausimas apie pirminę gyvybės kilmę liktų neatsakytas.
Francisas Crickas ir Leslie Orgel 1973 m. pasiūlė kitą variantą – kontroliuojamą panspermiją, ty tyčinį Žemės (kartu su kitomis planetų sistemomis) „užkrėtimą“ mikroorganizmais, kuriuos į nepilotuojamus erdvėlaivius atnešė pažangi ateivių civilizacija, kuri galėjo susidurti su pasaulinė katastrofa arba tiesiog tikėjosi teraformuoti kitas planetas būsimai kolonizacijai. Jie pateikė du pagrindinius argumentus savo teorijos naudai – genetinio kodo universalumą (žinomos kitos kodo variacijos biosferoje naudojamos daug rečiau ir mažai skiriasi nuo universalaus) ir reikšmingą molibdeno vaidmenį kai kuriuose fermentuose. Molibdenas visame pasaulyje yra labai retas elementas saulės sistema. Pasak autorių, pirminė civilizacija galėjo gyventi šalia molibdenu prisodrintos žvaigždės.
Prieštaruodami, kad panspermijos teorija (taip pat ir kontroliuojama) neišsprendžia gyvybės kilmės klausimo, jie pateikia tokį argumentą: kito mums nežinomo tipo planetose gyvybės atsiradimo tikimybė iš pradžių gali būti didelė. didesnis nei Žemėje, pavyzdžiui, dėl ypatingų mineralų, turinčių didelį katalizinį aktyvumą.
1981 metais F. Crickas parašė knygą „Pats gyvenimas: jo kilmė ir prigimtis“, kurioje išsamiau nei straipsnyje ir populiaria forma išdėsto kontroliuojamos panspermijos hipotezę.
Klausimas, kada Žemėje atsirado gyvybė, visada jaudino ne tik mokslininkus, bet ir visus žmones. Atsakymai į jį
beveik visos religijos. Nors tikslaus mokslinio atsakymo į šį klausimą vis dar nėra, kai kurie faktai leidžia kelti daugiau ar mažiau pagrįstas hipotezes. Tyrėjai Grenlandijoje rado uolienų pavyzdį
su mažu anglies taškeliu. Mėginio amžius yra daugiau nei 3,8 milijardo metų. Anglies šaltinis greičiausiai buvo kažkokia organinė medžiaga – per tą laiką ji visiškai prarado savo struktūrą. Mokslininkai mano, kad šis anglies gabalas gali būti seniausias gyvybės pėdsakas Žemėje.
Kaip atrodė primityvi Žemė?
Pasukkime į priekį 4 milijardų metų senumo. Atmosferoje nėra laisvo deguonies, jis randamas tik oksiduose. Beveik jokių garsų, išskyrus vėjo švilpimą, lava trykštančio vandens šnypštimą ir meteoritų smūgius į Žemės paviršių. Jokių augalų, gyvūnų, bakterijų. Galbūt taip atrodė Žemė, kai joje atsirado gyvybė? Nors ši problema jau seniai rūpi daugeliui tyrinėtojų, jų nuomonės šiuo klausimu labai skiriasi. Uolos galėjo rodyti tuometines sąlygas Žemėje, tačiau jos buvo sunaikintos seniai dėl geologinių procesų ir žemės plutos judėjimo.
Šiame straipsnyje trumpai pakalbėsime apie kelias gyvybės atsiradimo hipotezes, atspindinčias šiuolaikines mokslo idėjas. Pasak žinomo gyvybės kilmės eksperto Stanley Millerio, apie gyvybės kilmę ir jos evoliucijos pradžią galime kalbėti nuo to momento, kai organinės molekulės savaime susiorganizavo į struktūras, gebančias daugintis. . Tačiau tai kelia kitus klausimus: kaip šios molekulės atsirado; kodėl jie galėjo daugintis ir burtis į tas struktūras, iš kurių atsirado gyvi organizmai; kokių sąlygų tam reikia?
Remiantis viena hipoteze, gyvenimas prasidėjo ledo gabale. Nors daugelis mokslininkų mano, kad atmosferoje esantis anglies dioksidas užtikrino išlaikymą šiltnamio sąlygos, kiti mano, kad Žemėje karaliavo žiema. Esant žemai temperatūrai, visi cheminiai junginiai yra stabilesni, todėl gali kauptis didesniais kiekiais nei esant aukštai temperatūrai. Iš kosmoso atnešti meteorito fragmentai, hidroterminių angų išmetimai ir cheminės reakcijos, vykstančios elektros išlydžio metu atmosferoje, buvo amoniako ir organinių junginių, tokių kaip formaldehidas ir cianidas, šaltiniai. Patekę į Pasaulio vandenyno vandenį, jie sušalo kartu su juo. Ledo stulpelyje organinių medžiagų molekulės priartėjo viena prie kitos ir pradėjo sąveikauti, dėl kurios susidarė glicinas ir kitos aminorūgštys. Vandenynas buvo padengtas ledu, kuris apsaugojo naujai susidariusius junginius nuo sunaikinimo ultravioletiniais spinduliais. Šis ledinis pasaulis gali ištirpti, pavyzdžiui, ant planetos nukritus didžiuliam meteoritui (1 pav.).
Charlesas Darwinas ir jo amžininkai tikėjo, kad gyvybė galėjo atsirasti vandens telkinyje. Daugelis mokslininkų vis dar laikosi šio požiūrio. Uždarame ir palyginti nedideliame rezervuare organinės medžiagos, kurias atneša į jį įtekantys vandenys, galėtų susikaupti reikiamais kiekiais. Tada šie junginiai buvo toliau koncentruojami ant vidinių sluoksniuotų mineralų paviršių, kurie galėjo katalizuoti reakcijas. Pavyzdžiui, dvi fosfaldehido molekulės, susitikusios mineralo paviršiuje, reagavo viena su kita, sudarydamos fosforilinto angliavandenio molekulę, galimą ribonukleino rūgšties pirmtaką (2 pav.).
O gal gyvybė atsirado vulkaninės veiklos srityse? Iškart po susiformavimo Žemė buvo ugnimi alsuojantis magmos rutulys. Vulkanų išsiveržimų metu ir iš išlydytos magmos išsiskiriančiomis dujomis į žemės paviršių nuneštos įvairios cheminės medžiagos, reikalingos organinių molekulių sintezei. Taigi anglies monoksido molekulės, patekusios į mineralinio pirito, turinčio katalizines savybes, paviršių, gali reaguoti su junginiais, kurie turėjo metilo grupes ir susidaro acto rūgštis, iš kurio vėliau buvo susintetinti kiti organiniai junginiai (3 pav.).
Pirmą kartą amerikiečių mokslininkui Stenliui Milleriui pavyko gauti organines molekules – aminorūgštis – laboratorinėmis sąlygomis, imituojančiomis tas, kurios buvo primityvioje Žemėje 1952 m. Tada šie eksperimentai tapo sensacija, o jų autorius pelnė pasaulinę šlovę. Šiuo metu Kalifornijos universitete jis tęsia tyrimus prebiotinės (prieš gyvenimą) chemijos srityje. Įrenginys, kuriame buvo atliktas pirmasis eksperimentas, buvo kolbų sistema, iš kurių vienoje buvo galima gauti galingą elektros iškrovą esant 100 000 V įtampai.
Milleris į šią kolbą pripildė gamtinių dujų – metano, vandenilio ir amoniako, kurių buvo primityvios Žemės atmosferoje. Žemiau esančioje kolboje buvo nedidelis vandens kiekis, imituojantis vandenyną. Elektros iškrova buvo artima žaibo stiprumui, o Milleris tikėjosi, kad jai veikiant susidaro cheminiai junginiai, kurie, patekę į vandenį, reaguos tarpusavyje ir sudarys sudėtingesnes molekules.
Rezultatas pranoko visus lūkesčius. Vakare išjungęs įrenginį ir grįžęs kitą rytą Milleris atrado, kad vanduo kolboje įgavo gelsvą spalvą. Tai, kas atsirado, buvo aminorūgščių sriuba, baltymų statybinė medžiaga. Taigi šis eksperimentas parodė, kaip lengvai gali susidaryti pirminės gyvybės sudedamosios dalys. Viskas, ko reikėjo, buvo dujų mišinys, nedidelis vandenynas ir šiek tiek žaibo.
Kiti mokslininkai linkę manyti, kad senovės Žemės atmosfera skyrėsi nuo Millerio modeliuotos ir greičiausiai susidarė iš anglies dioksido ir azoto. Naudodami šį dujų mišinį ir Millerio eksperimentinę sąranką, chemikai bandė gaminti organinius junginius. Tačiau jų koncentracija vandenyje buvo tokia nereikšminga, lyg maisto dažų lašas būtų ištirpęs baseine. Natūralu, kad sunku įsivaizduoti, kaip tokiame skystame tirpale galėtų atsirasti gyvybė.
Jeigu iš tiesų žemiškų procesų indėlis kuriant pirminių atsargų organinės medžiagos buvo toks nereikšmingas, iš kur jis atsirado? Gal iš kosmoso? Asteroidai, kometos, meteoritai ir net tarpplanetinių dulkių dalelės gali nešti organinius junginius, įskaitant aminorūgštis. Šie nežemiški objektai galėtų suteikti pakankamai organinių junginių, kad gyvybė galėtų patekti į pirmykštį vandenyną ar nedidelį vandens telkinį.
Įvykių seka ir laiko intervalas, pradedant nuo pirminės organinės medžiagos susidarymo ir baigiant gyvybės, kaip tokios, atsiradimu, išlieka ir, ko gero, amžiams išliks mįsle, kuri nerimauja daugeliui tyrinėtojų, taip pat ir klausimas, kas. tiesą sakant, laikyti tai gyvenimu.
Šiuo metu yra keli moksliniai gyvybės apibrėžimai, tačiau visi jie nėra tikslūs. Kai kurie iš jų yra tokie platūs, kad po jais patenka negyvi objektai, tokie kaip ugnis ar mineraliniai kristalai. Kiti per siauri, anot jų, mulai, kurie neatsiveda palikuonių, nepripažįstami gyvais.
Vienas sėkmingiausių apibrėžia gyvenimą kaip savarankišką gyvenimą cheminė sistema, galintis elgtis pagal Darvino evoliucijos dėsnius. Tai reiškia, kad visų pirma gyvų individų grupė turi susilaukti į save panašių palikuonių, kurie paveldi savo tėvų savybes. Antra, palikuonių kartos turi parodyti mutacijų pasekmes – genetinius pokyčius, kuriuos paveldi kitos kartos ir sukelia populiacijos kintamumą. Ir trečia, būtina, kad veiktų natūralios atrankos sistema, dėl kurios vieni individai įgyja pranašumą prieš kitus ir išgyvena pasikeitusiomis sąlygomis, susilaukdami palikuonių.
Kokie sistemos elementai buvo reikalingi, kad ji turėtų gyvo organizmo savybių? Didelis skaičius biochemikai ir molekuliniai biologai mano, kad RNR molekulės turėjo reikiamų savybių. RNR – ribonukleino rūgštys – yra ypatingos molekulės. Kai kurie iš jų gali replikuotis, mutuoti, taip perduodami informaciją, todėl galėtų dalyvauti natūralioje atrankoje. Tiesa, jie patys nepajėgūs katalizuoti replikacijos proceso, nors mokslininkai tikisi, kad artimiausiu metu tokią funkciją turintis RNR fragmentas bus rastas. Kitos RNR molekulės dalyvauja „skaitant“ genetinę informaciją ir perduodant ją į ribosomas, kur vyksta baltymų molekulių sintezė, kurioje dalyvauja trečiojo tipo RNR molekulės.
Taigi primityviausia gyva sistema gali būti atstovaujama RNR molekulėms, besidubliuojančioms, patiriančiomis mutacijas ir veikiant natūraliai atrankai. Evoliucijos eigoje, remiantis RNR, atsirado specializuotų DNR molekulių – genetinės informacijos saugotojų – ir ne mažiau specializuotų baltymų molekulių, kurios perėmė visų šiuo metu žinomų biologinių molekulių sintezės katalizatorių funkcijas.
Tam tikru metu DNR, RNR ir baltymų „gyva sistema“ rado prieglobstį maišelyje, kurį sudaro lipidinė membrana, ir ši buvo labiau apsaugota nuo. išorinių poveikių struktūra tarnavo kaip prototipas pačioms pirmoms ląstelėms, iš kurių atsirado trys pagrindinės gyvybės šakos, kurias šiuolaikiniame pasaulyje atstovauja bakterijos, archėjos ir eukariotai. Kalbant apie tokių pirminių ląstelių atsiradimo datą ir seką, tai lieka paslaptis. Be to, remiantis paprastais tikimybiniais skaičiavimais, evoliuciniam perėjimui nuo organinių molekulių prie pirmųjų organizmų neužtenka laiko – pirmieji paprasčiausi organizmai atsirado per staigiai.
Daugelį metų mokslininkai manė, kad mažai tikėtina, kad gyvybė galėjo atsirasti ir vystytis tuo laikotarpiu, kai Žemė nuolat susidūrė su didelėmis kometomis ir meteoritais, o šis laikotarpis baigėsi maždaug prieš 3,8 mlrd. Tačiau neseniai seniausiose nuosėdinėse uolienose Žemėje, rastose pietvakarių Grenlandijoje, buvo aptikti mažiausiai 3,86 milijardo metų senumo sudėtingų ląstelių struktūrų pėdsakai. Tai reiškia, kad pirmosios gyvybės formos galėjo atsirasti milijonus metų prieš tai, kai nutrūko mūsų planetos bombardavimas dideliais kosminiais kūnais. Tačiau tuomet galimas visai kitas scenarijus (4 pav.).
Kosminiai objektai, nukritę į Žemę, galėjo atlikti pagrindinį vaidmenį gyvybės atsiradimui mūsų planetoje, nes, pasak daugelio tyrėjų, ląstelės, panašios į bakterijas, galėjo atsirasti kitoje planetoje ir tada pasiekti Žemę kartu su asteroidais. Vienas įrodymas, patvirtinantis nežemiškos gyvybės kilmės teoriją, buvo rastas bulvės formos meteorite, pavadintame ALH84001. Šis meteoritas iš pradžių buvo Marso plutos gabalas, kuris vėliau buvo išmestas į kosmosą dėl sprogimo, kai didžiulis asteroidas susidūrė su Marso paviršiumi, o tai įvyko maždaug prieš 16 mln. Ir prieš 13 tūkstančių metų, po ilgos kelionės Saulės sistemoje, šis meteorito pavidalo Marso uolienos fragmentas nusileido Antarktidoje, kur neseniai buvo atrastas. Išsamus meteorito tyrimas atskleidė jo viduje suakmenėjusias bakterijas primenančias lazdelės formos struktūras, kurios sukėlė karštas mokslines diskusijas apie gyvybės galimybę giliai Marso plutoje. Šiuos ginčus pavyks išspręsti ne anksčiau kaip 2005 m., kai JAV nacionalinė aeronautikos ir kosmoso administracija įgyvendins tarpplanetinio erdvėlaivio nuskraidinimo į Marsą programą, kuri paimtų Marso plutos pavyzdžius ir nugabentų pavyzdžius į Žemę. Ir jei mokslininkams pavyks įrodyti, kad mikroorganizmai kažkada gyveno Marse, tuomet galime drąsiau kalbėti apie nežemišką gyvybės kilmę ir gyvybės atnešimo iš kosmoso galimybę (5 pav.).
Ryžiai. 5. Mūsų kilmė yra iš mikrobų.
Ką paveldėjome iš senovės gyvybės formų? Žemiau pateiktas vienaląsčių organizmų palyginimas su žmogaus ląstelėmis atskleidžia daug panašumų.
 1. Lytinis dauginimasis |
 2. Blakstienos |
 3. Užfiksuokite kitas ląsteles |
 4. Mitochondrijos |
 5. Vėliava |
Gyvybės Žemėje raida: nuo paprasto iki sudėtingo
Šiuo metu ir tikriausiai ateityje mokslas negalės atsakyti į klausimą, kaip atrodė pats pirmasis Žemėje pasirodęs organizmas – protėvis, iš kurio kilo trys pagrindinės gyvybės medžio šakos. Viena iš šakų – eukariotai, kurių ląstelėse susiformavęs branduolys, kuriame yra genetinė medžiaga ir specializuotos organelės: energiją gaminančios mitochondrijos, vakuolės ir kt. Eukariotiniams organizmams priskiriami dumbliai, grybai, augalai, gyvūnai ir žmonės.
Antroji šaka yra bakterijos – prokariotiniai (ikibranduoliniai) vienaląsčiai organizmai, neturintys ryškaus branduolio ir organelių. Ir galiausiai, trečioji šaka – vienaląsčiai organizmai, vadinami archaea, arba archebakterijos, kurių ląstelės turi tokią pat struktūrą kaip ir prokariotai, tačiau visiškai kitokia lipidų cheminė struktūra.
Daugelis archebakterijų sugeba išgyventi itin nepalankiomis aplinkos sąlygomis. Kai kurie iš jų yra termofilai ir gyvena tik karštuose šaltiniuose, kurių temperatūra yra 90 ° C ar net aukštesnė, kur kiti organizmai tiesiog žūtų. Tokiomis sąlygomis puikiai jausdamiesi šie vienaląsčiai organizmai vartoja geležies ir sieros turinčias medžiagas, taip pat daugybę cheminiai junginiai, toksiškas kitoms gyvybės formoms. Mokslininkų teigimu, rastos termofilinės archebakterijos yra itin primityvūs organizmai ir, evoliucine prasme, artimi seniausių gyvybės formų Žemėje giminaičiai.
Įdomu tai, kad šiuolaikiniai visų trijų gyvybės šakų atstovai, labiausiai panašūs į savo protėvius, vis dar gyvena vietose, kuriose yra aukšta temperatūra. Remdamiesi tuo, kai kurie mokslininkai linkę manyti, kad, greičiausiai, gyvybė atsirado maždaug prieš 4 milijardus metų vandenyno dugne šalia karštųjų versmių, išsiveržusių metalų ir didelės energijos medžiagų turtingiems upeliams. Sąveikaujant tarpusavyje ir su tuo metu sterilaus vandenyno vandeniu, vykstant įvairioms cheminėms reakcijoms, šie junginiai sukūrė iš esmės naujas molekules. Taigi dešimtis milijonų metų šiame „ chemijos virtuvė„Buvo ruošiamas didžiausias patiekalas – gyvenimas. O maždaug prieš 4,5 milijardo metų Žemėje atsirado vienaląsčiai organizmai, kurių vienišumas tęsėsi visą Prekambro laikotarpį.
Evoliucijos proveržis, dėl kurio atsirado daugialąsčiai organizmai, įvyko daug vėliau, šiek tiek daugiau nei prieš pusę milijardo metų. Nors mikroorganizmai yra tokie maži, kad viename vandens laše gali būti milijardai, jų darbo mastas milžiniškas.
Manoma, kad iš pradžių žemės atmosferoje ir vandenynuose nebuvo laisvo deguonies, o tokiomis sąlygomis gyveno ir vystėsi tik anaerobiniai mikroorganizmai. Ypatingas gyvų būtybių evoliucijos žingsnis buvo fotosintetinių bakterijų atsiradimas, kurios, naudodamos šviesos energiją, anglies dioksidą pavertė angliavandenių junginiais, kurie tarnavo kaip maistas kitiems mikroorganizmams. Jei pirmosios fotosintezės metu buvo gaminamas metanas arba vandenilio sulfidas, tai kažkada atsiradę mutantai fotosintezės metu pradėjo gaminti deguonį. Atmosferoje ir vandenyse kaupiantis deguoniui, anaerobinės bakterijos, kurioms jis kenksmingas, užėmė bedeguonies nišas.
3,46 milijardo metų Australijoje rastos senovės fosilijos atskleidė struktūras, kurios, kaip manoma, yra cianobakterijų, pirmųjų fotosintetinių mikroorganizmų, liekanos. Apie buvusį anaerobinių mikroorganizmų ir melsvadumblių dominavimą liudija stromatolitai, randami sekliuose neužterštų sūraus vandens telkinių pakrančių vandenyse. Savo forma jie primena didelius riedulius ir reprezentuoja įdomią mikroorganizmų bendruomenę, gyvenančią klinties ar dolomito uolienose, susidariusiose dėl jų gyvybinės veiklos. Kelių centimetrų gylyje nuo paviršiaus stromatolitai yra prisotinti mikroorganizmų: viršutiniame sluoksnyje gyvena fotosintetinės cianobakterijos, gaminančios deguonį; randama gilesnių bakterijų, kurios tam tikru mastu toleruoja deguonį ir nereikalauja šviesos; apatiniame sluoksnyje yra bakterijų, kurios gali gyventi tik nesant deguonies. Šie mikroorganizmai, išsidėstę skirtinguose sluoksniuose, sudaro sistemą, kurią vienija sudėtingi tarpusavio santykiai, įskaitant santykius su maistu. Už mikrobų plėvelės yra uoliena, susidariusi dėl negyvų mikroorganizmų liekanų sąveikos su vandenyje ištirpusiu kalcio karbonatu. Mokslininkai mano, kad kai primityvioje Žemėje nebuvo žemynų, o virš vandenyno paviršiaus iškilo tik ugnikalnių salynai, sekliuose vandenyse buvo gausu stromatolitų.
Dėl fotosintetinių melsvadumblių veiklos vandenyne atsirado deguonis, o po maždaug 1 milijardo metų jis pradėjo kauptis atmosferoje. Pirma, susidaręs deguonis sąveikavo su vandenyje ištirpusia geležimi, todėl atsirado geležies oksidai, kurie palaipsniui nusėdo apačioje. Taigi per milijonus metų, dalyvaujant mikroorganizmams, susidarė didžiuliai geležies rūdos telkiniai, iš kurių šiandien lydomas plienas.
Tada, kai didžioji dalis vandenynuose esančios geležies buvo oksiduota ir nebegalėjo surišti deguonies, ji dujine forma pateko į atmosferą.
Po to, kai fotosintetinės cianobakterijos iš anglies dvideginio sukūrė tam tikrą energijos turtingos organinės medžiagos atsargą ir praturtino žemės atmosferą deguonimi, atsirado naujų bakterijų – aerobų, galinčių egzistuoti tik esant deguoniui. Deguonis jiems reikalingas organinių junginių oksidacijai (degimui), o nemaža dalis gautos energijos paverčiama biologiškai prieinama forma – adenozino trifosfatu (ATP). Šis procesas energetiškai labai palankus: anaerobinės bakterijos, skaidydamos vieną gliukozės molekulę, gauna tik 2 molekules ATP, o aerobinės bakterijos, kurios naudoja deguonį – 36 ATP molekules.
Atsiradus deguoniui, kurio pakanka aerobiniam gyvenimo būdui, debiutavo ir eukariotinės ląstelės, kurios, skirtingai nei bakterijos, turi branduolį ir organelius, tokius kaip mitochondrijos, lizosomos, o dumbliuose ir aukštesniuose augaluose – chloroplastus, kuriuose vyksta fotosintezės reakcijos. Yra įdomi ir pagrįsta hipotezė dėl eukariotų atsiradimo ir vystymosi, beveik prieš 30 metų išsakyta amerikiečių mokslininko L. Margulio. Remiantis šia hipoteze, mitochondrijos, veikiančios kaip energijos gamyklos eukariotų ląstelėje, yra aerobinės bakterijos, o augalų ląstelių chloroplastai, kuriuose vyksta fotosintezė, yra cianobakterijos, kurios tikriausiai buvo absorbuotos maždaug prieš 2 milijardus metų primityvių amebų. Dėl abipusiai naudingų sąveikų absorbuotos bakterijos tapo vidiniais simbiontais ir su jas sugėrusia ląstele suformavo stabilią sistemą – eukariotinę ląstelę.
Organizmų iškastinių liekanų įvairaus geologinio amžiaus uolienose tyrimai parodė, kad šimtus milijonų metų po jų atsiradimo eukariotinės gyvybės formos buvo atstovaujamos mikroskopinių sferinių vienaląsčių organizmų, tokių kaip mielės, ir jų evoliucinis vystymasis vyko labai lėtai. tempą. Tačiau šiek tiek daugiau nei prieš 1 milijardą metų atsirado daug naujų eukariotų rūšių, žyminčių dramatišką gyvybės evoliucijos šuolį.
Visų pirma, tai lėmė lytinio dauginimosi atsiradimas. Ir jei bakterijos ir vienaląsčiai eukariotai dauginasi gaminant genetiškai identiškas savo kopijas ir nereikalaujant seksualinio partnerio, tai lytinis dauginimasis labiau organizuotuose eukariotiniuose organizmuose vyksta taip. Dvi haploidinės tėvų lytinės ląstelės, turinčios vieną chromosomų rinkinį, susilieja ir sudaro zigotą, turinčią dvigubą chromosomų rinkinį su abiejų partnerių genais, o tai sukuria galimybes naujiems genų deriniams. Lytinio dauginimosi atsiradimas paskatino naujų organizmų atsiradimą, kurie pateko į evoliucijos areną.
Tris ketvirtadalius visos gyvybės Žemėje atstovavo tik mikroorganizmai, kol įvyko kokybinis evoliucijos šuolis, dėl kurio atsirado labai organizuoti organizmai, įskaitant žmones. Mažėjančia linija nubrėžkime pagrindinius gyvybės Žemėje istorijos etapus.
Prieš 1,2 milijardo metų įvyko evoliucijos sprogimas, kurį sukėlė lytinio dauginimosi atsiradimas ir pasižymėjo labai organizuotų gyvybės formų – augalų ir gyvūnų – atsiradimu.
Lytinio dauginimosi metu atsirandantis naujų mišraus genotipo variacijų formavimasis pasireiškė naujų gyvybės formų biologinės įvairovės pavidalu.
Prieš 2 milijardus metų atsirado sudėtingos eukariotinės ląstelės, kai vienaląsčiai organizmai sukomplikavo savo struktūrą, absorbuodami kitas prokariotines ląsteles. Kai kurios iš jų – aerobinės bakterijos – virto mitochondrijomis – energijos stotimis deguonies kvėpavimui. Kitos – fotosintetinės bakterijos – pradėjo vykdyti fotosintezę ląstelės šeimininkės viduje ir tapo chloroplastais dumblių ir augalų ląstelėse. Eukariotinės ląstelės, turinčios šiuos organelius ir aiškiai atskirtą branduolį, kuriame yra genetinės medžiagos, sudaro visas šiuolaikines sudėtingas gyvybės formas – nuo pelėsių iki žmonių.
Prieš 3,9 milijardo metų atsirado vienaląsčių organizmų, kurie tikriausiai atrodė kaip šiuolaikinės bakterijos ir archebakterijos. Tiek senovės, tiek šiuolaikinės prokariotinės ląstelės yra gana paprastos sandaros: jose nėra susiformavusio branduolio ir specializuotų organelių, jų želė pavidalo citoplazmoje yra DNR makromolekulių – genetinės informacijos nešėjų, ir ribosomų, ant kurių vyksta baltymų sintezė, o ant jų gaminama energija. ląstelę supanti citoplazminė membrana.
Prieš 4 milijardus metų paslaptingai atsirado RNR. Gali būti, kad jis susidarė iš paprastesnių organinių molekulių, atsiradusių pirmykštėje žemėje. Manoma, kad senovinės RNR molekulės turėjo genetinės informacijos nešėjų ir baltymų katalizatorių funkcijas, gebėjo replikuotis (savaiminio dubliavimosi), mutavo ir buvo natūralios atrankos būdu. Šiuolaikinėse ląstelėse RNR šių savybių neturi arba nepasižymi, tačiau atlieka labai svarbų tarpininko vaidmenį perduodant genetinę informaciją iš DNR į ribosomas, kuriose vyksta baltymų sintezė.
A.L. Prochorovas
Remiantis Richardo Monasterskio straipsniu
žurnale National Geographic, 1998 Nr.3
Gyvybės ir gyvų būtybių problema yra daugelio gamtos disciplinų, pradedant biologija ir baigiant filosofija, matematika, nagrinėjančia abstrakčius gyvų būtybių fenomeno modelius, taip pat fizikos, apibrėžiančios gyvenimą iš gyvenimo pozicijų, objektas. fiziniai dėsniai.
Visos kitos konkretesnės problemos ir klausimai yra sutelkti aplink šią pagrindinę problemą, taip pat kuriami filosofiniai apibendrinimai ir išvados.
Pagal dvi ideologines pozicijas - materialistinę ir idealistinę - net senovės filosofijoje susiformavo priešingos gyvybės kilmės sampratos: kreacionizmas ir materialistinė kilmės teorija organinė gamta iš neorganinės.
Rėmėjai kreacionizmas teigia, kad gyvybė atsirado dėl dieviškojo kūrimo akto, kurio įrodymas yra ypatingos jėgos, valdančios visus biologinius procesus, buvimas gyvuose organizmuose.
Gyvybės atsiradimo iš negyvosios gamtos šalininkai teigia, kad organinė gamta atsirado veikiant gamtos dėsniams. Vėliau ši koncepcija buvo sukonkretinta spontaniškos gyvybės kartos idėjoje.
Spontaniškos kartos samprata, nepaisant klaidingumo, vaidino teigiamą vaidmenį; eksperimentai, skirti tai patvirtinti, suteikė daug empirinės medžiagos besivystančiam biologijos mokslui. Galutinis spontaniškos kartos idėjos atmetimas įvyko tik XIX a.
19 amžiuje taip pat buvo nominuotas amžinojo gyvybės egzistavimo hipotezė ir jo kosminė kilmė Žemėje. Buvo manoma, kad gyvybė egzistuoja erdvėje ir yra perkeliama iš vienos planetos į kitą.
XX amžiaus pradžioje. idėja kosminės kilmės biologines sistemas Žemėje ir gyvybės amžinybę kosmose sukūrė rusų mokslininkas akademikas Į IR. Vernadskis.
Akademiko A.I. hipotezė. Oparina
Akademikas pateikė iš esmės naują gyvybės atsiradimo hipotezę A.I. Oparinas knygoje "Gyvybės kilmė"“, išleistas 1924 m. Jis pareiškė, kad Redi principas, kuris įveda biotinės organinių medžiagų sintezės monopolį, galioja tik šiuolaikinei mūsų planetos egzistavimo erai. Jos egzistavimo pradžioje, kai Žemė buvo negyva, joje vyko abiotinė anglies junginių sintezė ir vėlesnė jų ikibiologinė evoliucija.
Oparino hipotezės esmė yra tokia: gyvybės atsiradimas Žemėje yra ilgas evoliucinis gyvosios medžiagos formavimosi negyvosios medžiagos gelmėse procesas. Tai įvyko cheminės evoliucijos būdu, dėl kurios iš neorganinių, veikiant stipriiems fizikiniams ir cheminiams procesams, susidarė paprasčiausios organinės medžiagos.
Gyvybės atsiradimą jis vertino kaip vieną natūralų procesą, kurį sudarė pradinė cheminė evoliucija, kuri vyko ankstyvosios Žemės sąlygomis, kuri palaipsniui perėjo į kokybinę. naujas lygis- biocheminė evoliucija.
Atsižvelgdamas į gyvybės atsiradimo per biocheminę evoliuciją problemą, Oparinas nustato tris perėjimo iš negyvos į gyvąją medžiagą etapus.
Pirmasis etapas yra cheminė evoliucija. Kai Žemė dar buvo negyva (prieš maždaug 4 milijardus metų), anglies junginių abiotinė sintezė ir vėlesnė jų prebiologinė evoliucija.
Šis Žemės evoliucijos laikotarpis pasižymėjo daugybe ugnikalnių išsiveržimų, kai išsiliejo didžiuliai kiekiai karštos lavos. Planetai vėsstant, atmosferoje esantys vandens garai kondensavosi ir krito ant Žemės, sudarydami didžiulius vandens plotus (pirminį vandenyną). Šie procesai tęsėsi daugybę milijonų metų. Pirminio vandenyno vandenyse buvo ištirpintos įvairios neorganinės druskos. Be to, į vandenyną pateko ir įvairių organinių junginių, nuolat susidarančių atmosferoje veikiant ultravioletinei spinduliuotei. aukštos temperatūros ir aktyvi vulkaninė veikla.
Organinių junginių koncentracija nuolat didėjo, o galiausiai vandenyno vandenys tapo " sultinio» iš į baltymus panašių medžiagų – peptidų.
Antrasis etapas – baltyminių medžiagų atsiradimas. Minkštėjant sąlygoms Žemėje, veikiant pirminio vandenyno cheminiams mišiniams elektros iškrovoms, šiluminei energijai ir ultravioletiniams spinduliams, atsirado galimybė sudaryti sudėtingus organinius junginius – biopolimerus ir nukleotidus, kurie, palaipsniui jungdamiesi ir vis sudėtingesni, virto. į protobiontai(gyvų organizmų priešląsteliniai protėviai). Sudėtingų organinių medžiagų evoliucijos rezultatas buvo išvaizda koacervuoja, arba koacervuoti lašai.
Koacervuoja- koloidinių dalelių kompleksai, kurių tirpalas yra padalintas į du sluoksnius: sluoksnį, kuriame gausu koloidinių dalelių, ir beveik jų neturintį skystį. Koacervatai turėjo galimybę sugerti įvairias medžiagas, ištirpusias pirminio vandenyno vandenyse. Kaip rezultatas vidinė struktūra koacervatai pasikeitė, kad padidintų jų stabilumą nuolat kintančiomis sąlygomis.
Biocheminės evoliucijos teorija koacervatus laiko prebiologinėmis sistemomis, kurios yra molekulių grupės, apsuptos vandens apvalkalo.
Pavyzdžiui, koacervatai sugeba absorbuoti medžiagas iš aplinką, bendrauti tarpusavyje, padidinti dydį ir pan. Tačiau skirtingai nei gyvos būtybės, koacervatiniai lašeliai nėra pajėgūs savaime daugintis ir reguliuotis, todėl jų negalima priskirti prie biologinių sistemų.
Trečiasis etapas – gebėjimo daugintis susiformavimas, gyvos ląstelės atsiradimas.Šiuo laikotarpiu pradėjo veikti natūrali atranka, t.y. Koacervato lašelių masėje buvo atrinkti koacervatai, kurie buvo atspariausi tam tikroms aplinkos sąlygoms. Atrankos procesas truko daug milijonų metų. Konservuoti koacervato lašai jau turėjo galimybę patirti pirminį metabolizmą – pagrindinę gyvybės savybę.
Tuo pačiu metu pasiekęs tam tikri dydžiai, motininis lašas suskilo į dukterinius lašus, kurie išlaikė motinos struktūros bruožus.
Taigi galime kalbėti apie koacervatų įgijimą savaiminės gamybos nuosavybės – vieno iš svarbiausių gyvybės ženklų. Tiesą sakant, šiame etape koacervatai virto paprasčiausiais gyvais organizmais.
Tolesnė šių prebiologinių struktūrų evoliucija buvo įmanoma tik didėjant sudėtingumui medžiagų apykaitos procesai koacervato viduje.
Koacervato vidinę aplinką reikėjo apsaugoti nuo aplinkos poveikio. Todėl aplink koacervatus susidarė lipidų sluoksniai, kuriuose gausu organinių junginių, atskiriantys koacervatą nuo supančios vandeninės aplinkos. Evoliucijos proceso metu lipidai buvo transformuoti į išorinę membraną, o tai žymiai padidino organizmų gyvybingumą ir stabilumą.
Membranos atsiradimas iš anksto nulėmė tolesnės biologinės evoliucijos kryptį vis tobulesnės autoreguliacijos keliu, kuris baigėsi pirminės ląstelės - archeląstelės - susidarymu. Ląstelė yra elementarus biologinis vienetas, visų gyvų dalykų struktūrinis ir funkcinis pagrindas. Ląstelės vykdo nepriklausomą medžiagų apykaitą, geba dalytis ir savireguliuotis, t.y. turi visas gyvų būtybių savybes. Naujų ląstelių susidarymas iš neląstelinės medžiagos yra neįmanomas, ląstelių dauginimasis vyksta tik dalijantis. Organinis vystymasis laikomas universaliu ląstelių formavimosi procesu.
Ląstelės struktūra apima: membraną, kuri atskiria ląstelės turinį nuo išorinės aplinkos; citoplazma, kuri yra sūrymu su tirpiais ir suspenduotais fermentais bei RNR molekulėmis; branduolys, kuriame yra chromosomos, susidedančios iš DNR molekulių ir prie jų prijungtų baltymų.
Vadinasi, gyvybės pradžia reikėtų laikyti stabilios savaime besidauginančios organinės sistemos (ląstelės) su pastovia nukleotidų seka atsiradimą. Tik atsiradus tokioms sistemoms galima kalbėti apie biologinės evoliucijos pradžią.
XX amžiaus viduryje eksperimentiškai įrodyta abiogeninės biopolimerų sintezės galimybė. 1953 m. amerikiečių mokslininkas S. Mileris imitavo pirminę Žemės atmosferą ir susintetino acto ir skruzdžių rūgštis, karbamidą ir aminorūgštis. elektros krūviai per inertinių dujų mišinį. Taip buvo parodyta, kaip veikiant abiogeniniams veiksniams įmanoma sudėtingų organinių junginių sintezė.
Nepaisant teorinio ir eksperimentinio pagrįstumo, Oparino koncepcija turi ir privalumų, ir trūkumų.
Koncepcijos stiprybė – gana tikslus eksperimentinis cheminės evoliucijos pagrindimas, pagal kurį gyvybės kilmė yra natūralus materijos ikibiologinės evoliucijos rezultatas.
Įtikinamas argumentas šios koncepcijos naudai taip pat yra galimybė eksperimentiškai patikrinti jos pagrindines nuostatas.
Silpnoji koncepcijos pusė yra tai, kad neįmanoma paaiškinti paties šuolio nuo sudėtingų organinių junginių prie gyvų organizmų momento.
Vieną iš perėjimo nuo prebiologinės prie biologinės evoliucijos versijų siūlo vokiečių mokslininkas M. Eigenas. Pagal jo hipotezę gyvybės atsiradimas paaiškinamas nukleorūgščių ir baltymų sąveika. Nukleorūgštys yra genetinės informacijos nešėjos, o baltymai tarnauja kaip cheminių reakcijų katalizatoriai. Nukleino rūgštys dauginasi pačios ir perduoda informaciją baltymams. Atsiranda uždara grandinė - hiperciklas, kuriame cheminių reakcijų procesai savaime pagreitėja dėl katalizatorių buvimo ir perkrovos.
Hipercikluose reakcijos produktas vienu metu veikia ir kaip katalizatorius, ir kaip pradinis reagentas. Tokios reakcijos vadinamos autokatalitinėmis.
Kita teorija, pagal kurią galima paaiškinti perėjimą nuo prebiologinės prie biologinės evoliucijos, yra sinergetika. Sinergetikų atrasti dėsningumai leidžia išsiaiškinti organinės medžiagos atsiradimo iš neorganinių medžiagų mechanizmą saviorganizacijos požiūriu per spontanišką naujų struktūrų atsiradimą atviros sistemos sąveikos su aplinka metu.
Pastabos apie gyvybės atsiradimo teoriją ir biosferos atsiradimą
Šiuolaikinis mokslas priėmė hipotezę apie abiogeninę (nebiologinę) gyvybės kilmę natūralių priežasčių įtakoje dėl ilgo kosminės, geologinės ir cheminės evoliucijos proceso - abiogenezės, kurios pagrindas buvo akademiko A. I. hipotezė. Oparinas. Abiogenezės koncepcija neatmeta gyvybės egzistavimo erdvėje ir jos kosminės kilmės Žemėje galimybės.
Tačiau remiantis šiuolaikiniais mokslo pasiekimais, hipotezė apie A.I. Oparin siūlo šiuos paaiškinimus.
Vandenyno vandens paviršiuje (ar šalia jo) gyvybė negalėjo atsirasti, nes tais tolimais laikais Mėnulis buvo daug arčiau Žemės nei dabar. Potvynio bangos turėjo būti milžiniško aukščio ir didžiulės griaunamosios galios. Tokiomis sąlygomis protobiontai tiesiog negalėjo susidaryti.
Dėl ozono sluoksnio nebuvimo protobiontai negalėjo egzistuoti kietos ultravioletinės spinduliuotės įtakoje. Tai rodo, kad gyvybė galėjo atsirasti tik vandens storymėje.
Dėl ypatingų sąlygų gyvybė galėjo atsirasti tik pirmykščio Vandenyno vandenyje, bet ne paviršiuje, o dugne plonose organinės medžiagos plėvelėse, adsorbuotose pirito ir apatito kristalų paviršių, matyt, prie geoterminių šaltinių. Kadangi buvo nustatyta, kad organiniai junginiai susidaro ugnikalnių išsiveržimų produktuose, o ugnikalnių veikla po vandenynu senovėje buvo labai aktyvi. Senovės vandenyne nebuvo ištirpusio deguonies, galinčio oksiduoti organinius junginius.
Šiandien manoma, kad protobiontai buvo RNR molekulės, bet ne DNR, nes buvo įrodyta, kad evoliucijos procesas iš RNR perėjo į baltymą, o vėliau iki DNR molekulės, kurioje CH jungtys buvo stipresnės nei C-OH ryšiai RNR. Tačiau akivaizdu, kad RNR molekulės negalėjo atsirasti dėl sklandaus evoliucinio vystymosi. Tikriausiai įvyko šuolis su visomis materijos savaiminio organizavimo ypatybėmis, kurių mechanizmas šiuo metu nėra aiškus.
Tikėtina, kad pirminėje vandens storymės biosferoje gausu funkcinės įvairovės. Ir pirmasis gyvybės pasirodymas turėjo įvykti ne kokio nors vieno tipo organizmo pavidalu, o organizmų rinkinyje. Daugelis pirminių biocenozių turėjo atsirasti iš karto. Jas sudarė paprasčiausi vienaląsčiai organizmai, galintys atlikti visas be išimties gyvosios medžiagos funkcijas biosferoje.
Šie paprasčiausi organizmai buvo heterotrofai (maitinosi jau paruoštais organiniais junginiais), prokariotai (organizmai be branduolio) ir anaerobai (energijos šaltiniu naudojo mielių fermentaciją).
Dėl ypatingų anglies savybių gyvybė atsirado būtent šiuo pagrindu. Tačiau jokie dabartiniai įrodymai neprieštarauja gyvybės atsiradimo galimybei, išskyrus anglies pagrindu.
Kai kurios ateities kryptys tiriant gyvybės kilmę
XXI amžiuje Siekdami išsiaiškinti gyvybės atsiradimo problemą, mokslininkai rodo didesnį susidomėjimą dviem objektais - į Jupiterio palydovą, atidarytas dar 1610 m G. Galilėjus. Jis yra 671 000 km atstumu nuo Žemės. Jo skersmuo yra 3100 km. Jį dengia daugybė kilometrų ledo. Tačiau po ledo danga yra vandenynas, o jame galėjo būti išlikusios paprasčiausios senovės gyvybės formos.
Kitas objektas - Rytų ežeras, kuris vadinamas reliktų rezervuaru. Jis yra Antarktidoje po keturių kilometrų ilgio ledo sluoksniu. Mūsų tyrėjai jį atrado atlikę giliavandenius gręžinius. Šiuo metu kuriama tarptautinė programa, kurios tikslas – prasiskverbti į šio ežero vandenis nepažeidžiant jo reliktinio grynumo. Gali būti, kad ten egzistuoja kelių milijonų metų senumo reliktiniai organizmai.
Taip pat didelis susidomėjimas Rumunijoje aptiktas urvas, be prieigos prie šviesos. Išgręžę įėjimą į šį urvą, jie atrado aklų gyvų organizmų, tokių kaip vabzdžiai, kurie minta mikroorganizmais, egzistavimą. Šie mikroorganizmai savo egzistavimui naudoja neorganinius junginius, kurių sudėtyje yra vandenilio sulfido, patenkančio iš šio urvo dugno. Į šį urvą šviesa neprasiskverbia, bet ten yra vandens.
Ypatingą susidomėjimą kelia mikroorganizmai, neseniai tyrinėdami atrado amerikiečių mokslininkai vienas iš druskos ežerų.Šie mikroorganizmai yra išskirtinai atsparūs savo aplinkai. Jie gali gyventi net grynai arseno aplinkoje.
Taip pat daug dėmesio sulaukia vadinamuosiuose „juoduosiuose rūkaliuose“ gyvenantys organizmai (2.1 pav.).
Ryžiai. 2.1. Vandenyno dugno „juodieji rūkaliai“ (karšto vandens srovė rodoma rodyklėmis)
„Juodieji rūkaliai“ – tai daugybė hidroterminių angų, veikiančių vandenyno dugne, apribotos ašinėmis vidurio vandenyno keterų dalimis. Iš jų į vandenynus esant aukštam 250 atm slėgiui. labai mineralizuotas karštas vanduo(350 °C). Jų indėlis į Žemės šilumos srautą siekia apie 20 proc.
Hidroterminės vandenyno angos perneša ištirpusius elementus iš vandenyno plutos į vandenynus, pakeičia plutą ir labai prisideda prie vandenynų chemijos. Kartu su vandenyno plutos susidarymo ciklu vandenynų keterose ir jos perdirbimu į mantiją, hidroterminiai pokyčiai yra dviejų pakopų sistema, skirta elementams perkelti tarp mantijos ir vandenynų. Akivaizdu, kad vandenyno pluta, perdirbta į mantiją, yra atsakinga už kai kuriuos mantijos skirtumus.
Vandenyno vidurio kalnagūbrių hidroterminėse angose gyvena neįprastos biologinės bendruomenės, kurios energiją gauna skaidydami hidroterminių skysčių junginius (juodąją srovę).
Okeaninėje plutoje, matyt, yra giliausios biosferos dalys, siekiančios 2500 m gylį.
Hidroterminės angos labai prisideda prie Žemės šilumos balanso. Po vidurinėmis keteromis mantija yra arčiausiai paviršiaus. Jūros vanduo pro plyšius prasiskverbia į vandenyno plutą iki nemažo gylio, dėl šilumos laidumo įkaista nuo mantijos šilumos ir koncentruojasi magmos kamerose.
Išsamus aukščiau išvardytų „ypatingų“ objektų tyrimas neabejotinai paskatins mokslininkus objektyviau suprasti gyvybės atsiradimo mūsų planetoje ir jos biosferos formavimosi problemą.
Tačiau reikia pažymėti, kad iki šiol gyvybė nebuvo gauta eksperimentiškai.
